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方法文章

结合反射共聚焦显微镜与光学相干断层扫描通过图像采集实现皮肤癌的无创诊断

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DOI：

10.3791/63789

⸱

2022年8月18日

 ,  , 
1Dermatology Service, Department of Medicine, Memorial Sloan Kettering Cancer Center

本文内容

摘要

本文介绍了使用新型无创反射共聚焦显微镜（RCM）以及联合RCM与光学相干断层扫描（OCT）成像设备获取高质量图像的操作方案。同时帮助临床医生熟悉这些技术的临床应用，以便将其整合到常规临床工作流程中，从而提升患者诊疗水平。

摘要

皮肤癌是全球最常见的癌症之一。其诊断依赖于肉眼观察和皮肤镜检查，随后通过活检进行组织病理学确诊。尽管皮肤镜检查的敏感性较高，但特异性较低，导致约70%至80%的活检结果显示为良性病变（即皮肤镜检查的假阳性）。

反射共聚焦显微镜（RCM）和光学相干断层扫描（OCT）成像可无创地辅助皮肤癌的诊断。RCM 能够对组织进行横截面（en-face）的细胞形态学成像。相较于皮肤镜检查，RCM 使黑色素瘤及色素性角质形成细胞皮肤癌的诊断特异性提高了一倍，使良性病变的活检数量减少了一半。RCM 已在美国获得计费编码，目前正逐步整合到临床实践中。

然而，该技术存在一些局限性，例如成像深度较浅（约200 µm）、对非色素性皮肤病变的对比度较差，以及以en-face方式成像，导致在检测非色素性基底细胞癌（BCCs）——与基底层连续的浅表型BCC及更深层浸润型BCC时，特异性相对较低。相比之下，光学相干断层扫描（OCT）虽缺乏细胞级分辨率，但可在垂直断面上对组织进行成像，深度可达约1 mm，从而能够检测浅表型和深层的BCC亚型。因此，这两种技术本质上具有互补性。

一种"多模态"的共聚焦显微镜-光学相干断层扫描（RCM-OCT）联合设备，可同时以en-face（俯视）和垂直模式对皮肤病变进行成像。该设备有助于基底细胞癌（BCC）的诊断与管理（表浅型BCC采用非手术治疗，而较深在病变则采用手术治疗）。相较于单独使用RCM，该联合设备在检测微小、非色素性BCC方面显著提高了特异性。RCM及RCM-OCT设备正在为皮肤癌的诊断与管理带来重大的范式转变；然而，目前其应用仍局限于学术性三级医疗中心及部分私立诊所。本文旨在使临床医生熟悉这些设备及其应用，并探讨其在常规临床工作流程中转化应用所面临的障碍。

引言

传统上，皮肤癌的诊断依赖于对病灶的肉眼检查，随后使用一种称为皮肤镜的放大镜对可疑病灶进行更细致的观察。皮肤镜可提供皮下信息，相较于单纯肉眼检查，能够提高皮肤癌诊断的敏感性和特异性1,2。然而，皮肤镜检查缺乏细胞水平的细节，常常需要通过活检进行组织病理学确诊。皮肤镜检查的特异性较低且变异较大（67%至97%）3，导致出现假阳性结果，进而实施活检，而最终病理结果显示病变为良性。活检不仅是一种有创操作，会引起出血和疼痛4，而且由于可能留下瘢痕，对于面部等美容敏感区域尤为不理想。

通过克服现有局限性来改进患者护理，许多非侵入性方法 体内 成像设备正在被研究5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18共聚焦显微反射（RCM）和光学相干断层扫描（OCT）设备是用于诊断皮肤病变（尤其是皮肤癌）的两种主要光学无创设备。RCM 已在美国获得现行手术术语（CPT）计费代码，并正在越来越多的学术性三级医疗中心及部分私立诊所中得到应用7,8,19. RCM 图像可达到接近组织学（细胞级）分辨率的病灶成像。然而，图像在 平面视图 平面（一次可视化一层皮肤），成像深度限制在约200 µm，仅足以到达表层（乳头层）真皮。反射共聚焦显微成像依赖于皮肤中不同结构产生的反射对比度。黑色素提供最高的对比度，使色素性病变呈现明亮图像，更易于诊断。因此，反射共聚焦显微成像与皮肤镜检查相结合，显著提高了对色素性病变（包括黑色素瘤）的诊断准确性（敏感性达90%，特异性达82%），优于单独使用皮肤镜检查20然而，由于粉红色病灶中缺乏黑色素对比，特别是对于基底细胞癌（BCC），共聚焦显微镜（RCM）的特异性较低（37.5%–75.5%）21一种常规的OCT设备是另一种常用的无创设备，可对皮肤内深度达1 mm的病灶进行成像，并以垂直平面显示（类似于组织病理学）。9然而，OCT缺乏细胞水平的分辨率。OCT主要用于诊断角质形成细胞病变，尤其是基底细胞癌（BCC），但其特异性仍然较低9.

因此，为了克服这些设备现有的局限性，已研制出一种多模态RCM-OCT设备22。该设备将RCM与OCT集成于一个手持式成像探头中，能够同时获取病灶区域共定位的en-face RCM图像和垂直OCT图像。OCT可提供病灶的组织结构细节，并能对皮肤更深层（深度可达约1 mm）进行成像，且视场范围（FOV）更大（约2 mm22），相较于手持式RCM设备（约0.75 mm × 0.75 mm）。RCM图像则用于提供OCT所识别病灶的细胞水平细节。该原型设备尚未实现商业化，目前在临床中作为研究性设备使用23,24,25。

尽管这些设备在改善皮肤癌诊断与管理方面已取得成效（文献支持），但目前在临床中尚未得到广泛应用。这主要是由于能够解读这些图像的专家匮乏，同时也因为缺乏经过培训的技术人员，无法在临床时间范围内于床旁高效获取达到诊断质量的图像8。本论文旨在促进这些设备在临床中的认知度，并最终推动其临床应用。为实现这一目标，我们将使皮肤科医生、皮肤病理学家和莫氏外科医生熟悉使用共聚焦显微镜（RCM）和共聚焦显微镜-光学相干断层扫描（RCM-OCT）设备获取的正常皮肤及皮肤癌图像。我们还将详细阐述每种设备在皮肤癌诊断中的应用价值。尤为重要的是，本文的重点是提供使用这些设备进行图像采集的分步操作指南，以确保获得适用于临床的高质量图像。

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方案

以下所述的所有方案均遵循机构人类研究伦理委员会的指南。

1. 共聚焦显微内镜设备及成像方案

注意：目前有两种 commercially available 的 in vivo RCM 设备：宽探头 RCM（WP-RCM）和手持式 RCM（HH-RCM）。WP-RCM 与数字皮肤镜集成于一体。这两种设备可单独提供，也可作为组合装置提供。以下是使用最新一代（第四代）WP-RCM 和 HH-RCM 设备的图像采集方案及其临床适应证。

  1. 病灶选择与临床适应证
    1. 寻找以下类型的皮损：皮肤镜下难以明确的粉红色皮损（基底细胞癌、鳞状细胞癌[SCC]、日光性角化病[AK]或其他良性病变）或色素性皮损（痣与黑色素瘤、色素性角化细胞病变）；近期在临床或皮肤镜检查中发生改变的痣；炎症性皮损以确定其炎症模式。
    2. 对恶性黑素瘤（lentigo maligna, LM）边缘进行绘图，以确定病灶范围，并对具有亚临床扩散的疾病（如乳房外Paget病（extramammary Paget's disease, EMPD）和LM）进行病灶绘图及活检部位选择。
    3. 对非手术治疗（如外用药物咪喹莫特、放疗、光动力疗法和激光消融）进行无创监测。
  2. 对于设备选择，皮肤较平坦区域（躯干和四肢）的病灶使用WP-RCM设备，曲面区域（鼻部、耳垂、眼睑和生殖器）的病灶使用HH-RCM设备。
    注意：成像设备的选择主要取决于病变的位置。
  3. 成像时，将患者置于完全倾斜的椅子或平坦的检查台上，使用枕头或扶手提供支撑，以获得平坦的成像表面。
    注意：上一代（第3代）WP-RCM设备每处病灶成像约需30分钟。目前临床使用的新型（第4代）WP-RCM设备对单个病灶的成像时间约为15分钟。尽管成像时间已有所缩短，但仍需确保患者体位舒适，以最大限度减少运动伪影，并有助于获取更高质量的图像。以下步骤可帮助正确安置患者体位：
  4. 成像前准备时，使用酒精棉片清洁病灶及周围皮肤，以去除任何污垢、乳液或化妆品。在安装组织窗口前，需剃除多毛皮肤区域的毛发，避免产生气泡，影响组织微结构的观察。
    注意：若需清除厚重的化妆品或防晒霜，请先用温和的肥皂和水清洁部位，再用酒精进行清洁。
  5. 使用WP-RCM设备进行图像采集（图1, 图2, 补充图 S1, 补充图 S2，以及 补充图 S3)
    ​注意：WP-RCM 设备能够采集图像序列、马赛克图像、单帧实时视频和单帧图像。
    1. 将一次性塑料窗口帽固定在病灶处（图1），将探头垂直于病灶放置，以获得最佳图像。参考 图1A- F 以附着示例为例。在塑料窗口中央滴加一滴矿物油，并小心地将其沿窗口宽度方向均匀铺开（图1A）。从塑料窗的粘性面撕下纸背衬。轻轻拉伸皮肤以避免起皱，然后贴上窗口。
      注意：使用食品级矿物油，确保其安全且具有高黏度。确保病灶居中并被完全覆盖。对于大于 8 mm × 8 mm 的病灶，可根据皮肤镜检查结果对可疑区域进行成像，或分次进行独立的成像操作以覆盖整个病灶。
    2. 获取皮肤镜图像（图1C，D)
      注意：采集皮肤镜图像以作为病灶内导航的参考。应采用以下步骤，以确保皮肤镜图像与共聚焦图像之间实现完美配准。
      1. 将WP-RCM探头悬停在塑料窗帽上方，调整至探头插入的最佳角度（图1C）。在探头侧面找到白色的小箭头（图1C）并将其与皮肤镜相机侧面的箭头对齐（图1C).
      2. 将皮肤镜相机插入塑料窗口帽中（图1D按下相机上的触发按钮以获取图像。取下皮肤镜。在开始成像前，确保皮肤镜图像覆盖整个病灶表面。
    3. 将RCM探头连接至塑料一次性帽图1E，F），取豌豆大小的超声耦合剂置于一次性塑料窗帽内（图1E将探针插入帽内，直至听到清脆的咔哒声（图1F).
      注意：为获得最佳图像，应将探头垂直（成90°角）插入塑料窗口。可升高检查床的高度以获得更平坦的表面，减少运动伪影，并排出气泡（图3 和 图4），并确保牢固地固定在皮肤上。
    4. 获取RCM图像（图2, 补充图 S1，以及 补充图 S2)
      1. 使用皮肤镜图像（步骤5.2）指导共聚焦显微镜（RCM）图像的采集补充图 S1). 选择病灶中心，并识别皮肤最表层（最亮）的无核角质层（stratum corneum）补充图 S1).
      2. 设置 成像深度 到 零 在此水平补充图 S1).
        注意：该深度作为确定病灶内后续各层实际z轴深度的参考点。
      3. 在病灶中心获取一个图像序列图2 和 补充图 S1) 通过按压 堆栈 图标。从下拉菜单中选择一个解剖位点： 面部 或 身体设置 4.5 µm 步长 和 250 µm 深度.
        注意：从角质层开始堆叠，至真皮最深层可见部分结束。 补充图 S1 展示了如何获取一个图像序列的示例，而 图2 展示了堆栈的一个示例。
      4. 获取马赛克图像：在真皮-表皮交界处（DEJ）获取第一张马赛克图像（补充图 S2）。在获取的图像序列中识别出釉牙本质交界层，然后使用鼠标选择一个8 mm × 8 mm的正方形区域以覆盖整个病灶。按下拼接图标以完成操作（补充图 S2）。在不同深度至少采集5个马赛克图像：角质层、棘层、基底上层、基底膜带以及浅层乳头层真皮。
      5. 打开DEJ马赛克图像以指导后续马赛克图像的采集。点击DEJ马赛克图像上的任意结构，可在实时成像画面中定位该区域。向下滚动以采集真皮层的马赛克图像，然后从DEJ向上滚动以采集表皮层的马赛克图像。
      6. 由床旁的专家级RCM阅片者对获取的马赛克图像进行评估，以确定感兴趣区域并采集图像序列。若床旁无专家在场，则采集5组图像序列：根据皮肤镜检查结果，在病灶中心及每个象限中各采集一组具有均质模式的图像（步骤1.5.2）。对于异质性病灶，需额外采集图像序列以覆盖所有皮肤镜特征。
        注意：A "堆叠" (图2是一组按深度顺序采集的高分辨率单帧小视野（FOV）图像（0.5 mm × 0.5 mm），从表皮最顶层开始，至浅层真皮（约200 µm）为止。 "嵌合体" (补充图 S2) 是通过将多个500 µm × 500 µm的单幅图像拼接而成的大视野图像 "X-Y" （水平） 正面 平面）。
    5. 完成成像实验
      1. 点击 完成成像.
      2. 将显微镜从塑料窗口上取下。轻轻拉紧患者皮肤，取下塑料窗口并丢弃。用酒精棉签擦去皮肤上的油渍。
      3. 取下显微镜镜头周围的保护锥形罩。使用酒精棉签清洁物镜尖端，以去除超声耦合剂。用纸巾将物镜擦干。将塑料锥形罩重新安装到显微镜探头上。
        注意：经过培训的医师可在床旁读取图像，并生成和签署报告。若现场无专家读片，可通过云端传输图像或进行实时远程共聚焦会诊，以咨询远程专家。26.
    6. 生成一个 共聚焦诊断评估 报告补充图 S3)
      1. 点击 新评估从下拉菜单的预设选项中选择诊断结果。
      2. 如果需要进行另一次成像实验，请选择 图像不充分，需要重新采集如果需要描述性诊断，请选择 其他 并在表格末尾的自由文本框中进行描述。输入用于计费的CPT代码7 (补充图 S3A）。从报告清单中选择成像时观察到的相应特征（补充图 S3B）。从清单中选择适用的管理选项。
        注意：HH-RCM 成像不适用任何计费代码。
      3. 点击 完成并签名生成报告并导出为 PDF 格式，打印。由医师签署后，将报告添加至患者的病历中用于计费。
  6. 使用HH-RCM设备进行图像采集（图5)
    注意：HH-RCM 设备能够采集图像序列、实时单帧视频和单帧图像。
    1. 用纸环围绕医生确定的病灶。患者体位摆放及病灶部位清洁步骤详见第3节。
      注：根据病灶大小选择纸环尺寸（5-15 mm），以界定病灶边界，并确保成像位于病灶范围内。若无纸环，可使用纸胶带标记病灶边界。
    2. 取下覆盖显微镜镜头的塑料盖帽。在手持式共聚焦显微镜（HH-RCM）的物镜上涂抹豌豆大小的超声耦合剂，并用塑料盖帽覆盖补充图 S3A在将接触皮肤的塑料帽一侧滴加一滴足量的矿物油。
      注意：如果皮肤非常干燥，可根据需要增加油的用量。
    3. 将探头以适当压力按压在皮肤病变部位。使用HH-RCM设备的z轴深度控制功能，在病变组织的不同深度进行上下移动。补充图 S3B). 在感兴趣区域获取多个单帧图像和图像序列。按步骤 1.5.4.3 中所述方法采集图像序列。
    4. 对于较大的病灶，当 WP-RCM 设备无法贴附时，可通过移动 HH-RCM 探头覆盖整个病灶表面，以不同层次连续拍摄视频。单击 视频采集符号 如有需要，记录血管内血细胞的运动情况。
      注意：这些视频后续可使用软件拼接，以获得类似于镶嵌图的大视野图像。
    5. 按压 完成成像 成像结束后，使用酒精棉片清洁病灶以去除油渍。用酒精湿巾擦拭探头物镜上的超声耦合剂，并重新盖上塑料保护帽。
      ​注意：与可由技术人员操作的 WP-RCM 设备不同，HH-RCM 应由能够实时解读图像、在病灶内进行导航并作出正确诊断的 RCM 读片人员操作。

2. 联用RCM-OCT设备及成像方案

注意：RCM-OCT 设备目前仅有一个原型。该设备配备手持式探头，可用于所有体表部位，类似于 HH-RCM 设备。它可获取 RCM 图像序列（与 RCM 设备类似）和 OCT 扫描图像（一系列连续的横截面图像组成的视频22）。RCM 和 OCT 图像均为灰度图像。RCM 图像的视场（FOV）约为 200 µm × 200 µm，而 OCT 图像的视场为 2 mm（宽度）× 1 mm（深度）。以下是使用 RCM-OCT 设备进行图像采集的操作流程及其临床适应证。图6展示了 RCM-OCT 设备的外观，图7展示了 RCM-OCT 设备的软件系统。

  1. 病灶选择
    1. 寻找皮肤镜下表现不明确的粉红色或色素性病灶，以排除基底细胞癌（BCC）。
    2. 评估BCC的浸润深度以指导治疗，并在治疗后评估残留的BCC病灶。
  2. 成像时的患者体位：使用RCM-OCT设备对单个病灶进行成像可能需要长达20分钟。该设备为手持式探头，与HH-RCM设备类似，因此可在病灶区域自由移动。有关患者体位的具体信息，请参见上述第1.4节。
  3. 成像部位的准备：使用该探头时，应确保病灶边界无过多毛发和表面杂质，且边界清晰可见。更多细节请参见上述步骤1.4.1。
  4. 使用RCM-OCT设备进行图像采集（图6 和 图7）
    1. 探头准备方法与HH-RCM所用探头相同（步骤1.6.1–1.6.2）。
    2. 以线扫描成像模式和光栅模式采集图像。
      1. 点击成像设置（图7A）。选择线扫描成像模式以获取RCM图像（细胞分辨率）（图7B）。将步进大小设为5 µm，步数设为40（图7A）。
      2. 点击采集。按照步骤1.5.4.3采集图像序列。完成后，点击冻结按钮。
      3. 点击成像设置。选择光栅模式以获取病灶结构的关联OCT视频（图7B）。切换至技术人员标签页（图7C）。完成后，点击采集按钮（图7A），并立即按下保存按钮。
      4. 根据医生需求，采集多个图像序列和视频。
      5. 按照步骤1.6.5所述方法清洁病灶部位及设备。

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结果

反射共聚焦显微镜（RCM）
RCM 图像解读：
RCM 图像的解读方式类似于组织病理学切片的评估。首先评估马赛克图像以获取整体结构细节并识别可疑区域，这类似于在扫描放大倍率（2x）下观察组织学切片。随后对马赛克图像进行局部放大，以评估细胞层面的细节，类似于在高倍放大（20x）下观察切片。图8 展示了此类图像分析的示意图。

图像质量：
在皮肤相关深度获取的高质量图像，且无明显伪影，是正确诊断的关键。图4A 展示了此类图像的一个示例。导致图像无法判读的主要原因与伪影或图像采集经验不足有关。图3 和 图4B 展示了存在空气气泡、表面碎屑和运动伪影等伪影的图像，这些因素会妨碍诊断性评估。除了掌握图像采集的技术要点外，反射式共聚焦显...

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讨论

本文中，我们介绍了使用图像采集的实验方案 体内 RCM 和 RCM-OCT 设备。目前有两种 commercially available 的 RCM 设备：一种是宽探头或臂式 RCM（WP-RCM）设备，另一种是手持式 RCM（HH-RCM）设备。在临床环境中正确选择使用这些设备至关重要。癌症类型和病变位置是决定设备选择的主要因素。

由于WP-RCM设备需要与皮肤接触，因此适用于躯干和四肢等平坦或轻微起伏体表区域的病灶检查。然而，由于其探头较宽，无法贴合身体的狭窄区域或角落。相比之下，HH-RCM设备更为灵活，探头更窄，因此常用于成像鼻部、眼睑、耳垂及生殖器等弯曲且相对起伏较大的部位的病灶，而这些部位无法使用WP-RCM设备进行检查。

两种设备均可获取单帧细胞分辨率图像、图像层叠（stacks）和视频，可用于所有皮肤癌的成像。然而，WP-RCM 设备能够通过采集拼接图像（mosaics）来可视化最大约 8 mm × 8 mm 的完整病灶。拼接图像可提供病灶结构特征的总体视图（如对称性和边界清晰度）。此外，W...

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披露

Ucalene Harris 不存在竞争性财务利益。Jain 博士是 Enspectra Health 公司的顾问。Milind Rajadhyaksha 博士曾是 Caliber ID 公司（前身为 Lucid 公司）的雇员，并持有该公司股权，该公司负责制造和销售 VivaScope 共聚焦显微镜。VivaScope 是最初由 Rajadhyaksha 博士在哈佛医学院麻省总医院工作期间开发的实验室原型的商业化版本。

致谢

特别感谢Kwami Ketosugbo和Emily Cowen作为成像志愿者参与本研究。本研究由美国国家癌症研究所/美国国立卫生研究院（P30-CA008748）向纪念斯隆-凯特琳癌症中心提供的资助支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Crystal Plus 500FG 矿物油STE Oil Company, Inc.一种食品级高黏度矿物油，用于我们在进行 in vivo 成像时所使用的各种设备。
RCM-OCTPhysical Science Inc.-一种“多模态”整合式 RCM-OCT 设备，可同时以水平和垂直模式对皮肤病变进行成像。
Vivascope 1500Caliber I.D.-一种宽探头反射共聚焦显微镜（WP-RCM）设备，可贴附于皮肤，用于获取 in vivo图像。
Vivascope 3000Caliber I.D.-一种手持式反射共聚焦显微镜（HH-RCM）设备，可在皮肤表面移动以采集 in vivo图像。

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