皮膚疾病是臨床醫(yī)學(xué)中一種常見(jiàn)疾病，影響人的外貌、身體健康和生活質(zhì)量。因此，皮膚疾病的精準(zhǔn)診斷及評(píng)估一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。然而，傳統(tǒng)的皮膚檢查方法通常需要進(jìn)行切除或者穿刺，給患者帶來(lái)不便和痛苦。因此，非侵入性皮膚成像技術(shù)被廣泛研究和應(yīng)用。其中，光聲皮膚鏡（Photoacoustic dermoscopy, PAD）是一種新興的無(wú)損醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，可以通過(guò)獲取皮膚組織的光吸收信息來(lái)輔助皮膚疾病的診斷或評(píng)估，展現(xiàn)出了極好的臨床應(yīng)用前景。但目前PAD技術(shù)仍面臨一個(gè)極具挑戰(zhàn)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題亟待解決：在皮膚多層次散射、激發(fā)光波長(zhǎng)分布以及超聲探測(cè)器檢測(cè)性能等因素影響下，如何定量、準(zhǔn)確地、魯棒地獲取多光譜光聲體素?cái)?shù)據(jù)圖像。

為了深入探究人體皮膚結(jié)構(gòu)和光聲皮膚功能成像的定量準(zhǔn)確性，來(lái)自南京理工大學(xué)智能計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室（Smart Computational Imaging Laboratory, SCILab）研究團(tuán)隊(duì)及其合作單位（復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院）提出了一種四維光譜空間計(jì)算的光聲皮膚成像方法，為光聲皮膚鏡的發(fā)展和臨床應(yīng)用提供了新的思路。相關(guān)成果以“4D spectral-spatial computational photoacoustic dermoscopy”為題發(fā)表于期刊Photoacoustics。碩士生高楊為文章第一作者，封婷研究員、左超教授、馬海鋼副教授為共同通訊作者。

主要研究?jī)?nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)PAD技術(shù)中對(duì)皮膚結(jié)構(gòu)和功能成像的定量分析和優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種四維光譜-空間計(jì)算方法。整個(gè)過(guò)程中考慮了皮膚的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)及各層的光學(xué)和聲學(xué)特性，并據(jù)此建立起空間模型，結(jié)合蒙特卡羅法和K空間偽譜法實(shí)現(xiàn)了光聲物理過(guò)程的精確計(jì)算。在這里，該空間模型被定義為一個(gè)三維體素網(wǎng)格（圖1），在該空間模型中構(gòu)建了七層皮膚解剖結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體模型，并將其建模為多層平面介質(zhì)。這種精致的網(wǎng)格設(shè)計(jì)允許對(duì)光在組織中的前向傳播進(jìn)行精確計(jì)算。通過(guò)這種方式，能夠獲取光子在組織內(nèi)的沉積分布，并將其轉(zhuǎn)化為三維初始聲壓分布矩陣。

圖1皮膚的四維光譜空間計(jì)算模型

作為驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列研究性光聲皮膚成像實(shí)驗(yàn)，包括光束類型和光子數(shù)量對(duì)PAD成像性能的影響；不同中心頻率和帶寬的超聲換能器對(duì)PAD成像性能的影響；高斯光束聚焦于皮膚下不同深度的成像效果以及不同波長(zhǎng)光束下的成像深度等，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)不僅證實(shí)了所提出計(jì)算模型的可靠性，而且對(duì)PAD技術(shù)的理解和應(yīng)用提供了更深入的見(jiàn)解。同時(shí)研究人員還實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮膚血管中的血紅蛋白（Hb）、氧合血紅蛋白（HbO2）、脂質(zhì)（Lipid）和葡萄糖（Glucose）四種特定生物分子的多光譜成像和解混，并得到與建模成分高度一致的成像結(jié)果（圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了在不同光波長(zhǎng)下生物分子吸收特性的變化，例如，在700 nm和800 nm的波長(zhǎng)下，由于脂質(zhì)位于吸收谷，因此在成像中呈現(xiàn)較低的對(duì)比度。

相反，在900 nm和950 nm附近，HbO2位于吸收峰，在成像中顯示出更高的對(duì)比度。這種差異對(duì)于區(qū)分和識(shí)別皮膚組織中不同的生物分子至關(guān)重要。同時(shí)，光學(xué)正向模擬計(jì)算還考慮了組織的通量異質(zhì)性。這意味著各成分產(chǎn)生的光聲信號(hào)強(qiáng)度隨著進(jìn)入組織更深層而逐漸減弱，這一點(diǎn)在葡萄糖濃度較低的情況下尤為明顯?？傊?，該方法的多光譜成像和光譜解混能力有助于推動(dòng)多波長(zhǎng)PAD系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)化，而且結(jié)合光譜解混算法分析生化成分，可以更準(zhǔn)確地診斷皮膚疾病。

圖2皮膚的多光譜成像和光譜解混

深度學(xué)習(xí)已經(jīng)被廣泛研究用于醫(yī)學(xué)圖像的分析及處理。而PAD仍處于臨床轉(zhuǎn)化的早期階段，臨床PAD數(shù)據(jù)的缺乏是相關(guān)研究面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的模擬方法假設(shè)組織介質(zhì)的光通量是均勻的，這與真實(shí)情況存在較大偏差。研究團(tuán)隊(duì)提出的計(jì)算方法考慮了與波長(zhǎng)相關(guān)的光學(xué)散射，能夠模擬真實(shí)皮膚異質(zhì)組織光學(xué)和聲學(xué)特性，用于生成多變量可控的光聲數(shù)據(jù)集，然后進(jìn)行相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PAD系統(tǒng)成像性能的顯著提升，尤其在空間分辨率和成像深度方面的突破（圖3）。

圖3 基于四維光譜空間計(jì)算模型的深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集獲取及系統(tǒng)優(yōu)化

結(jié)論與展望

該研究開(kāi)發(fā)了一種新的計(jì)算方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PAD成像的定量分析和優(yōu)化，為PAD技術(shù)的發(fā)展和臨床應(yīng)用提供了新的思路和方法。該方法考慮了異質(zhì)性皮膚組織的光學(xué)和聲學(xué)特性，更加深入探究了人體皮膚組織的光聲機(jī)制。此外，通過(guò)使用計(jì)算模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，該方法還可以進(jìn)一步提高PAD系統(tǒng)的成像質(zhì)量，有望為臨床醫(yī)生提供更準(zhǔn)確的皮膚病診斷及評(píng)估結(jié)果。因此，該研究具有重要的理論和實(shí)踐意義，對(duì)于推動(dòng)皮膚成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有積極的促進(jìn)作用。

研究團(tuán)隊(duì)介紹

南京理工大學(xué)智能計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室（SCILab）隸屬于南京理工大學(xué)光學(xué)工程國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科帶頭人陳錢教授領(lǐng)銜的“光譜成像與信息處理”教育部長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、首批“全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”。實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)帶頭人左超教授為國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)士（SPIE Fellow）、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士（Optica Fellow）、英國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士(IOP Fellow)，入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。

實(shí)驗(yàn)室致力于研發(fā)新一代計(jì)算成像與傳感技術(shù)，在國(guó)家重大需求牽引及重點(diǎn)項(xiàng)目支持下開(kāi)展新型光學(xué)成像的機(jī)理探索、工程實(shí)踐以及先進(jìn)儀器的研制工作，并開(kāi)拓其在生物醫(yī)藥、智能制造、國(guó)防安全等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。研究成果已在SCI源刊上發(fā)表論文200余篇，其中36篇論文被選作Advanced Photonics、Photonics Research等期刊封面論文，20篇論文入選ESI高被引/熱點(diǎn)論文，論文被引超過(guò)14000次。獲中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)基礎(chǔ)類一等獎(jiǎng)、日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展“特別嘉許金獎(jiǎng)”等。培養(yǎng)研究生5人獲全國(guó)光學(xué)工程優(yōu)秀博士論文/提名獎(jiǎng)，5人獲中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)王大珩光學(xué)獎(jiǎng)，8人入圍Light全國(guó)光學(xué)博士生學(xué)術(shù)競(jìng)賽全國(guó)百?gòu)?qiáng)，獲“挑戰(zhàn)杯”、“創(chuàng)青春”、“研電賽”全國(guó)金獎(jiǎng)十余次，“互聯(lián)網(wǎng)+”全國(guó)總冠軍。

審核編輯：劉清