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皮肤成像在研究皮肤生物学及疾病诊疗中意义重大，但传统高分辨率成像方法受运动影响且视野有限。研究人员开展 “Motion-tolerant 3D volumetric multimodality microscopy imaging of human skin” 研究，开发 xz-y 成像法，实现多模态 3D 成像，为皮肤研究和临床应用提供有力支持。
皮肤，作为人体最大的器官，宛如一座神秘的 “城堡”，有着复杂多样的结构，里面居住着各种不同类型的细胞，还划分成不同的组织层。在皮肤研究的领域里，科学家们一直渴望拥有一种神奇的 “透视眼”，能在不伤害皮肤的前提下，清晰地看到皮肤内部的微观世界，了解它的健康状况，及时发现疾病的蛛丝马迹。
目前，现有的体内无创 3D 成像技术，就像是有着各种 “小毛病” 的工具。传统的高分辨率体内皮肤显微镜方法，在获取大面积体积数据时，就像一个容易被外界干扰的画家，在绘制大面积画作时，总是会因为人体的不自主运动（比如呼吸、心跳引起的皮肤微动）而 “画歪”，导致图像出现偏差。光学相干断层扫描（OCT）虽然视野大、成像速度快，但分辨率却不够高，就像用一个低像素的相机拍照，无法看清细胞的细节；反射共聚焦显微镜（RCM）虽然能达到亚细胞分辨率，但成像深度有限；多光子显微镜（MPM）虽然分辨率高，还能提供分子特异性信息，可成像速度慢、视野小。这些技术的局限性，就像一道道屏障，阻碍着皮肤生物学的研究以及疾病的准确诊断和评估。
为了突破这些困境，来自加拿大 BC 癌症研究所（BC Cancer Research Institute）和英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）的研究人员，踏上了探索的征程。他们开展了一项关于 “Motion-tolerant 3D volumetric multimodality microscopy imaging of human skin” 的研究，就像为皮肤成像领域打造了一把 “万能钥匙”。
研究人员通过创新的 xz-y 成像方法，成功实现了具有亚细胞分辨率和近厘米级（8mm）大视野的 3D 图像重建。这一成果意义非凡，它就像是给皮肤科医生和研究人员配备了一个超级显微镜，能让他们更准确地观察正常皮肤、白癜风和黑色素瘤的组织学特征。在临床应用中，它可以帮助医生更精准地诊断疾病，制定更有效的治疗方案，还能实时监测治疗效果；在皮肤生物学研究方面，为深入了解皮肤的结构和功能提供了有力的工具。该研究成果发表在《Communications Biology》上，引起了广泛关注。
在研究过程中，研究人员运用了几个关键技术方法。首先是 xz-y 成像技术，通过在垂直（xz）平面获取图像，并沿 y 方向移动皮肤来扩展视野，有效减少了运动伪影的干扰。其次，开发了独特的运动校正算法，能够精准地计算和校正皮肤表面的运动，确保重建的 3D 图像准确可靠。此外，构建了多模态显微镜系统，整合了反射共聚焦（RCM）、双光子激发荧光（TPF）和二次谐波产生（SHG）成像模式，实现了多对比度成像，提供了丰富的组织信息。
下面来看具体的研究结果：
- 3D 断层成像与大视野成像：研究人员利用新开发的 3D 断层成像方法，结合三种共注册的显微镜成像模式（RCM、TPF 和 SHG），实现了大视野的 3D 成像。通过共振扫描镜和压电定位器的协同工作，在 xz 平面快速成像，并通过沿 y 方向移动皮肤扩展视野，能够实时记录组织特征和皮肤表面位置，进而完成 3D 体积成像。
- 直接垂直平面成像：直接垂直平面成像展示了皮肤各层的清晰结构。在志愿者前臂正常皮肤的成像中，通过三种模态的垂直图像和合并的伪彩色图像，可以清晰看到角质层（SC）、透明层（SL）、颗粒层（SG）、基底细胞层（SB）以及真皮上层的胶原蛋白分布等。还能在垂直平面监测真皮乳头中的动态毛细血管血流，为癌症诊断等提供重要信息。
- 运动校正与表面平坦化：针对成像过程中的运动伪影问题，研究人员开发了基于皮肤表面连续性的运动校正算法。通过检测皮肤表面位置、计算相邻帧之间的差异、消除异常值和确定相对运动等步骤，有效校正了运动伪影。同时，为了解决因皮肤表面粗糙度导致的组织深度比较不便的问题，提出了表面平坦化方法，使得在相同组织深度下比较细胞或组织结构变得更加容易。
- 正常皮肤的高分辨率 3D 断层体内成像：调整飞秒激光波长至 735nm，研究人员获取了正常前臂皮肤的高分辨率 3D 显微镜图像。在这些图像中，单个细胞的细胞核和细胞质清晰可见，展示了正常皮肤细胞和形态特征随深度的变化，进一步证明了该方法的高分辨率和运动耐受性。
- 白癜风的 3D 断层体内成像：研究人员对白癜风患者腹部病变进行了体内体积成像。通过成像，清晰地观察到了色素沉着区域和非色素沉着区域的细胞差异，成功获取并重建了受呼吸运动影响的体积数据，再次验证了系统的运动耐受性。
- 原位黑色素瘤的 3D 断层体内成像：对原位黑色素瘤病变进行体内体积成像时，发现癌组织区域的真皮胶原蛋白信号明显减少，表皮充满树突状佩吉特样细胞等特征。病变边界区域呈现出良性痣的特征，而正常组织区域则具有表皮较薄、真皮胶原蛋白信号丰富等特点，为黑色素瘤的诊断提供了重要依据。
在研究结论和讨论部分，研究人员提出将光学成像视角从水平转换为垂直平面成像，并通过皮肤组织平移扩展视野，是实现大视野 3D 体积成像的关键创新点。结合运动校正方法，不仅实现了可靠的大视野 3D 体积图像重建，还能对成像过程中皮肤组织的不自主运动进行回顾性分析。研究发现，皮肤运动轨迹与健康成年人的呼吸频率相似，这为进一步研究皮肤运动与生理活动的关系提供了新的方向。
此外，研究人员还指出，当前垂直截面（xz）成像的视野主要受物镜限制，未来可通过使用高数值孔径低倍率物镜等方式扩大视野，提高成像效率。同时，不同成像通道在不同激发波长下各有优劣，需要进一步优化波长选择，以实现各通道图像的良好信噪比平衡。该研究提出的方法可被称为光学剃须活检，它能在大视野范围内获取详细的 3D 组织信息，无需预先定义成像深度，为标准化成像方法、提高临床应用价值提供了可能。随着 MPM 和 RCM 成像系统的小型化发展，该方法有望被集成到更便捷的设备中，为临床实践带来更大的便利。
