微血管成像技術盤點

微循環(huán)疾病近年來被廣泛關注，盡管我們知道微循環(huán)在調節(jié)生理機能方面和疾病發(fā)生發(fā)展方面有著十分重要的作用，但是目前我們對其仍然知之甚少，而隨著醫(yī)學影像學的突破近年來一些無損微循環(huán)成像技術走上了科研與臨床的舞臺。今天就讓我們借著一篇研究皮膚微循環(huán)成像技術的綜述來盤點一下目前科研及臨床領域中的微循環(huán)無損成像技術吧！我們知道皮膚上微血管構成主要在真皮層和皮下組織中（如下圖）。真皮層通常1-4mm厚里面包含血管，淋巴管，毛囊，腺體等組織結構。而皮下組織厚度為5-20mm主要由脂肪組織構成。而其真皮層的毛細血管主要為淺表乳頭血管叢、網狀神經血管叢，皮下組織中為皮下血管從如下圖。

圖一：皮膚血管系統(tǒng)。（a） 健康皮膚圖，突出三個主要層：表皮、真皮和皮下組織。（b）健康皮膚血管系統(tǒng)圖，分為三層：淺表乳頭血管叢、網狀神經血管叢和皮下血管叢。（c） 突出顯示乳頭狀和網狀神經叢血管的圖，為（b）中的黑色方塊。當我們需要檢測皮膚中的微循環(huán)時工作人員大多通過其檢測的目的，環(huán)境，所需的詳細程度、感興趣區(qū)域的位置、穿透要求進行預期分析，選擇不同的成像技術。圖二中簡要介紹一些常用的皮膚成像方法，從分辨率以及穿透深度兩個角度顯示了幾種成像方式的差別。圖二中表明共距焦顯微鏡具有高分辨率，但穿透能力有限，光學相干層析成像（OCT）相比較是更平衡的具有一定的穿透深度和良好的分辨率，超聲檢查等具有強大的穿透能力，但分辨率有限。
 

圖二：常用的皮膚血管成像模式，圖標中XY軸分別表示成像分辨率和穿透深度。左一圓點所示為共聚焦顯微鏡，穿透深度>100µm，分辨率為1µm；左二為光學相干層析成像（OCT），穿透深度>1 mm，分辨率為10µm；左三為超聲成像，超聲穿透深度可達10 cm，分辨率超過10µm。
皮膚鏡

圖三：皮膚鏡和毛細血管鏡檢查。（a） 酒渣鼻患者的皮膚鏡成像，顯示呈多邊形網絡排列的線性血管。（b） 皮膚鏡檢查一例晚期脂質壞死性病變的患者，顯示細長的、分叉的、集中的蛇形血管。（c） （d）兩種不同倍數的甲襞微血管的皮膚鏡圖像。（e） 和（f）分別與（c）和（d）相關的高倍率（300倍）毛細血管鏡圖像。（c） 和（e）取自原發(fā)性雷諾氏現象的患者，顯示正常的發(fā)夾狀毛細血管環(huán)；而（d）和（f）取自系統(tǒng)性硬化癥患者，顯示環(huán)變寬、無血管和出血。皮膚鏡是除了肉眼評估外，評估皮膚微血管最經濟的方法，皮膚鏡最早用于提高黑色素瘤的檢測，它是利用一種手持式放大鏡，來評估通過光譜反射率，通常在10倍放大鏡下觀察表皮的色素結構。該方式可以對黑色素細胞性皮膚腫瘤與非黑色素細胞性皮膚腫瘤以及良性與惡性無色素皮膚腫瘤進行分類。例如，Zaluadek等人，用皮膚鏡檢查有色素和無色素的鮑恩氏病或鱗狀細胞在重復的血管和結構形態(tài)學發(fā)現，皮膚鏡檢查可提高此類疾病的診斷準確性。
激光多普勒血流測量與灌注成像

圖四：激光多普勒灌注成像（LDPI）。（a） 顯示LDPI裝置典型布置的示意圖。（b） 食指浸泡在冰水中前、后、后3分鐘和10分鐘后的血流密度指數。激光多普勒血流測量（LDF）與聲波類似，該技術基于發(fā)射激光通過光纖傳輸，激光束被所研究組織散射后有部分光被吸收。擊中血細胞的激光波長發(fā)生了改變（即多普勒頻移），而擊中靜止組織的激光波長沒有改變。這些波長改變的強度和頻率分布與監(jiān)測體積內的血細胞數量和移動速度直接相關。通過接收光纖，這些信息被記錄并且轉換為電信號進行分析。LDF的一個關鍵特性是，它可以在任何時間從單個點或容器進行流量測量，這意味著它可以提供連續(xù)、實時的流量信息。然而，這也是LDF的一個顯著缺點使用單個點或容器進行流量分析可能導致測量值的高可變性，因為微血管本身是不均勻的，并且流量可以在空間和時間上變化。另外，由于LDF測量的是單點流量，所以它不能提供可見的血管形態(tài)或密度測量的信息。目前多用于科研中腦血流評估、下肢缺血、皮膚/斑貼試驗等，臨床中多用于外周血管疾病評估、PAD/CLI診斷、不愈合傷口、血管重建評估、截肢平面判定、高壓氧、皮瓣監(jiān)測、雷諾病、燒傷評估等。
激光散斑對比成像

圖五：激光散斑對比成像（LSCI）。（a） 顯示LSCI設置典型布置的示意圖。（b） 中風患者左手背的傳統(tǒng)LSCI。（c） （b）中同一患者的雙波長LSCI，感興趣區(qū)域用黑色箭頭突出顯示。（d） 灌注指數信號來自于（c）中突出顯示的三個感興趣區(qū)域，手指、靜脈和皮膚組織。色階表示0（低）–260（高）的灌注指數。比例尺代表15毫米。當相干光從粗糙表面反射或從含有散射物質的介質內部后向散射或透射時，會形成不規(guī)則的強度分布，出現隨機分布的斑點。粗糙表面和介質中散射子可以看作是由不規(guī)則分布的大量面元構成，相干光照射時，不同的面元對入射相干光的反射或散射會引起不同的光程差，反射或散射的光波動在空間相遇時會發(fā)生干涉現象。當數目很多的面元不規(guī)則分布時，可以觀察到隨機分布的顆粒狀結構的圖案，這就是光通過散射介質和自由空間傳播時形成的散斑（顆粒狀結構斑點稱為散斑）。LSCI已經被用于許多臨床前-和臨床研究；例如，作為冠狀動脈疾病患者的微血管功能研究工具和預測小兒燙傷愈合時間的機制研究�？紤]到LSCI的簡單性及其相對于其他成像技術的假定優(yōu)勢，它已經與LDF116和LDPI117在皮膚成像能力方面進行了比較。例如，Tew等人比較了LSCI用LDF評價閉塞后反應性充血（PORH）微血管功能并得出結論，雖然LSCI總體上比LDF更具可復制性，但很可能是由于較低的位點間變異性，LSCI的敏感性增加使得低血流量區(qū)域的成像出現不可重復等問題。
動態(tài)光學相干層析成像（DOCT）

圖六：動態(tài)光學相干斷層掃描（dOCT）健康皮膚血管系統(tǒng)，其中正面OCT結構圖像（灰色）覆蓋血管信息（紅色）。（a） 左臉頰的正面圖像。（b） 左手食指指尖的正面圖像。（c） 右腿的正面圖像。（d） 左臂的正面圖像。（e） 后背的正面圖像。（f） 左手食指左側甲襞的正面圖像。（g） 右腿的橫截面圖像。許多不同的血管形態(tài)被表示出來，例如活體指紋，（b），網狀圖案，（c），逗號和圓點，（d）和（e）。所有正面圖像表示6 x 6 mm的視野和6 x 2 mm的橫截面圖像。DOCT技術是將OCT技術進行拓展加入多普勒測量血流及血流方向的一種成像方式，原理上類似超聲多普勒，但是能夠包含更多信息，DOCT將多普勒原理與OCT結合起來，可達到10µm的空間分辨率，血流識別靈敏度可識別低至10µm/s的血液流速。DOCT用于微血管成像的限制之一是多普勒效應取決于探頭與血流方向之間的角度，這意味著使用此方法收集的數據會受到相當大的人員操作影響。
光學相干斷層血管成像（OCTA）

圖七：小鼠創(chuàng)傷模型和人體模型的光學相干斷層血管造影（OCTA）。（a） –（d）小鼠傷口模型愈合OCTA圖像在7周的時間內檢測。顯示了在愈合過程中微血管的變化。（e） –（h）分別對應于（a）–（d）的橫截面圖像。所示為結構變化。（i） –（l）人體傷口模型愈合OCTA圖像。再次顯示了愈合過程中的微血管變化。（m） –（p）分別對應于（i）–（l）的橫截面圖像。顯示微血管改變。（q） –（t）分別對應于（i）–（l）的橫截面圖像。所示為結構變化。比例尺代表1毫米。OCTA技術是近年來最受人推崇的一種微血管成像技術，作為OCT的功能延伸，越來越多地用于體內臨床前和臨床應用。OCTA起初是用來檢測眼底視網膜血管成像，但是隨著技術和算法的提升越來越多的將其用來檢測皮膚和其他組織微血管成像，與以上技術相比其擁有較高的分辨率能達到微米級并隨著技術的突破分辨率不斷提升，并且由于其原理為檢測紅細胞運動接受光信號，所以無需使用任何標記可以記錄真實的血管內血流圖像。目前已有學者將其應用于檢測皮膚創(chuàng)傷及燒傷后的微循環(huán)改變，而且也有一些科研人員在將其引入臨床手術用于引導成像輔助操作進行。

圖八：燙傷后24小時的光學相干斷層攝影術（OCTA）。圖中是一張右手腕背部燙傷的照片。三個紅色方框代表三個感興趣的區(qū)域：（a）–（c）。（a） –（c）燙傷傷口的正面圖。圖示為兩個邊界掃描（a）和（c）以及傷口中心掃描（b）。邊界掃描清晰可見血管密度的變化與傷口的形狀相一致。與傷口周圍皮膚相比，傷口內的毛細血管密度顯著增高。（d） –（f）皮膚結構的橫截面圖像，分別與（a）–（c）中的白色穿孔線相關。（g） –（i）皮膚血管系統(tǒng)的橫截面圖像；同樣，分別與（a）–（c）中的白色穿孔線相關。血管密度在這里，再次出現在傷口內最密集。色條代表用顏色編碼的血管深度。比例尺代表1毫米。
 
光聲成像技術

圖九：光聲成像示意圖和兩個示例圖像。    （a） 所示為生物組織如何吸收脈沖光，然后引起熱膨脹和超聲波傳感器可以檢測到的聲波發(fā)射。（b） 一種最大強度投影的光聲圖像，位于同一圖像旁邊，通過顏色編碼表示血管深度。圖右下角的編號表示容器深度，單位為mm。光聲成像是一種混合成像方式，當脈沖激光照射到（熱聲成像則特指用無線電頻率的脈沖激光進行照射）生物組織中時，組織的光吸收域將產生超聲信號，我們稱這種由光激發(fā)產生的超聲信號為光聲信號。生物組織產生的光聲信號攜帶了組織的光吸收特征信息，通過探測光聲信號能重建出組織中的光吸收分布圖像。光聲成像結合了純光學組織成像中高選擇特性和純超聲組織成像中深穿透特性的優(yōu)點，可得到高分辨率和高對比度的組織圖像，從原理上避開了光散射的影響，突破了高分辨率光學成像深度“軟極限”（~1 mm），可實現50 mm的深層活體內組織成像。但其技術仍處于不成熟階段，具有采集數據慢，體積大等缺點，尚未被廣泛使用。
空間頻域成像（SFDI）

圖十：個人右手的SFDI成像。（a） SFDI采集的原始數據具有圖案結構照明可見。（b） 由（A）導出的簡化散射圖。（c） 由（A）導出的剖面校正吸收圖。空間頻域成像（SFDI）是另一種新型的成像方式，可用來評價皮膚血流灌注。SFDI具有寬視野、無創(chuàng)成像的特性，利用皮膚的光學特性和生化成分來產生結構特征和生色團（如血紅蛋白）濃度的組織圖。最初由Cuccia等人提出并應用。在廣泛應用于皮膚研究之前，它通常測量空間調制光的漫反射系數，此技術的原理是通過量化組織（即在此情況下的皮膚）減少的散射系數和光學吸收（µs和µα），同時成像皮膚的表面結構特征，并通過評估氧合血紅蛋白含量來間接監(jiān)測皮膚的血管健康狀況。但由于其特性要求被測試者處于靜止不動狀態(tài)要求較高，和成像速度不足，導致其目前也仍處于不成熟的狀態(tài)。
好了今天關于微循環(huán)成像技術的盤點就到這里了，我們總結一下，目前微循環(huán)成像技術有很多種但都由于其技術限制，或應用條件的苛刻導致沒有一種十全十美的技術，但是近年來如OCTA，光聲成像等技術的不斷進步使我們的微循環(huán)成像水平在不斷的提升，使我們眼前一亮。雖然現在有些技術仍有缺陷但是相信不久的將來多技術的融合和提升將為微循環(huán)成像帶上一個新的臺階。


參考文獻
Deegan AJ, Wang RK. Microvascular imaging of the skin. Phys Med Biol. 2019;64(7):07TR01. Published 2019 Mar 21. doi:10.1088/1361-6560/ab03f1
 
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