鑒別動(dòng)靜脈新方式｜激光散斑與熒光成像雙重技術(shù)搭配運(yùn)用

天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？

130年多年前，物理學(xué)家瑞利通過“瑞利散射”推導(dǎo)出，當(dāng)太陽光通過空氣時(shí)，波長較長的紅色光透射力最大（其次是橙、黃色光），它能透過大氣中的微粒射向地面；而波長較短的藍(lán)、紫、靛等色光，很容易被懸浮在空氣中的微粒散射開，使天空呈現(xiàn)藍(lán)色。

受該事件啟發(fā)，研究人員發(fā)現(xiàn)反射光和散射光之間會(huì)相互干涉，會(huì)形成散斑現(xiàn)象。隨著時(shí)間的推移，散斑現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理的研究以及物理數(shù)學(xué)理論的不斷發(fā)展，衍生出的激光散斑技術(shù)被用于多項(xiàng)實(shí)踐，如1987年&1994年，F(xiàn)ujii[1,2]等利用激光散斑成像方法測(cè)量了皮膚和視網(wǎng)膜血流變化；1997年，Ulyanov[3]等利用散斑干涉儀測(cè)量了微循環(huán)的淋巴流和血流變化。

目前利用激光散斑技術(shù)對(duì)組織血流灌注進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能同時(shí)具備活體數(shù)據(jù)、⽆創(chuàng)、非接觸式、實(shí)時(shí)、全場(chǎng)監(jiān)測(cè)，無需探頭、造影劑，多種器官組織適用，數(shù)據(jù)直觀等優(yōu)勢(shì)。廣泛應(yīng)用于腦卒中，腦損傷、神經(jīng)認(rèn)知功能、糖尿病，皮瓣移植等研究領(lǐng)域。
 

   

小鼠腸系膜血循環(huán)灌注情況，通過色彩算法渲染，將檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的各種血管內(nèi)的灌注量以不同顏色呈現(xiàn)，豐富了灌注數(shù)據(jù)，直觀的表明了不同血管間灌注量的差異。

熒光成像技術(shù)工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)物質(zhì)吸收光能后發(fā)生躍遷，即從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。由于該激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定，在向穩(wěn)定基態(tài)恢復(fù)的過程中，被吸收的能量會(huì)以光的形式釋放，因此便產(chǎn)生了熒光。常規(guī)觀測(cè)活體動(dòng)物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移、感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過程中用到的熒光成像技術(shù)就是利用了光的吸收性。
 

（帶有熒光物質(zhì)的藥物在小鼠腹腔注射后，通過活體熒光成像觀察藥物在腹腔中的分布情況。）

熒光成像技術(shù)因操作極其簡單、所得結(jié)果直觀、靈敏度高等特點(diǎn), 滿足了直接監(jiān)控生物體內(nèi)腫瘤生長，藥物追蹤，干細(xì)胞遷移等領(lǐng)域的科研需求。
 

（GFP cancer cell injected into right hemisphere and DiD labeled stem cell injected left hemisphere）
 

同時(shí)使用激光散斑與熒光成像技術(shù)，可使科研人員[4]能用熒光信號(hào)對(duì)血管類型加以區(qū)分，并以此甄別血管功能；既簡便又多樣化，進(jìn)一步滿足了活體成像的數(shù)據(jù)需求。具體在觀測(cè)皮層動(dòng)靜脈血流中工作原理：1、在激光散斑系統(tǒng)上搭建一套實(shí)時(shí)熒光信號(hào)采集系統(tǒng)。在同一被測(cè)動(dòng)物的待測(cè)區(qū)域，采集反射的激光信號(hào)以呈現(xiàn)激光散斑血流圖，同時(shí)采集經(jīng)過相應(yīng)波長激發(fā)光所激發(fā)出的發(fā)射光信號(hào)，以顯示不同血管內(nèi)的血流情況。
 

（Abbr：Obj-object of investigation;L-lens;D-diffuser;LD-laser diode for speckle imaging;LS-light source for fluorescence imaging;Ex-excitation optical filter;Em-emission band-pass filter;FFC-fluorescence filter cube）

• 備注：以觀察大腦皮層為例，需要在麻醉并固定滿意后，將小鼠頭皮切開，顯露相應(yīng)觀察區(qū)域的顱骨；在設(shè)備開始采集前，通過尾靜脈注射一定劑量的熒光物質(zhì)。

2、通過鏡頭將信號(hào)采集，將原始的散斑信號(hào)分析識(shí)別，經(jīng)過算法處理，生成腦皮層血流散斑襯比圖。
 

3、同樣通過鏡頭的采集，將出現(xiàn)的熒光信號(hào)強(qiáng)度峰值結(jié)合時(shí)間呈現(xiàn)，用以區(qū)分動(dòng)靜脈的差異。

備注：上圖所示紅綠兩種顏色，分別代表皮層動(dòng)脈和靜脈的血流情況，依照血液中熒光出現(xiàn)的時(shí)間差別，先出現(xiàn)熒光信號(hào)的可認(rèn)為是動(dòng)脈，后出現(xiàn)熒光信號(hào)的是靜脈；同時(shí)可見信號(hào)強(qiáng)度峰值的大小差異與箭頭所對(duì)應(yīng)的血管管徑大小及血流量情況一致。

4、通過對(duì)光學(xué)特點(diǎn)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)既觀察微循環(huán)灌注量，又對(duì)不同血管功能加以區(qū)分的效果。為動(dòng)靜脈功能相關(guān)的科學(xué)研究，創(chuàng)造了極大便利，也豐富了灌注量和活體組織形態(tài)的數(shù)據(jù)。
 

備注：經(jīng)過熒光信號(hào)識(shí)別和處理后，紅色代表動(dòng)脈，綠色代表靜脈。

通過這樣的技術(shù)和搭建，可成功探明皮層動(dòng)靜脈之間血流的差異，并且發(fā)現(xiàn)矢狀竇內(nèi)血流情況是最緩慢的。借此彌補(bǔ)了激光散斑血流成像系統(tǒng)只能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)血流灌注，但無法區(qū)分血管功能的不足，拓展了活體成像技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，為微循環(huán)研究增加了更多可能性。
 

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【參考文獻(xiàn)】

[1] Fuji H,Nohira K,et al.Evaluation of blood flow by laser speckle image sensing [J].Applied Optics,1987,26:5321-5325

[2] Fuji H,Visualization of retinal blood flow by laser speckle flow graphy [J].Med.Biol.Eng.Comput,1994,32:302-304

[3] Ulyanov S,Tuchin V.The application of speckle interferometry for the monitoring of blood and lymphflow in microvessels [J].Lasers in Medical Science,1997,2:31-41.

[4] Vyacheslav Kalchenko, Anton Sdobnov,et al.A Robust Method for Adjustment of Laser Speckle Contrast Imaging during Transcranial Mouse Brain Visualization[J].Photonics,2019.