微血管成像技术盘点

 

微循环疾病近年来被广泛关注，尽管我们知道微循环在调节生理机能方面和疾病发生发展方面有着十分重要的作用，但是目前我们对其仍然知之甚少，而随着医学影像学的突破近年来一些无损微循环成像技术走上了科研与临床的舞台。今天就让我们借着一篇研究皮肤微循环成像技术的综述来盘点一下目前科研及临床领域中的微循环无损成像技术吧！我们知道皮肤上微血管构成主要在真皮层和皮下组织中（如下图）。真皮层通常1-4mm厚里面包含血管，淋巴管，毛囊，腺体等组织结构。而皮下组织厚度为5-20mm主要由脂肪组织构成。而其真皮层的毛细血管主要为浅表乳头血管丛、网状神经血管丛，皮下组织中为皮下血管从如下图。

图一：皮肤血管系统。（a） 健康皮肤图，突出三个主要层：表皮、真皮和皮下组织。（b）健康皮肤血管系统图，分为三层：浅表乳头血管丛、网状神经血管丛和皮下血管丛。（c） 突出显示乳头状和网状神经丛血管的图，为（b）中的黑色方块。当我们需要检测皮肤中的微循环时工作人员大多通过其检测的目的，环境，所需的详细程度、感兴趣区域的位置、穿透要求进行预期分析，选择不同的成像技术。图二中简要介绍一些常用的皮肤成像方法，从分辨率以及穿透深度两个角度显示了几种成像方式的差别。图二中表明共距焦显微镜具有高分辨率，但穿透能力有限，光学相干层析成像（OCT）相比较是更平衡的具有一定的穿透深度和良好的分辨率，超声检查等具有强大的穿透能力，但分辨率有限。

 

图二：常用的皮肤血管成像模式，图标中XY轴分别表示成像分辨率和穿透深度。左一圆点所示为共聚焦显微镜，穿透深度>100µm，分辨率为1µm；左二为光学相干层析成像（OCT），穿透深度>1 mm，分辨率为10µm；左三为超声成像，超声穿透深度可达10 cm，分辨率超过10µm。

皮肤镜

图三：皮肤镜和毛细血管镜检查。（a） 酒渣鼻患者的皮肤镜成像，显示呈多边形网络排列的线性血管。（b） 皮肤镜检查一例晚期脂质坏死性病变的患者，显示细长的、分叉的、集中的蛇形血管。（c） （d）两种不同倍数的甲襞微血管的皮肤镜图像。（e） 和（f）分别与（c）和（d）相关的高倍率（300倍）毛细血管镜图像。（c） 和（e）取自原发性雷诺氏现象的患者，显示正常的发夹状毛细血管环；而（d）和（f）取自系统性硬化症患者，显示环变宽、无血管和出血。皮肤镜是除了肉眼评估外，评估皮肤微血管最经济的方法，皮肤镜最早用于提高黑色素瘤的检测，它是利用一种手持式放大镜，来评估通过光谱反射率，通常在10倍放大镜下观察表皮的色素结构。该方式可以对黑色素细胞性皮肤肿瘤与非黑色素细胞性皮肤肿瘤以及良性与恶性无色素皮肤肿瘤进行分类。例如，Zaluadek等人，用皮肤镜检查有色素和无色素的鲍恩氏病或鳞状细胞在重复的血管和结构形态学发现，皮肤镜检查可提高此类疾病的诊断准确性。

激光多普勒血流测量与灌注成像

图四：激光多普勒灌注成像（LDPI）。（a） 显示LDPI装置典型布置的示意图。（b） 食指浸泡在冰水中前、后、后3分钟和10分钟后的血流密度指数。激光多普勒血流测量（LDF）与声波类似，该技术基于发射激光通过光纤传输，激光束被所研究组织散射后有部分光被吸收。击中血细胞的激光波长发生了改变（即多普勒频移），而击中静止组织的激光波长没有改变。这些波长改变的强度和频率分布与监测体积内的血细胞数量和移动速度直接相关。通过接收光纤，这些信息被记录并且转换为电信号进行分析。LDF的一个关键特性是，它可以在任何时间从单个点或容器进行流量测量，这意味着它可以提供连续、实时的流量信息。然而，这也是LDF的一个显著缺点使用单个点或容器进行流量分析可能导致测量值的高可变性，因为微血管本身是不均匀的，并且流量可以在空间和时间上变化。另外，由于LDF测量的是单点流量，所以它不能提供可见的血管形态或密度测量的信息。目前多用于科研中脑血流评估、下肢缺血、皮肤/斑贴试验等，临床中多用于外周血管疾病评估、PAD/CLI诊断、不愈合伤口、血管重建评估、截肢平面判定、高压氧、皮瓣监测、雷诺病、烧伤评估等。

激光散斑对比成像

图五：激光散斑对比成像（LSCI）。（a） 显示LSCI设置典型布置的示意图。（b） 中风患者左手背的传统LSCI。（c） （b）中同一患者的双波长LSCI，感兴趣区域用黑色箭头突出显示。（d） 灌注指数信号来自于（c）中突出显示的三个感兴趣区域，手指、静脉和皮肤组织。色阶表示0（低）–260（高）的灌注指数。比例尺代表15毫米。当相干光从粗糙表面反射或从含有散射物质的介质内部后向散射或透射时，会形成不规则的强度分布，出现随机分布的斑点。粗糙表面和介质中散射子可以看作是由不规则分布的大量面元构成，相干光照射时，不同的面元对入射相干光的反射或散射会引起不同的光程差，反射或散射的光波动在空间相遇时会发生干涉现象。当数目很多的面元不规则分布时，可以观察到随机分布的颗粒状结构的图案，这就是光通过散射介质和自由空间传播时形成的散斑（颗粒状结构斑点称为散斑）。LSCI已经被用于许多临床前-和临床研究；例如，作为冠状动脉疾病患者的微血管功能研究工具和预测小儿烫伤愈合时间的机制研究。考虑到LSCI的简单性及其相对于其他成像技术的假定优势，它已经与LDF116和LDPI117在皮肤成像能力方面进行了比较。例如，Tew等人比较了LSCI用LDF评价闭塞后反应性充血（PORH）微血管功能并得出结论，虽然LSCI总体上比LDF更具可复制性，但很可能是由于较低的位点间变异性，LSCI的敏感性增加使得低血流量区域的成像出现不可重复等问题。

动态光学相干层析成像（DOCT）

图六：动态光学相干断层扫描（dOCT）健康皮肤血管系统，其中正面OCT结构图像（灰色）覆盖血管信息（红色）。（a） 左脸颊的正面图像。（b） 左手食指指尖的正面图像。（c） 右腿的正面图像。（d） 左臂的正面图像。（e） 后背的正面图像。（f） 左手食指左侧甲襞的正面图像。（g） 右腿的横截面图像。许多不同的血管形态被表示出来，例如活体指纹，（b），网状图案，（c），逗号和圆点，（d）和（e）。所有正面图像表示6 x 6 mm的视野和6 x 2 mm的横截面图像。DOCT技术是将OCT技术进行拓展加入多普勒测量血流及血流方向的一种成像方式，原理上类似超声多普勒，但是能够包含更多信息，DOCT将多普勒原理与OCT结合起来，可达到10µm的空间分辨率，血流识别灵敏度可识别低至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应取决于探头与血流方向之间的角度，这意味着使用此方法收集的数据会受到相当大的人员操作影响。

光学相干断层血管成像（OCTA）

图七：小鼠创伤模型和人体模型的光学相干断层血管造影（OCTA）。（a） –（d）小鼠伤口模型愈合OCTA图像在7周的时间内检测。显示了在愈合过程中微血管的变化。（e） –（h）分别对应于（a）–（d）的横截面图像。所示为结构变化。（i） –（l）人体伤口模型愈合OCTA图像。再次显示了愈合过程中的微血管变化。（m） –（p）分别对应于（i）–（l）的横截面图像。显示微血管改变。（q） –（t）分别对应于（i）–（l）的横截面图像。所示为结构变化。比例尺代表1毫米。OCTA技术是近年来最受人推崇的一种微血管成像技术，作为OCT的功能延伸，越来越多地用于体内临床前和临床应用。OCTA起初是用来检测眼底视网膜血管成像，但是随着技术和算法的提升越来越多的将其用来检测皮肤和其他组织微血管成像，与以上技术相比其拥有较高的分辨率能达到微米级并随着技术的突破分辨率不断提升，并且由于其原理为检测红细胞运动接受光信号，所以无需使用任何标记可以记录真实的血管内血流图像。目前已有学者将其应用于检测皮肤创伤及烧伤后的微循环改变，而且也有一些科研人员在将其引入临床手术用于引导成像辅助操作进行。

图八：烫伤后24小时的光学相干断层摄影术（OCTA）。图中是一张右手腕背部烫伤的照片。三个红色方框代表三个感兴趣的区域：（a）–（c）。（a） –（c）烫伤伤口的正面图。图示为两个边界扫描（a）和（c）以及伤口中心扫描（b）。边界扫描清晰可见血管密度的变化与伤口的形状相一致。与伤口周围皮肤相比，伤口内的毛细血管密度显著增高。（d） –（f）皮肤结构的横截面图像，分别与（a）–（c）中的白色穿孔线相关。（g） –（i）皮肤血管系统的横截面图像；同样，分别与（a）–（c）中的白色穿孔线相关。血管密度在这里，再次出现在伤口内最密集。色条代表用颜色编码的血管深度。比例尺代表1毫米。

 

光声成像技术

图九：光声成像示意图和两个示例图像。    （a） 所示为生物组织如何吸收脉冲光，然后引起热膨胀和超声波传感器可以检测到的声波发射。（b） 一种最大强度投影的光声图像，位于同一图像旁边，通过颜色编码表示血管深度。图右下角的编号表示容器深度，单位为mm。光声成像是一种混合成像方式，当脉冲激光照射到（热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射）生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了纯光学组织成像中高选择特性和纯超声组织成像中深穿透特性的优点，可得到高分辨率和高对比度的组织图像，从原理上避开了光散射的影响，突破了高分辨率光学成像深度“软极限”（~1 mm），可实现50 mm的深层活体内组织成像。但其技术仍处于不成熟阶段，具有采集数据慢，体积大等缺点，尚未被广泛使用。

空间频域成像（SFDI）

图十：个人右手的SFDI成像。（a） SFDI采集的原始数据具有图案结构照明可见。（b） 由（A）导出的简化散射图。（c） 由（A）导出的剖面校正吸收图。空间频域成像（SFDI）是另一种新型的成像方式，可用来评价皮肤血流灌注。SFDI具有宽视野、无创成像的特性，利用皮肤的光学特性和生化成分来产生结构特征和生色团（如血红蛋白）浓度的组织图。最初由Cuccia等人提出并应用。在广泛应用于皮肤研究之前，它通常测量空间调制光的漫反射系数，此技术的原理是通过量化组织（即在此情况下的皮肤）减少的散射系数和光学吸收（µs和µα），同时成像皮肤的表面结构特征，并通过评估氧合血红蛋白含量来间接监测皮肤的血管健康状况。但由于其特性要求被测试者处于静止不动状态要求较高，和成像速度不足，导致其目前也仍处于不成熟的状态。
好了今天关于微循环成像技术的盘点就到这里了，我们总结一下，目前微循环成像技术有很多种但都由于其技术限制，或应用条件的苛刻导致没有一种十全十美的技术，但是近年来如OCTA，光声成像等技术的不断进步使我们的微循环成像水平在不断的提升，使我们眼前一亮。虽然现在有些技术仍有缺陷但是相信不久的将来多技术的融合和提升将为微循环成像带上一个新的台阶。

参考文献
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