李燕，王洪，姚小靜

(重慶理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，重慶 400054)

微循環(huán)檢測方法及其在疾病中的應(yīng)用

李燕，王洪，姚小靜

(重慶理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，重慶 400054)

由于微循環(huán)攜帶大量的生理病理信息，因此在各類疾病的診斷和治療中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前已有多種方法能夠?qū)崿F(xiàn)微循環(huán)信息評估，其中光學(xué)成像方法由于其自身的優(yōu)勢成為人們積極研究的方向，但成像質(zhì)量的提高是微循環(huán)檢測儀亟待解決的問題。對近年來正交偏振光譜成像(orthogonal polarization spectral imaging，OPSI)技術(shù)應(yīng)用于膿毒癥等患者舌下微循環(huán)的觀察研究進(jìn)行了評述，并對該技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

微循環(huán);成像方法;正交偏振光譜成像;膿毒癥

微循環(huán)是指微動(dòng)脈與微靜脈之間的血液循環(huán)，是循環(huán)系統(tǒng)的末梢部分，同時(shí)也是臟器的重要組成部分。當(dāng)組織器官的代謝與功能出現(xiàn)異常時(shí)，微循環(huán)會(huì)發(fā)生一定程度的改變，因此微循環(huán)與疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，對于各類疾病的早期診斷和治療具有重要意義。微血管管徑為5～100 μm，對檢測技術(shù)要求較高。與非光學(xué)檢測方法相比，光學(xué)檢測方法具有較高的分辨率，成為近年來積極研究的方向，其中正交偏振光譜成像(OPSI)技術(shù)是臨床上常用的微循環(huán)無損傷檢測技術(shù)［1－3］，與其他檢測方法相比具有操作簡單、成本相對低廉以及便于小型化制作等優(yōu)點(diǎn)，無論是在臨床診斷還是家庭自我監(jiān)護(hù)中都具有很大的發(fā)展前景。

1 微循環(huán)檢測技術(shù)

微循環(huán)信息的獲取經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程。最初人們通過組織切片、血管灌注等方式來獲得微血管的超微結(jié)構(gòu)及立體構(gòu)型，但這些方法的應(yīng)用僅局限于離體組織，無法反映組織在生理狀態(tài)下的情況，由此人們開始積極探索活體微循環(huán)的檢測技術(shù)?；铙w微循環(huán)檢測方法中，核磁共振成像以及正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)由于分辨率量級(jí)均為毫米(mm)級(jí)，無法很好地檢測到微米(μm)級(jí)的微血管，且二者對操作環(huán)境的要求較高，儀器成本昂貴，極大地限制了它的使用;而光學(xué)成像方法中的激光共焦顯微術(shù)、光學(xué)相干成像以及正交偏振光譜成像(OPSI)技術(shù)能獲得較高分辨率量級(jí)的微循環(huán)圖像，很好地彌補(bǔ)了前者的不足。

1.1 血管鑄型

血管鑄型是將高分子化合物注入到微血管內(nèi)，待其硬化后用酸或堿將周圍組織腐蝕，就可獲得清晰的微血管三維立體結(jié)構(gòu)。該方法有效地彌補(bǔ)了組織切片過程中只能獲得微血管超微結(jié)構(gòu)、無法顯示立體結(jié)構(gòu)的不足，對醫(yī)學(xué)教學(xué)以及臨床研究具有很大的應(yīng)用價(jià)值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠完整地獲得微血管的直徑、長度及微血管密度等信息，缺點(diǎn)是只能對離體及死亡的組織進(jìn)行觀察，無法實(shí)現(xiàn)對血流速度的實(shí)時(shí)觀察。

1.2 激光多普勒血流儀及激光共焦顯微術(shù)

激光多普勒血流儀是依據(jù)激光照射流動(dòng)紅細(xì)胞時(shí)波長會(huì)發(fā)生變化的原理，即多普勒頻移原理制成的，用于監(jiān)測微循環(huán)的血流灌注量。接觸式點(diǎn)式血流儀可以通過探頭對組織的血流進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，例如可以通過鼻飼管將探頭插在消化道內(nèi)，通過對每立方毫米血液中紅細(xì)胞的血流量進(jìn)行監(jiān)測，獲得被測組織的平均血流速度。激光多普勒血流儀的主要分析指標(biāo)是灌注量(PU)，它是測量范圍內(nèi)紅細(xì)胞密度與平均血流速度的乘積。激光共焦顯微術(shù)是一種新穎的活體微循環(huán)成像技術(shù)，能夠?qū)Ω信d趣的微血管進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以獲得更大范圍內(nèi)的二維以及三維圖像，理論分辨率可達(dá)0.2μm，但對于不透明的組織需要加入熒光染料才能進(jìn)行成像，且成本價(jià)格較昂貴，極大地限制了它的使用。

1.3 正交偏振光譜成像(OPSI)

目前臨床微循環(huán)檢測使用最多的OPSI是一種電視顯微成像技術(shù)。正交偏振光譜成像技術(shù)是由Groner等［4］在1999年提出，該技術(shù)具有偏振選擇功能，能夠有效濾除被測組織表面反射回來的背景噪聲，提高圖像的對比度。OPSI技術(shù)的分辨率可達(dá)1μm，無需熒光染料也能對不透明的組織進(jìn)行成像，且成像原理簡單，便于小型化制作，價(jià)格相對低廉，使用相應(yīng)的探頭幾乎可以對人體所有部位進(jìn)行檢測，因此在微循環(huán)成像中具有廣闊的發(fā)展前景。使用該技術(shù)觀察到的微循環(huán)實(shí)際上是紅細(xì)胞在血管中的流動(dòng)情況。紅細(xì)胞中的血紅蛋白對綠光吸收較強(qiáng)，因此陳蕾等［5］在OPSI基礎(chǔ)上加入548 nm的濾光片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加入濾光片后成像質(zhì)量明顯提高。

只要選擇波長合適的光源就可以對微循環(huán)系統(tǒng)中不同組織成分進(jìn)行成像。本文在OPSI技術(shù)基礎(chǔ)上提出一種雙波長光源的研究設(shè)想。正交偏振光譜成像原理如圖1所示，光源通過偏振片1及濾光片后成為線偏振光，經(jīng)分光棱鏡反射到被測樣品上。從樣品表面反射回來的光保持原偏振性，被偏振方向與偏振片1相垂直的偏振片2濾除，無法參與組織成像，而照射到組織內(nèi)部發(fā)生復(fù)散射退偏后的光能夠通過偏振片2進(jìn)入CCD成像，有效地改善了微循環(huán)成像質(zhì)量。本文提出的研究設(shè)想是分別使用2個(gè)不同波長的光源對被測組織進(jìn)行照射，只要選擇的波長合適，將得到的2幅圖像相減就可去除背景噪聲得到所需的微血管邊緣。這樣能極大地減少圖像處理的工作量，縮短分析時(shí)間，且分析時(shí)間的縮短對于臨床應(yīng)用具有極大的意義。同時(shí)考慮到OPSI是一種電視顯微成像技術(shù)，觀察的微血管中的血液是流動(dòng)的，因此必須使用電腦來控制光源的快速切換，以便盡量減小成像誤差。此方法的成像效果仍有待于進(jìn)一步研究。

圖1 正交偏振光譜成像儀器裝置圖

2 微循環(huán)信息處理

通過顯微鏡以及圖像、視頻采集技術(shù)，可以獲取微循環(huán)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特征，使用相關(guān)軟件可以對微循環(huán)圖像或視頻系列中的變量進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對微血管形態(tài)及生理學(xué)的評估［6］。但由于微循環(huán)的復(fù)雜性，目前為止沒有制定微血管參數(shù)分析的臨床標(biāo)準(zhǔn)。提高微循環(huán)圖像的質(zhì)量以及對微循環(huán)參數(shù)進(jìn)行定量分析是目前急需解決的問題。

微循環(huán)檢測技術(shù)獲取的圖像都需要使用相關(guān)軟件做進(jìn)一步的處理。第1步就是去除噪聲，常用的方法主要有自適應(yīng)濾波、短時(shí)傅里葉變換和小波分析等，這些方法各有優(yōu)點(diǎn)，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。本文提出的雙波長光源的研究設(shè)想能極大地減少去除背景噪聲所用的時(shí)間。若要對健康人與患者的微血管進(jìn)行區(qū)分，甚至對不同疾病的微血管進(jìn)行分類，則需要對微血管進(jìn)行特征提取及分類識(shí)別。目前常用的分類器主要有支持向量機(jī)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

Dobbe等［7］使用自動(dòng)圖像分析軟件對健康志愿者和心臟手術(shù)患者的舌下微循環(huán)的幾何形狀和速度分布進(jìn)行了功能性測量。這種圖像分析技術(shù)包括一系列全面的圖像處理步驟，能夠?qū)ρ艿闹睆健㈤L度、毛細(xì)血管功能密度，以及血管中的紅細(xì)胞流速及分布進(jìn)行定量分析，包括對血管進(jìn)行分割(從圖像中提取有用的血管段)，并使用時(shí)空圖對紅細(xì)胞的流速進(jìn)行估計(jì)等。結(jié)果表明，這種新的算法與人工識(shí)別血管的方法相比，分析時(shí)間由幾小時(shí)減少到了幾分鐘，對血管直徑、長度及毛細(xì)血管功能密度的測量具有很高的精度。

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，結(jié)合小波分析及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對微循環(huán)圖像進(jìn)行處理，也可以通過幾種方法的聯(lián)合應(yīng)用，以期達(dá)到更好的效果，但其前提是必須有高質(zhì)量的原始圖像。最終目的是選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)字圖像處理技術(shù)，快速準(zhǔn)確地判斷微循環(huán)病理特征，實(shí)現(xiàn)診斷疾病的目的。

3 正交偏振光譜成像技術(shù)在疾病中的應(yīng)用

研究表明，只要選擇合適的探頭，使用OPSI技術(shù)幾乎可以對人體所有組織的微循環(huán)進(jìn)行檢測。Keshen等［8］在2001年成功地將正交偏振光譜成像技術(shù)應(yīng)用于腦腫瘤外科手術(shù)中異常微循環(huán)的觀察。Orsolay等［9］在2002年使用OPSI技術(shù)對新生兒及早產(chǎn)兒的皮膚微循環(huán)進(jìn)行觀察。Lindeboom等［10］在2006年使用OPSI技術(shù)對10例舌鱗狀細(xì)胞癌的微循環(huán)的變化與健康對照組進(jìn)行比較，研究結(jié)果表明，OPSI技術(shù)在口腔鱗狀細(xì)胞癌的微循環(huán)特征評價(jià)中具有重要作用，可在早期檢測到口腔粘膜血管的異常并實(shí)現(xiàn)對抗腫瘤藥物作用的監(jiān)測。Carmen等［11］在2008年使用OPSI技術(shù)對55個(gè)患有靜脈曲張的女性患者的毛細(xì)血管密度、形態(tài)、直徑等進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示慢性靜脈病患者與健康人相比毛細(xì)血管直徑和形態(tài)都表現(xiàn)出顯著的變化，證明在慢性靜脈疾病的早期階段，由于毛細(xì)血管的收縮引起高血壓，進(jìn)一步引起靜脈緊張，最終導(dǎo)致微循環(huán)障礙。

除此以外，有學(xué)者使用OPSI技術(shù)對膿毒癥、心源性休克等患者的舌下微循環(huán)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明微循環(huán)的改變與病死率密切相關(guān)，但對于舌下微循環(huán)能否反應(yīng)全身臟器微循環(huán)的改變?nèi)源嬖跔幾h。

3.1 嚴(yán)重的膿毒癥與感染性休克

膿毒癥是一種臨床綜合癥，是由于感染引起的全身性的炎癥反應(yīng)［12－15］。在重癥監(jiān)護(hù)病房中，嚴(yán)重的膿毒癥是除心臟病以外導(dǎo)致死亡的最主要原因。灌注不足和組織缺氧在膿毒癥患者中是最常見的。膿毒癥中微循環(huán)的主要特征是呈一種異質(zhì)性的血流分布，可以用一氧化氮合酶的自動(dòng)調(diào)整來對這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋，因?yàn)橐谎趸到y(tǒng)是微循環(huán)自身調(diào)節(jié)血管舒張的重要響應(yīng)系統(tǒng)。在膿毒癥的發(fā)病機(jī)理中還包括一些其他的因素，如平滑肌的小動(dòng)脈在標(biāo)準(zhǔn)化灌注中會(huì)喪失腎上腺素的敏感性，使得紅血球的可變形能力降低，聚集能力增強(qiáng)。此外，由于膿毒癥的炎性反應(yīng)將白細(xì)胞激活，產(chǎn)生活性氧化物，從而削弱了多糖蛋白質(zhì)的功能促進(jìn)了血液中凝塊的形成。這將進(jìn)一步加劇微循環(huán)障礙，導(dǎo)致氧氣攝取不足，并產(chǎn)生嚴(yán)重的異質(zhì)性分流和器官功能衰竭。De Backer等［16］在2004年用OPSI技術(shù)對膿毒癥患者的舌下微循環(huán)進(jìn)行研究，結(jié)果表明膿毒癥患者的微血管密度和毛細(xì)血管灌注比例都會(huì)有相應(yīng)的削弱，并且微循環(huán)的改變與病死率密切相關(guān)。

感染性休克［17］指的是由于持續(xù)不明原因的低血壓引起的循環(huán)衰竭。局部組織缺氧和器官功能障礙是感染性休克的一大特征。在感染性休克的發(fā)病機(jī)制中微循環(huán)具有重要作用。當(dāng)平均動(dòng)脈壓下降幅度超過40 mmHg(大約5.33 kPa)時(shí)毛細(xì)血管的功能密度會(huì)發(fā)生改變，并產(chǎn)生嚴(yán)重的低血容量休克。為了證明感染性休克和低血容量休克的微循環(huán)與死亡率之間的關(guān)系，人們分別對小鼠的隔膜、小腸及口腔的微循環(huán)進(jìn)行了研究，3組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均表明微循環(huán)對感染性休克的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低血容量休克。

3.2 心源性休克

心源性休克是急性心率衰竭的一種并發(fā)癥，對其定義為心率衰竭后引起的組織灌注不足［18］。在大多數(shù)情況下，心源性休克發(fā)生于急性心肌梗死之后，是導(dǎo)致死亡的主要原因。心肌病、心臟瓣膜病等也有可能引起心源性休克。雖然在治療方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是心源性休克的病死率仍舊保持在50%左右。研究發(fā)現(xiàn)，在心輸出量和全身血流量減少時(shí)血流會(huì)重新進(jìn)行分配，導(dǎo)致外周血管中血流量的減少。在心源性休克中，由于心臟收縮功能障礙引起心輸出量的減少，最終導(dǎo)致平均動(dòng)脈壓的減小，從而引起代償性的血管收縮，出現(xiàn)微循環(huán)灌注不良。全身炎癥反應(yīng)綜合癥和血管活性藥物會(huì)進(jìn)一步加劇這一現(xiàn)象。

使用OPSI技術(shù)對40位急性心率衰竭患者在發(fā)病后48 h內(nèi)的舌下微循環(huán)進(jìn)行觀察。結(jié)果表明:微循環(huán)的改變與膿毒癥患者類似，即毛細(xì)血管的灌注比例較低，這些改變與病死率密切相關(guān)。

3.3 糖尿病

從病理學(xué)的角度出發(fā)，2型糖尿病的主要發(fā)病機(jī)制是由于胰島素分泌減少所致的以高血糖為特征的代謝性疾病［19］。胰島素分泌減少的主要原因是由于胰島素敏感性的降低，它是通過血液流變性和生化機(jī)制引起的。

血液流變性對微循環(huán)有顯著的影響。使用OPSI成像技術(shù)可清晰地觀察到血液在毛細(xì)血管中的流動(dòng)?？衫冒雽?dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制作一個(gè)內(nèi)部直徑與毛細(xì)血管相似的硅膠毛細(xì)血管模型。在血液流經(jīng)微通道的過程中，觀察到大量白細(xì)胞粘附在毛細(xì)血管壁上，紅細(xì)胞可變形能力降低，聚集能力增強(qiáng)，同時(shí)血小板的凝集能力也增強(qiáng)，形成凝塊阻塞毛細(xì)血管，阻礙血液的順利流通。通過計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)流經(jīng)血管的血流量，實(shí)現(xiàn)對血液流動(dòng)性的評估。

運(yùn)用OPSI方法對膿毒癥、心源性休克及糖尿病等患者的微循環(huán)進(jìn)行研究，觀察到這3種疾病微循環(huán)的改變與病死率密切相關(guān)。通過微循環(huán)圖像處理可實(shí)現(xiàn)對上述3種疾病嚴(yán)重程度的評估，并能對疾病的治療過程進(jìn)行監(jiān)測。同理，采用OPSI技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)對其他疾病微循環(huán)的研究，如高血壓、冠心病等。

4 結(jié)束語

血管鑄型方法無法實(shí)現(xiàn)活體微循環(huán)的監(jiān)測，激光共焦顯微術(shù)雖具有足夠高的分辨率，但對不透明的組織進(jìn)行成像時(shí)必須加入熒光染料，這兩種方法由于各自的局限性，限制了它們的臨床應(yīng)用。對于OPSI技術(shù)，只要選擇波長合適的光源就可以實(shí)現(xiàn)對微循環(huán)系統(tǒng)中不同組織成分的成像，是一種前景廣闊的成像方法。本文提出了雙波長光源OPSI技術(shù)的研究設(shè)想，使用2個(gè)不同波長的光源對被測組織進(jìn)行照射，將得到的2幅圖像相減可去除背景噪聲得到所需的微血管邊緣，極大地減少了圖像處理的工作量，縮短了分析時(shí)間。另外，采用可調(diào)諧濾光片對不同光進(jìn)行選擇的多光譜成像技術(shù)能夠突出不同波長下的微循環(huán)細(xì)節(jié)，可從中獲取我們所關(guān)注的信息，這也是OPSI技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。OPSI技術(shù)可以通過對微循環(huán)圖像的處理實(shí)現(xiàn)對疾病嚴(yán)重程度的評估。未來OPSI技術(shù)的研究方向是構(gòu)建智能化心血管疾病診療的專家系統(tǒng)，評估不同種類的心血管疾病及其嚴(yán)重程度，并作為診斷、治療的依據(jù)。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)以及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，小型化的正交偏振光譜成像系統(tǒng)與智能手機(jī)相結(jié)合的移動(dòng)OPSI監(jiān)護(hù)系統(tǒng)將在老齡化社會(huì)的家庭護(hù)理中扮演著重要的角色。正交偏振光譜成像技術(shù)由于操作簡單、價(jià)格低廉、無創(chuàng)、無毒等優(yōu)點(diǎn)，可與智能手機(jī)構(gòu)成一個(gè)完整的微循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)，在家庭護(hù)理中為糖尿病、高血壓等患者的病情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)病情的早期預(yù)警。

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(責(zé)任編輯 何杰玲)

Research Advance of Microcirculation Detection Method and Its Application in Disease

LIYan，WANG Hong，YAO Xiao－jing
(School of Chemical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Due to themicrocirculation carrying a large number of physiological and pathological information，with the deeply understanding of themicrocirculation，it plays an important role in the diagnosis and treatmentof diseases.Presently there aremanymethods that can realize evaluation ofmicrocirculation，while optical methods with broad prospects for development become popular.The improvement ofmicrocirculation image quality is the key to application of the devices.This paper reviews the orthogonal polarization spectral imaging applications in the sublingual microcirculation of sepsis in recent years，and the development trend of orthogonal polarization spectral imaging technologies is prospected.

microcirculation;imagingmethod;orthogonal polarization spectral imaging;sepsis

R331.35;Q－334

A

1674－8425(2014)09－0052－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.012

2014－04－09

重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(CSTC2011AC5120);重慶市教委基金資助項(xiàng)目(KJ120807);重慶理工大學(xué)基金資助項(xiàng)目(2010z013)

李燕(1990—)，女，云南普洱人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)圖像及信息處理方面的研究;通訊作者王洪(1966—)，男，四川樂山人，博士，教授，主要從事生物醫(yī)學(xué)儀器與設(shè)備的研究。

李燕，王洪，姚小靜.微循環(huán)檢測方法及其在疾病中的應(yīng)用［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(9): 52－56.

format:LIYan，WANG Hong，YAO Xiao－jing.Research Advance of Microcirculation Detection Method and Its Application in Disease［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9):52－56.