微循環(huán)檢測方法及其在疾病中的應用

李燕，王洪，姚小靜

(重慶理工大學化學與化工學院，重慶 400054)

微循環(huán)檢測方法及其在疾病中的應用

李燕，王洪，姚小靜

(重慶理工大學化學與化工學院，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實現(xiàn)微循環(huán)信息評估，其中光學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)技術應用于膿毒癥等患者舌下微循環(huán)的觀察研究進行了評述，并對該技術的發(fā)展趨勢進行了展望。

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，同時也是臟器的重要組成部分。當組織器官的代謝與功能出現(xiàn)異常時，微循環(huán)會發(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，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，對檢測技術要求較高。與非光學檢測方法相比，光學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)技術是臨床上常用的微循環(huán)無損傷檢測技術［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，無論是在臨床診斷還是家庭自我監(jiān)護中都具有很大的發(fā)展前景。

1 微循環(huán)檢測技術

微循環(huán)信息的獲取經(jīng)歷了一個漫長的過程。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構及立體構型，但這些方法的應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?；铙w微循環(huán)檢測方法中，核磁共振成像以及正電子發(fā)射斷層成像技術由于分辨率量級均為毫米(mm)級，無法很好地檢測到微米(μm)級的微血管，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;而光學成像方法中的激光共焦顯微術、光學相干成像以及正交偏振光譜成像(OPSI)技術能獲得較高分辨率量級的微循環(huán)圖像，很好地彌補了前者的不足。

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，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構。該方法有效地彌補了組織切片過程中只能獲得微血管超微結構、無法顯示立體結構的不足，對醫(yī)學教學以及臨床研究具有很大的應用價值。該方法的優(yōu)點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，缺點是只能對離體及死亡的組織進行觀察，無法實現(xiàn)對血流速度的實時觀察。

1.2 激光多普勒血流儀及激光共焦顯微術

激光多普勒血流儀是依據(jù)激光照射流動紅細胞時波長會發(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。接觸式點式血流儀可以通過探頭對組織的血流進行連續(xù)監(jiān)測，例如可以通過鼻飼管將探頭插在消化道內，通過對每立方毫米血液中紅細胞的血流量進行監(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是灌注量(PU)，它是測量范圍內紅細胞密度與平均血流速度的乘積。激光共焦顯微術是一種新穎的活體微循環(huán)成像技術，能夠對感興趣的微血管進行連續(xù)準確的實時監(jiān)測，以獲得更大范圍內的二維以及三維圖像，理論分辨率可達0.2μm，但對于不透明的組織需要加入熒光染料才能進行成像，且成本價格較昂貴，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。正交偏振光譜成像技術是由Groner等［4］在1999年提出，該技術具有偏振選擇功能，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技術的分辨率可達1μm，無需熒光染料也能對不透明的組織進行成像，且成像原理簡單，便于小型化制作，價格相對低廉，使用相應的探頭幾乎可以對人體所有部位進行檢測，因此在微循環(huán)成像中具有廣闊的發(fā)展前景。使用該技術觀察到的微循環(huán)實際上是紅細胞在血管中的流動情況。紅細胞中的血紅蛋白對綠光吸收較強，因此陳蕾等［5］在OPSI基礎上加入548 nm的濾光片，實驗結果表明加入濾光片后成像質量明顯提高。

只要選擇波長合適的光源就可以對微循環(huán)系統(tǒng)中不同組織成分進行成像。本文在OPSI技術基礎上提出一種雙波長光源的研究設想。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，而照射到組織內部發(fā)生復散射退偏后的光能夠通過偏振片2進入CCD成像，有效地改善了微循環(huán)成像質量。本文提出的研究設想是分別使用2個不同波長的光源對被測組織進行照射，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，縮短分析時間，且分析時間的縮短對于臨床應用具有極大的意義。同時考慮到OPSI是一種電視顯微成像技術，觀察的微血管中的血液是流動的，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，可以獲取微循環(huán)的靜態(tài)及動態(tài)特征，使用相關軟件可以對微循環(huán)圖像或視頻系列中的變量進行分析，實現(xiàn)對微血管形態(tài)及生理學的評估［6］。但由于微循環(huán)的復雜性，目前為止沒有制定微血管參數(shù)分析的臨床標準。提高微循環(huán)圖像的質量以及對微循環(huán)參數(shù)進行定量分析是目前急需解決的問題。

微循環(huán)檢測技術獲取的圖像都需要使用相關軟件做進一步的處理。第1步就是去除噪聲，常用的方法主要有自適應濾波、短時傅里葉變換和小波分析等，這些方法各有優(yōu)點，使用時應根據(jù)實際情況進行選擇。本文提出的雙波長光源的研究設想能極大地減少去除背景噪聲所用的時間。若要對健康人與患者的微血管進行區(qū)分，甚至對不同疾病的微血管進行分類，則需要對微血管進行特征提取及分類識別。目前常用的分類器主要有支持向量機和人工神經(jīng)網(wǎng)絡等。

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

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

3 正交偏振光譜成像技術在疾病中的應用

研究表明，只要選擇合適的探頭，使用OPSI技術幾乎可以對人體所有組織的微循環(huán)進行檢測。Keshen等［8］在2001年成功地將正交偏振光譜成像技術應用于腦腫瘤外科手術中異常微循環(huán)的觀察。Orsolay等［9］在2002年使用OPSI技術對新生兒及早產兒的皮膚微循環(huán)進行觀察。Lindeboom等［10］在2006年使用OPSI技術對10例舌鱗狀細胞癌的微循環(huán)的變化與健康對照組進行比較，研究結果表明，OPSI技術在口腔鱗狀細胞癌的微循環(huán)特征評價中具有重要作用，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技術對55個患有靜脈曲張的女性患者的毛細血管密度、形態(tài)、直徑等進行觀察，結果顯示慢性靜脈病患者與健康人相比毛細血管直徑和形態(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，由于毛細血管的收縮引起高血壓，進一步引起靜脈緊張，最終導致微循環(huán)障礙。

除此以外，有學者使用OPSI技術對膿毒癥、心源性休克等患者的舌下微循環(huán)進行了研究，結果表明微循環(huán)的改變與病死率密切相關，但對于舌下微循環(huán)能否反應全身臟器微循環(huán)的改變仍存在爭議。

3.1 嚴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［12－15］。在重癥監(jiān)護病房中，嚴重的膿毒癥是除心臟病以外導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性的血流分布，可以用一氧化氮合酶的自動調整來對這一現(xiàn)象進行解釋，因為一氧化氮系統(tǒng)是微循環(huán)自身調節(jié)血管舒張的重要響應系統(tǒng)。在膿毒癥的發(fā)病機理中還包括一些其他的因素，如平滑肌的小動脈在標準化灌注中會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。此外，由于膿毒癥的炎性反應將白細胞激活，產生活性氧化物，從而削弱了多糖蛋白質的功能促進了血液中凝塊的形成。這將進一步加劇微循環(huán)障礙，導致氧氣攝取不足，并產生嚴重的異質性分流和器官功能衰竭。De Backer等［16］在2004年用OPSI技術對膿毒癥患者的舌下微循環(huán)進行研究，結果表明膿毒癥患者的微血管密度和毛細血管灌注比例都會有相應的削弱，并且微循環(huán)的改變與病死率密切相關。

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)病機制中微循環(huán)具有重要作用。當平均動脈壓下降幅度超過40 mmHg(大約5.33 kPa)時毛細血管的功能密度會發(fā)生改變，并產生嚴重的低血容量休克。為了證明感染性休克和低血容量休克的微循環(huán)與死亡率之間的關系，人們分別對小鼠的隔膜、小腸及口腔的微循環(huán)進行了研究，3組實驗的結果均表明微循環(huán)對感染性休克的影響遠遠大于低血容量休克。

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血流會重新進行分配，導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，最終導致平均動脈壓的減小，從而引起代償性的血管收縮，出現(xiàn)微循環(huán)灌注不良。全身炎癥反應綜合癥和血管活性藥物會進一步加劇這一現(xiàn)象。

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

3.3 糖尿病

從病理學的角度出發(fā)，2型糖尿病的主要發(fā)病機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成像技術可清晰地觀察到血液在毛細血管中的流動?？衫冒雽w微細加工技術制作一個內部直徑與毛細血管相似的硅膠毛細血管模型。在血液流經(jīng)微通道的過程中，觀察到大量白細胞粘附在毛細血管壁上，紅細胞可變形能力降低，聚集能力增強，同時血小板的凝集能力也增強，形成凝塊阻塞毛細血管，阻礙血液的順利流通。通過計算一定時間內流經(jīng)血管的血流量，實現(xiàn)對血液流動性的評估。

運用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。通過微循環(huán)圖像處理可實現(xiàn)對上述3種疾病嚴重程度的評估，并能對疾病的治療過程進行監(jiān)測。同理，采用OPSI技術也可以實現(xiàn)對其他疾病微循環(huán)的研究，如高血壓、冠心病等。

4 結束語

血管鑄型方法無法實現(xiàn)活體微循環(huán)的監(jiān)測，激光共焦顯微術雖具有足夠高的分辨率，但對不透明的組織進行成像時必須加入熒光染料，這兩種方法由于各自的局限性，限制了它們的臨床應用。對于OPSI技術，只要選擇波長合適的光源就可以實現(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技術的研究設想，使用2個不同波長的光源對被測組織進行照射，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，縮短了分析時間。另外，采用可調諧濾光片對不同光進行選擇的多光譜成像技術能夠突出不同波長下的微循環(huán)細節(jié)，可從中獲取我們所關注的信息，這也是OPSI技術發(fā)展的一個方向。OPSI技術可以通過對微循環(huán)圖像的處理實現(xiàn)對疾病嚴重程度的評估。未來OPSI技術的研究方向是構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重程度，并作為診斷、治療的依據(jù)。

隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)、計算機圖像處理技術以及人工智能技術的不斷發(fā)展，小型化的正交偏振光譜成像系統(tǒng)與智能手機相結合的移動OPSI監(jiān)護系統(tǒng)將在老齡化社會的家庭護理中扮演著重要的角色。正交偏振光譜成像技術由于操作簡單、價格低廉、無創(chuàng)、無毒等優(yōu)點，可與智能手機構成一個完整的微循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)，在家庭護理中為糖尿病、高血壓等患者的病情進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)病情的早期預警。

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(責任編輯 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

重慶市科技攻關計劃項目(CSTC2011AC5120);重慶市教委基金資助項目(KJ120807);重慶理工大學基金資助項目(2010z013)

李燕(1990—)，女，云南普洱人，碩士研究生，主要從事計算機醫(yī)學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)學儀器與設備的研究。

李燕，王洪，姚小靜.微循環(huán)檢測方法及其在疾病中的應用［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，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.