光聲血流速度測量方法及研究進(jìn)展

朱夢琪，張敏燕，徐 康，王 成，王 琦

（上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093）

引 言

血液流速的測量對于各類疾病的早期診斷和治療具有非常重要的意義[1]。當(dāng)組織器官的代謝與功能出現(xiàn)異常時，血液流速會發(fā)生一定程度的改變。流速是表征血管性能的一個重要參數(shù)[2]，血液流速的測量與疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。許多疾病如心血管疾病在前期都會在血管的流速上體現(xiàn)，因此血液的流速測量是臨床診斷不可或缺的一部分。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多血液流速測量技術(shù)，目前主要有超聲多普勒測速技術(shù)、激光多普勒測速技術(shù)和多普勒OCT（optical coherence tomography）測速技術(shù)。近年來，光聲血流測量因其血紅蛋白提供的良好對比度而受到越來越多的關(guān)注。

2003年Wang等[3]首次利用光聲成像技術(shù)清晰地探測到活體小鼠腦血管的分布，并得到了腦實(shí)質(zhì)病損的清晰成像。自光聲技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以來，大多都是致力于生物組織血管網(wǎng)絡(luò)的成像，包括從血管網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)結(jié)構(gòu)到血氧飽和度、血液流速以及組織代謝等的功能成像。光聲技術(shù)是一種把光學(xué)和聲學(xué)結(jié)合起來的高靈敏度的無損檢測技術(shù)[4]，結(jié)合了光學(xué)成像和超聲成像二者的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到較高的光學(xué)對比度和較高的空間分辨率。隨著激光技術(shù)和微弱信號檢測技術(shù)的不斷成熟，光聲技術(shù)的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。本文以光聲技術(shù)在血流速度測量方面的應(yīng)用為主，綜述當(dāng)前光聲血流速度測量的研究進(jìn)展，以期對未來研究有所借鑒。

1 常用的血流速度測量技術(shù)

1.1 超聲多普勒測速技術(shù)

超聲多普勒是利用向待測量部位發(fā)射超聲波脈沖，然后對回波信號進(jìn)行處理，得到血管內(nèi)的血流信息。由于其具有無創(chuàng)性和實(shí)時性，使其在現(xiàn)代臨床檢測中具有重要的作用[5]。1957年，Satomura[6]首次提出運(yùn)用多普勒技術(shù)可以評估血流狀況。隨著醫(yī)療保健[7]，超聲多普勒血流測量也在向家庭化邁進(jìn)。2012年，Huang等[8]報道了一種基于智能手機(jī)的超聲脈沖波多普勒血流測量計的實(shí)現(xiàn)，這也是超聲血流速度檢測的重要發(fā)展方向之一。

1.2 激光多普勒測速技術(shù)

激光多普勒是一種無創(chuàng)的血流檢測手段，它是基于激光遇到血細(xì)胞會產(chǎn)生相移的原理實(shí)現(xiàn)血流測量的[9]，同時它具有非接觸測量、測量精度高和測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)[10]。1977年，Stern等[11]首次報道了應(yīng)用激光多普勒血流測定法（laser-Doppler flowmetry, LDF）監(jiān)測皮膚血流量，目前該技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用在各器官的血流速度測定中。基于CMOS快速相機(jī)的寬場實(shí)時成像的激光多普勒技術(shù)也得到了發(fā)展，2012年，Leutenegger等[12]提供了一種全場激光多普勒成像儀器，能夠?qū)崟r評估皮膚組織和皮膚的血液流動。

1.3 多普勒 OCT 測速技術(shù)

多普勒OCT技術(shù)是將多普勒技術(shù)與光譜OCT成像相結(jié)合，可以在對被測樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的同時，根據(jù)探測到的多普勒頻移來獲得樣品內(nèi)散射粒子的流速信息，具有較高的臨床應(yīng)用價值[13]。1991 年， Gusmeroli等[14]首次利用光學(xué)相干原理來測量流體流速。2010年，Meng等矢量速度測量方法，首次將渡越時間分析方法用于血流方向角的測量[15]提出了一種基于二區(qū)分束器的多普勒OCT矢量速度測量方法，首次將渡越時間分析方法用于血流方向角的測量。目前多普勒OCT技術(shù)已經(jīng)在眼底血管網(wǎng)的成像和動物大腦內(nèi)的血管成像中廣泛應(yīng)用[13]，它具有分辨率高、成像速度快和對樣品無損傷等優(yōu)點(diǎn)[16]。

2 光聲血流速度測量的研究進(jìn)展

2.1 光聲多普勒測量血液流速

光聲是指顆粒吸收經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)光波或者脈沖光波，導(dǎo)致溫度產(chǎn)生周期性變化，顆粒周期性地收縮膨脹，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)顆粒運(yùn)動時，超聲探測器接收到的超聲波頻率和光的調(diào)制頻率不相等，會有頻移，這個頻移就是光聲多普勒頻移[17]。

圖1為光聲多普勒效應(yīng)的原理圖，在這個過程中，發(fā)生了兩次多普勒頻移。圖中Ko代表光照明的方向，KA代表檢測到的聲波的傳播方向，v代表光吸收顆粒運(yùn)動的方向， α 和 θ 為矢量間的夾角。光聲多普勒頻移[18-19]可表示為

圖 1 光聲多普勒效應(yīng)的原理圖Fig. 1 Schematic diagram of photoacoustic Doppler effect

式中：fo為激光調(diào)制頻率；c0和cA分別為光子密度波的波速和超聲波在液體中的聲速。在式（1）中，第一項表示粒子作為移動接收器探測到的光子密度波頻率的偏移；第二項表示由超聲波換能器探測到的光聲波頻率的偏移，其中粒子作為移動源工作。由于待測速度v遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光子密度波波速c0 和聲速cA ， 而 且c0/cA 約為 1 05，因此第一項很小，而且無法被超聲換能器探測到，可以忽略。于是光聲多普勒頻移式可簡化為[18]

這個位移等于脈沖回波多普勒超聲偏移量的一半，與激光照射方向無關(guān)。因此，在 θ 不變的情況下，光聲多普勒與流速成正比，可以通過求多普勒頻移而得到流速。從而得到

(1) 采取美國地質(zhì)勘探局(USGS)的全球地震風(fēng)險地圖采取相應(yīng)的地震動峰值加速度并對比中國規(guī)范采取抗震設(shè)防烈度。

光聲多普勒的研究分成兩類，一類研究連續(xù)波激發(fā)，另一類研究脈沖波激發(fā)。兩種光聲多普勒都有獨(dú)特的優(yōu)勢，連續(xù)波的頻率單一穩(wěn)定，而脈沖波光功率大，產(chǎn)生的信號強(qiáng)。

2007年，F(xiàn)ang等[18]在微米級碳微粒懸浮體的流動中觀察到光聲多普勒頻移，他們用連續(xù)正弦波調(diào)制激光，采用微米碳顆粒懸浮溶液在塑料小管中的流動來模擬血管中的血紅細(xì)胞流動。將小管浸入純凈介質(zhì)中，測得顆粒運(yùn)動的速度范圍為0.050～8.800 mm/s；將小管浸入散射介質(zhì)中（模擬真實(shí)組織液），測量顆粒運(yùn)動速度范圍為0.027～1.100 mm/s[19]。

2010年，華盛頓大學(xué)的Yao等[20]提出了一種基于光聲多普勒帶寬展寬的橫向流場測量方法，利用脈沖激光激發(fā)和光柵電機(jī)掃描，可得到三維結(jié)構(gòu)成像和流速。橫向流速范圍為0～2.5 mm/s。同年，他們用牛血進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后對小鼠耳朵血管進(jìn)行活體探測，包括血氧濃度、流速大小和方向[21]，測得流速范圍為0～7.5 mm/s。

2013年， Zhang等[22]提出了一種基于多普勒效應(yīng)的均勻流動介質(zhì)光聲流量測量方法。在空間調(diào)制激光脈沖的激勵下，流動介質(zhì)在接收到的光聲信號中引起多普勒頻移，并測量了紅墨水和英脫利匹特的軸向流速。同時，Brunker等[23-24]將多普勒頻移和互相關(guān)方法結(jié)合起來用于流速測量也取得了很好的結(jié)果。Yao等[25]提出了結(jié)合軸流和橫向流測量來計算總流速和多普勒角的方法，經(jīng)過對SW鼠耳雙向掃描，成功獲得了小動靜脈的流速與方向。2018年，盧濤等[26]采用光聲多普勒測量了直徑為數(shù)微米的碳顆粒懸混液的軸向流速，實(shí)驗(yàn)測得流速為5～60 mm/s。

因此，光聲多普勒測量技術(shù)在微小血管血流探測中具有明顯的優(yōu)勢。光聲多普勒測流技術(shù)為低速、小通道的流量測量開辟了一個新的途經(jīng)。可以利用這種技術(shù)來測量生物微循環(huán)中的血流，測量微循環(huán)中的血流對于了解人類心血管疾病和癌癥等疾病非常有益。

2.2 基于光聲顯微成像測量血液流速

光聲顯微成像是指通過機(jī)械掃描聚焦超聲探測器或聚焦激光束來獲得光聲圖像的技術(shù)[27]。與其他高分辨率的純光學(xué)或超聲成像方式不同，光聲顯微鏡（photoacoustic microscopy, PAM）利用了豐富的光學(xué)吸收對比度和微弱的超聲散射，能夠在體內(nèi)進(jìn)行高靈敏度、高分辨率和無創(chuàng)血管成像[28]。許多重要的生理分子，如血紅蛋白和黑色素，都具有很強(qiáng)的光學(xué)吸收特性。因此，PAM尤其適合研究微血管血液[29]。

Zhou等[33]提出了一種使用光聲顯微鏡基于交叉相關(guān)的方法來測量血流速度，對小鼠耳內(nèi)不同結(jié)構(gòu)血管的血流速度進(jìn)行了定量分析，獲得了絕對的流速及方向信息，如圖2所示。此方法為研究人員提供了更準(zhǔn)確的血流信息，為更準(zhǔn)確地測量血氧代謝率和研究血液疾病提供了一個有效的工具。Liang等[34]還提出了一種利用數(shù)字微鏡增強(qiáng)的光學(xué)分辨光聲顯微鏡定量測量橫向流速的方法，利用10 μm直徑微球的懸浮液精確測得了0.50～6.84 mm/s范圍內(nèi)的橫向流動，證明該方法能夠測量微血管的流速。

Ning等[35]開發(fā)了一種多參數(shù)PAM平臺，能夠在同一空間尺度上同時完成微血管解剖以及氧飽和度、血流的測量。從裸鼠耳主干動靜脈到前毛細(xì)血管小動脈和毛細(xì)血管后微靜脈進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，檢測到的流速范圍為0.18～21.00 mm/s。

圖 2 裸鼠體內(nèi)不同結(jié)構(gòu)血管的血流測量Fig. 2 In vivo blood flow measurements in vessels with different structures

目前，光聲顯微成像的分辨率可以達(dá)到亞微米尺寸，在微血管網(wǎng)絡(luò)成像領(lǐng)域具有非常明顯的優(yōu)勢。光聲顯微成像技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，PAM已被證明在與神經(jīng)活動和腫瘤相關(guān)的微血管成像和光學(xué)高分辨率檢測方面具有很好的作用[31]。

2.3 光聲相關(guān)譜測量血液流速

光聲相關(guān)譜（PACS）類似于熒光相關(guān)光譜（FCS），F(xiàn)CS是一種利用熒光強(qiáng)度隨時間的漲落進(jìn)行分析檢測的熒光光譜技術(shù)[36]，而PACS是通過分析光聲信號幅度的變化來測量血管中血液的流速的技術(shù)[37]。當(dāng)吸光粒子通過被照亮體時，會產(chǎn)生光聲信號，利用超能換能器可以采集光聲信號。設(shè)光聲信號為P(t)P(t) 反映了流動粒子發(fā)出的光聲信號強(qiáng)度隨時間t變化的情況，通過P(t) 的漲落計算歸一化自相關(guān)函數(shù)G(τ)G(τ) 的衰變曲線揭示了粒子在探針體積中的停留時間。G(τ)的大小與探針區(qū)域中粒子的數(shù)量有關(guān)，其表達(dá)式為[38]

式中： τ 為滯后時間； δP(t)=P(t)? ，符號< >表示求平均。

PACS的概念來源于FCS，因此我們可以簡單地將式（4）應(yīng)用于PACS測速儀中。在示蹤劑的流速下，歸一化自相關(guān)函數(shù)[38]可以表示為

利用上式對P(t) 的歸一化自相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，就可以得到 τf。當(dāng)血管的r0已知時，血管在探測光束照射區(qū)域內(nèi)的流速為[38]

2010年，Chen等[37]將光聲相關(guān)譜方法用于測量低速血流速度，建立了時間分辨率為0.8 s的光聲相關(guān)系統(tǒng)，其測量的流速范圍為2.49～14.90 μm/s，相應(yīng)的流速時間為 4.42～74.10 s。2011年，Chen等[38]又將光聲相關(guān)光譜應(yīng)用在毛細(xì)血管低速活體測量中，使用這項技術(shù)在雞胚模型中對毛細(xì)血管進(jìn)行了活體低速測量的實(shí)驗(yàn)，使用有效束流半徑計算的流動速度為199.00 μm/s，在不考慮紅細(xì)胞變形的情況下，計算速度為141.00 μm/s，這一速度稍慢，但考慮到毛細(xì)血管中廣泛變化的流速，仍然是合理的。這些結(jié)果表明，用PACS研究毛細(xì)血管流速是可行的。

2018年，潘柳華等[39]利用光聲相關(guān)譜法對血液流速進(jìn)行了測量，研究了激光重復(fù)頻率和樣品傾斜角度對基于PACS方法測量血液流速結(jié)果的影響。通過調(diào)節(jié)激光重復(fù)頻率和激光輸出能量，得到系統(tǒng)可以測量的血液流速范圍為0.059～92.300 m m/s 。

PACS技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷中有著廣泛的應(yīng)用前景，為微循環(huán)系統(tǒng)的分析提供了重要手段[39]。分析表明，PACS有助于研究小毛細(xì)血管內(nèi)低流速的微循環(huán)。PACS結(jié)合激光掃描的光聲顯微成像在微血管三維成像中的獨(dú)特能力，為監(jiān)測疾病過程提供了一種有效的工具。

以上的幾種血流測量方法有著各自的特點(diǎn)，如表1所示。由此可以得出，光聲成像技術(shù)能夠?qū)铙w進(jìn)行無損、實(shí)時成像，在血流測量中可起到重要的作用，光聲技術(shù)將是未來血流測量的發(fā)展趨勢。

表 1 各種血流測量技術(shù)的比較Tab. 1 Comparison of various blood flow measurement techniques

3 總結(jié)與展望

光聲成像是一種新的生物醫(yī)學(xué)成像方式，結(jié)合了光學(xué)成像的高對比度與超聲成像的高空間分辨率[40]。光聲成像是以內(nèi)源性血紅蛋白為對比劑，無需外源物質(zhì)介入，能夠最大程度還原微循環(huán)的真實(shí)狀態(tài)。同時光聲成像在成像深度上較之光學(xué)成像技術(shù)具有較大優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)深層組織微循環(huán)成像[41]。此外，光聲成像具有實(shí)時、動態(tài)的特點(diǎn)，能夠?qū)σ欢ㄉ疃冉M織內(nèi)任意微循環(huán)血管的結(jié)構(gòu)形態(tài)及功能狀態(tài)進(jìn)行3D成像與量化評價，提供多維信息。光聲成像有望成為未來微循環(huán)成像的主流工具，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景[42-43]。因此，光聲成像技術(shù)正在臨床腫瘤、心腦血管疾病早期診斷等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，推動光聲成像技術(shù)的進(jìn)一步臨床研究與產(chǎn)業(yè)化具有重大經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。

雖然當(dāng)前光聲成像技術(shù)在系統(tǒng)集成化、實(shí)時數(shù)據(jù)采集等方面存在一定局限，但可以預(yù)見，這些問題必將隨著有關(guān)研究的深入與技術(shù)條件的優(yōu)化而得到解決。