激光散斑技术在微循环血流监测中的应用

激光散斑技术在微循环血流监测中的应用

关键词: 微循环 激光散斑

来源: 瑞沃德

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基本介绍

有机体的生命过程是物质、信息和能量三者有组织、有秩序的活动,具体表现为生物个体内各器官、组织细胞之间,物质、信息和能量的传递。在这个过程中,由微动脉、微静脉、毛细血管和动静脉吻合支组成的微循环起着至关重要的作用,直接给细胞供血、供氧、供能量及有关的营养物质,同时还排出对人体有害的代谢产物,是人体的内环境,是生命的最基本的保证。任何器官,任何部位(包括心脏在内)都必须要有一个正常的健康的微循环,否则就会出现相应器官的病变;若微循环不通畅,就好像一块秧田的水渠堵塞,禾苗得不到水分就会枯死一样,各种脏器也会因新陈代谢不正常而出现疾病和衰老等。临床上通过监测血管血流的变化可以对糖尿病、高血压、动脉硬化、老年痴呆及肿瘤等疾病进行早期诊断或者是术后追踪。因此,监测血管的血流在生命科学基础研究、疾病的临床诊断以及药物研发等方面都具有重要的意义。

目前,监测血流的技术有多种,比如超声多普勒、点式和扫描式激光多普勒等等,但这些技术均有一定的局限性,比如采样速度较慢、空间分辨率低、不能不能监测大面积血流、操作复杂、输出结果不直观、性价比低等等,而激光散斑成像技术则克服了这些局限性。它的基本原理是:当目标受到激光束照射时,反射后的激光形成随机干扰图像(包括亮区和暗区),该图像称为激光散斑图。如果被测目标静止,激光散斑图也保持不变。如果被测物体发生移动,例如组织中的红细胞运动,则激光散斑图会随之波动。激光散斑图的变化速度取决于监测区域内目标移动速度;目标移动速度越快,散斑图变化越明显。散斑变化速度以散斑对比度量化,而对比度与血流相关。

激光散斑技术的应用

常见的应用包括:

(1)实时监测局灶性脑缺血模型的血流和血管管径时空变化,研究不同栓塞时间对栓塞后脑血流以及再灌注脑血流的影响;

(2)可以研究炎症、水肿、缺血、出血、过敏、休克、肿瘤、烧伤、冻伤、放射损伤等基本病理过程中微循环改变的规律及其病理机制,为疾病诊断、病情分析、救治措施和药物开发提供依据;

(3)监测皮层扩散抑制(CSD: Cortical Spreading Depression)时皮层和软脑膜的血流变化;

(4)监测对大鼠躯体功能刺激引起的脑血流变化,刺激强度与脑血流变化大小相关;

(5)对肠系膜上的不同血管管径的微循环血流和淋巴流进行监测,观察微循环在药物作用下的时空响应特性,适用于药物作用的研究;

(6)研究皮肤的微循环有利于各类皮肤病、局部炎症、外伤、烧伤和冻伤等诊断和治疗,比如糖尿病溃烂康复的植皮治疗、烧伤后低血流灌注区域的植皮、观察过敏接触的炎性反应和刺激反应以及皮肤斑、恶性皮肤肿瘤的诊断等。

关于瑞沃德 RFLSI Pro

瑞沃德 RFLSI Pro 激光散斑血流成像系统,基于全新的 LSCI (Laser Speckle Contrast Imaging/LSCI,激光散斑衬比分析成像)技术设计,以独有的非接触大面积、高时间和空间分辨率、全场快速成像的技术优势,为生命科学基础研究及临床医疗提供了一种实时动态血流监测和视频成像记录手段,是了解组织、器官病理或生理指标至关重要的依据。仪器无需任何造影剂,时间分辨率可达毫秒量级,空间分辨率可达微米量级,实现了科研人员及医疗实时观察微血管的血流分布状态及血流数值相对变化的功能需求。

l高时间分辨率:成像速度快,全幅状态下(656x494 像素)可以达到 60 帧/秒。

l高空间分辨率:常规 3.3um/像素,最高可达 2um/像素,单位面积像素可达 1,800,000 像素/cm2。

l独有的管径测量:血管的管径测量(单位:um)为血液动力学分析(血流、管径、血流灌注量、血氧等)提供更多依据。

l动态计算:具备 ROI 内血流均值或血管管径值的实时在线分析及离线分析功能,TOI 内血流均值、标准差的离线分析功能。

l数据输出:血流图像的原始数据、标准图像和视频,血管管径的数据。

瑞沃德 RFLSI Pro 的应用案例

如图 4,RFLSI Pro 观察树鼩麻醉过程中的脑皮层血流变化情况,左图是正常情况下树鼩大脑皮层的血流分布图,右图显示当出现麻醉严重过量、濒临死亡时的大脑皮层血流分布图。


如图 5,RFLSI Pro 用于小鼠颈动脉栓塞模型的评估或者药物相关的研究(图 5)。图 5 中 a-e 分别代表颈动脉栓塞前后不同时间点的局部血流变化情况,激光散斑血流成像系统(RFLSI-Pro)对栓塞模型的评估起至关重要的作用。


如图 6,RFLSI Pro 观察大鼠发生微小中风(mini-stroke)之后,大鼠脑皮层局部血流供应会产生明显改变。正常大鼠脑皮层血流分布如图 6-a 所示,在建立微小中风(mini-stroke)模型之后,图 6-b 显示的是大鼠发生微小中风后大脑皮层血流血流的分布,以及当我们将这种导致 mini-stroke 的条件去除掉之后,大脑皮层的血流供应重新恢复正常状态(图 6-c)。


如图 7,RFLSI Pro 作为一些动物模型建立的评估手段,比如光化学法诱导脑皮层缺血模型(图 7)。

如图 8,RFLSI Pro 同样也可以对小鼠背部皮肤的血流分布进行很好的监测(图 8)。

瑞沃德 RFLSI Pro 全套方案

以脑卒中模型为例,瑞沃德不仅可以提供该模型制作的基础设备(基础麻醉、定位、手术),还可以提供线栓法、光化学诱导法等造模设备,以及造模后期的血流、组织化学、行为等检测手段相关设备。

参考文献

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4.孔平,杨晖,郑刚,等。激光散斑血流成像技术研究新进展 [J]。光学技术,2014,40:21-26。

5.Murari K, Li N, Rege A, et al. Contrast-enhanced imaging of cerebral vasculature with laser speckle. Appl Opt. 2007 Aug 1;46(22):5340-6.

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7.Rege A, Murari K, Li N, Thakor NV. Imaging microvascular flow characteristics using laser speckle contrast imaging. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2010;2010:1978-81. doi: 10.1109/IEMBS.2010.5627543.


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