在檢查壓力引起的組織微循環(huán)障礙時(shí)，明確外壓和血流之間關(guān)系非常重要。來自華盛頓大學(xué)的Woo June Choi等人使用光學(xué)相干斷層掃描微血管造影（OMAG）評(píng)估了人甲襞受外力發(fā)生的血液灌注變化。對(duì)逐級(jí)壓力和壓力解除后毛細(xì)血管的灌注情況進(jìn)行了可視化和量化，結(jié)合組織應(yīng)變圖，評(píng)估了微循環(huán)響應(yīng)與所施加壓力的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著壓力的不斷增加，血流灌注逐漸減少。壓力移除后發(fā)生反應(yīng)性充血，幾分鐘后灌注恢復(fù)到基線水平。表明OMAG可以用于定量評(píng)估體內(nèi)組織微循環(huán)的局部壓迫情況，為臨床疾病中微循環(huán)相關(guān)研究提供了新的方法。研究成果以“Optical coherence tomography microangiography formonitoring the response of vascular perfusion to external pressure on humanskin tissue”為題發(fā)表于Journal of Biomedical Optics。

 

研究背景
 

在過去的幾十年里，人們對(duì)皮膚微循環(huán)對(duì)外部壓力的反應(yīng)越來越感興趣。臨床上認(rèn)為皮膚血流量相對(duì)壓力的變化是評(píng)估與糖尿病（DM）相關(guān)的血管疾病中微循環(huán)障礙的重要指標(biāo)，此外在殘疾和老年人的護(hù)理和治療中，壓瘡也成為一個(gè)不容忽視的并發(fā)癥。因此表征外部壓力與血流量之間關(guān)系，對(duì)于理解受壓組織中的血管血流動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。以非侵入性和可重復(fù)的方式研究壓力-流量關(guān)系的光學(xué)技術(shù)很少。激光多普勒血流計(jì)（LDF）是皮膚灌注研究中zuichangyong的技術(shù)之一，它基于激光照射時(shí)血管中運(yùn)動(dòng)的紅細(xì)胞（RBCs）散射的光的多普勒頻移，但只能提供單點(diǎn)的血流測(cè)量。基于二維圖像傳感器的激光多普勒成像（LDI）技術(shù)有望將LDF點(diǎn)測(cè)量擴(kuò)展到正面灌注成像，但由于分辨率有限，它們僅能從整體水平上評(píng)估皮膚灌注水平，無法探索由小血管（小動(dòng)脈和小靜脈）或毛細(xì)血管組成的微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)。

 光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種非侵入性的光學(xué)成像方式，能夠提供具有微米分辨率的活體組織的三維斷層圖像，已被用于體內(nèi)組織內(nèi)的血液灌注成像。光學(xué)相干斷層掃描微血管造影（OMAG）技術(shù)利用血管腔中運(yùn)動(dòng)紅細(xì)胞的動(dòng)態(tài)散射特性，不僅能夠?qū)⑵渑c血管周圍靜止組織的靜態(tài)散射區(qū)別出來，同時(shí)還避免了外源性造影劑可能產(chǎn)生的影響。研究人員以O(shè)MAG為基礎(chǔ)開發(fā)出了很多擴(kuò)展技術(shù)，如相位差OCT、散斑差OCT（svOCT）、cmOCT和超高靈敏度OMAG （UHS-OMAG）。結(jié)合以上方法，研究人員已經(jīng)對(duì)大腦和眼睛等的微循環(huán)進(jìn)行了多項(xiàng)探究。

 本研究的目的是證明OMAG在研究外部施加壓力對(duì)皮膚血管灌注的影響方面的能力。OMAG的三維微血管成像能提供定性和定量信息，反映出局部區(qū)域內(nèi)的血流對(duì)不同壓力水平的反應(yīng)。已有研究使用OMAG探究小動(dòng)物視網(wǎng)膜中的壓力-流量關(guān)系，但迄今為止還沒有報(bào)道證明其在人體皮膚組織活體研究的可行性。研究招募了一名健康志愿者，通過控制位于甲襞上方的玻片位移變化實(shí)現(xiàn)施加壓力變化，位移范圍為0-200 μm，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)200 μm是甲襞中毛細(xì)血管流動(dòng)*阻塞的最小位移。對(duì)整個(gè)施力和移除后階段進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)和脈管系統(tǒng)成像，結(jié)合應(yīng)力變化情況，探究微循環(huán)對(duì)壓力的變化。


 

圖1 （a）OCT系統(tǒng)。（b）探頭-皮膚界面示意圖。
 

圖2 應(yīng)力計(jì)算程序流程圖。（a）發(fā)生形變的結(jié)構(gòu)（紅黃線之間）的橫截面OCT結(jié)構(gòu)圖像；（b）甲襞的OCT三維組織結(jié)構(gòu)圖像；（c）b的正面厚度圖；（d）正面應(yīng)力圖像。

 

結(jié)果與討論
 

01-人健康甲襞的結(jié)構(gòu)和微脈管成像
 圖3為無壓力（基線）的甲襞活體微脈管成像圖。成像區(qū)域?yàn)樽笫值谒膫€(gè)手指方框內(nèi)，尺寸2 mm × 2 mm）。圖3b為典型的橫斷面OCT圖像，可見甲襞的結(jié)構(gòu)特征，如表皮、真皮、甲根和甲基質(zhì)。在對(duì)應(yīng)的橫斷面mOMAG圖像中（圖3c），可見許多代表毛細(xì)血管灌注的明亮信號(hào)。mOMAG覆蓋的結(jié)構(gòu)圖像（圖3d）可以識(shí)別出真皮層中的毛細(xì)血管。在圖3（f）中，可清晰觀察到發(fā)夾狀毛細(xì)血管環(huán)（箭頭）沿著角質(zhì)層規(guī)律排列，這是健康甲襞毛細(xì)血管的典型特征。
 

圖3 無壓力下正常人甲襞的活體微血管成像。（a）左手第四個(gè)手指甲襞成像區(qū)域的照片。（b）橫斷面（XZ） OCT結(jié)構(gòu)圖像，EP:表皮，D:真皮，NM:指甲基質(zhì)，NR:指甲根部。（c）相應(yīng)的橫截面毛細(xì)血管流動(dòng)圖像（mOMAG圖像）。（d）覆蓋了mOMAG圖像的甲襞結(jié)構(gòu)圖像。（e和f）同一位置的甲襞結(jié)構(gòu)和脈管系統(tǒng)的正面（XY）MIP處理圖像。其中的水平白線分別表示（b）和（c）中的橫截面。比例尺500 μm。

 02-逐級(jí)施加外壓情況下人體甲襞的微血管成像

 隨著施壓玻片位移變化，毛細(xì)血管灌注變化情況如圖4所示，均為正面血管造影成像圖。在位移Z=50μm時(shí)（圖4b），與基線相比，在毛細(xì)血管環(huán)的近端區(qū)域中部（白色圓圈）觀察到信號(hào)丟失，表明由于組織結(jié)構(gòu)受壓，其下血管阻塞導(dǎo)致血流停止。此外值得注意的是施加壓力后觀察到有周邊毛細(xì)血管流量增加和新毛細(xì)血管出現(xiàn)（圖4b箭頭所示）。已知在正常組織狀態(tài)中存在儲(chǔ)備血管，但沒有血流或以zuidi血流量形式存在。因此這可以解釋為血流分流到了臨近血管中，導(dǎo)致分流血管中的流量增加，同時(shí)儲(chǔ)備毛細(xì)血管也因而起到了分流作用。隨著玻片位移從100 μm增加到150μm，血管被閉塞的面積也越來越大（圖4c和d）。在玻片位移200μm處時(shí)，整個(gè)毛細(xì)血管網(wǎng)*閉塞（圖4e）。在解除閉塞時(shí)毛細(xì)血管發(fā)生再灌注，且灌注水平顯著高于閉塞前（圖4f），表明出現(xiàn)反應(yīng)性充血。在壓力解除2 min后，毛細(xì)血管灌注恢復(fù)，但仍高于基線水平（圖4g，h）。研究人員同時(shí)還對(duì)甲襞進(jìn)行了實(shí)時(shí)B-mode OCT成像以直觀地觀察血液動(dòng)力學(xué)，成像結(jié)果清楚地展示了按壓過程中甲襞結(jié)構(gòu)和血液灌注隨時(shí)間推移的變化情況。
 

圖4 甲襞的正面毛細(xì)管血管造影照片，顯示了從載玻片接觸甲襞表面的初始位置開始的位移。（a）基線，（b）Z 50μm，（c）Z 100μm，（d）Z 150μm，（e）Z 200μm，（f）Z回到0μm，（g）Z 0μm（壓力釋放后1分鐘），和（h）Z 0μm（壓力釋放后2分鐘）。在初始加載（b）中，觀察到局部毛細(xì)血管灌注停止（白色圓圈）?？拷Ｖ沟拿?xì)血管的其他血管的灌注增加（箭頭），允許保留的毛細(xì)血管募集（箭頭）。比例尺:500μm

 圖6為玻片位移對(duì)應(yīng)的應(yīng)力圖。研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變位置與發(fā)生毛細(xì)管堵塞的位置相同，應(yīng)變范圍隨玻片位移從50μm到200μm增加而擴(kuò)大（圖6b-d）。在圖6（c）和6（d）中，有趣的是，壓力分布是由外周毛細(xì)血管的血液供應(yīng)中斷引起的，導(dǎo)致隨后沒有收到外部壓力的毛細(xì)血管環(huán)路血流也停止（圖4c，d）。在發(fā)生*血管閉塞的Z=200 μm位移處（圖6e），成像區(qū)域上的壓力最大。壓力移除后形變的皮膚組織立即恢復(fù)，可以觀察到應(yīng)力反應(yīng)顯著降低（圖6f），但仍存在殘余應(yīng)力反應(yīng)，隨后甲襞形變可基本恢復(fù)到基線水平。可以得出結(jié)論，施加壓力引起的血流應(yīng)答與應(yīng)變情況具有一致性。
 

圖6 甲襞正面應(yīng)力圖。（a）基線；（b）Z=50 μm，（c）Z=100 μm，（d）Z=150 μm，（e）Z=200 μm，（f）Z回到0 μm，（g）Z=0μm（壓力解除后1 min），（h）Z=0μm（壓力解除后2 min）。比例尺500 μm。

 

將mOMAG血管造影圖像與相應(yīng)的應(yīng)變圖像疊加，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變分布與血管閉塞區(qū)域重合（圖7a）。研究人員計(jì)算了每幅圖像的流量指數(shù)（FI）和平均應(yīng)力值（圖7b），發(fā)現(xiàn)隨應(yīng)力從0到0.072增加，F(xiàn)I逐漸降低。在0.018-0.037應(yīng)力間FI發(fā)生顯著的快速下降。當(dāng)平均應(yīng)力達(dá)到0.072時(shí)，F(xiàn)I基本為零，即毛細(xì)管*堵塞。在立即解除壓力后（0.012），F(xiàn)I超過0.602，比基線（0.372）增加了62%，在壓力解除后的2 min內(nèi)緩慢下降34%。該壓力-流量曲線與先前使用LDI技術(shù)進(jìn)行的研究結(jié)果非常相似。


 

圖7 （a）mOMAG血管造影和對(duì)應(yīng)應(yīng)力圖疊加；（b）每次測(cè)量的流量指數(shù)和平均應(yīng)力值；

全文小結(jié)
 

本文探究了OMAG技術(shù)在研究人體甲襞應(yīng)力反應(yīng)中的應(yīng)用性。結(jié)果表明，隨著甲襞表面壓力的逐步增加，血液灌注逐漸減少，在平均應(yīng)力為0.072時(shí)達(dá)到最?。悖┕嘧?。當(dāng)壓力解除時(shí)，觀察到灌注較正常狀態(tài)顯著增加（反應(yīng)性充血）。通過mOMAG血管造影照片和相應(yīng)的應(yīng)變圖進(jìn)行定性和定量識(shí)別，獲得壓力前/后關(guān)于甲襞內(nèi)毛細(xì)血管的血液動(dòng)力學(xué)信息。除本文中甲襞外，OMAG方法也適用于一般的皮膚組織部位，特別是上下肢如腳掌，對(duì)外部壓力的血流反應(yīng)對(duì)診斷具有重要的臨床意義。此外OMAG可以定量評(píng)估糖尿病或壓瘡患者缺血后反應(yīng)性充血的皮膚反應(yīng)情況。

 本研究存在一些局限性，如無法確定組織上的實(shí)際壓力分布、對(duì)于毛細(xì)血管內(nèi)血流的定量估計(jì)不穩(wěn)定。但它實(shí)現(xiàn)了shouci使用OMAG技術(shù)來研究體外壓力對(duì)人體皮膚組織血管灌注的影響，其成像結(jié)果與激光多普勒測(cè)量報(bào)告的結(jié)果非常一致。此外OMAG足夠敏感，能夠檢測(cè)施加壓力時(shí)皮膚灌注的細(xì)微變化，因此在需要評(píng)估與組織微循環(huán)功能障礙相關(guān)的壓力-灌注關(guān)系障礙研究中，OMAG可能發(fā)揮出非常大的作用。

 參考文獻(xiàn)：Woo, et al. "Optical coherence tomography microangiography for monitoring the response of vascular perfusion to external pressure on human skin tissue." Journal of Biomedical Optics 19.5(2014):56003-56003.