人体微循环

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微循环定义、研究对象、作用及意义

定义

  • 血液循环系统的末梢部分，一般是指微动脉、毛细血管和微静脉之间的血液循环，和微淋巴管一起组成微循环功能单位
  • 不做特殊处理看不清淋巴管
  • 故临床上通常认为微循环为毛细血管内的血液微循环
  • 组成：微动脉、后微动脉、毛细血管前括约肌、真毛细血管、通血毛细血管、动-静脉吻合枝、微静脉

研究对象

  • 主要研究对象：人和动物的活体组织或器官
  • 观察血液循环（临床上通常观测管腔直径为0-20um之间的血管）
  • 人：甲襞、眼球结膜、舌下等部位，甲襞是最好观察部位，一般检查左手无名指
  • 动物：肠系膜、软脑膜、球结膜等

作用

  • 物质交换的场所，运送养料，排出废物
  • 对血压、血量、血流等进行调节
  • 人体的衰老、肿瘤的发生、高血压、糖尿病及许多心脑血管等疾病，主要是微循环障碍所致

研究意义

  • 进一步了解各器官的特殊功能，认识疾病的发病机理，有利于及时对疾病进行防御、及早诊断，积极治疗，对疗效进行有效的监控
  • 测量微循环的形态参数和流态参数，得到健康情况的各项指标参数，进一步完善微循环参数的测量方案及微循环疾病分类的制定标准，促进学科发展
  • 在测量微循环参数的基础上进一步对微循环的特征进行分析，选择和提取微循环的参数特征，自动识别病态血管，实现临床上疾病的辅助诊断

微循环研究整体框架

  • 成像系统（图像质量问题）
  • 图像预处理
  • 参数测量
  • 识别及诊断

成像系统

有损成像

离体观察（组织切片；微血管灌注）

  • 组织切片：能精确观察微血管内皮细胞及其超微结构，不能显示微血管的立体分布及构型
  • 微血管灌注：很好地显示微循环血管的形状，只能用于死亡或术后离体脏器观察，不能反映生理状态下的情况

活体观察

  • 在显微镜下直接观察，微循环血管的形态、舒缩运动、血流流动过程等
  • 有创，需在皮肤上安装观察窗

无损成像

非光学无损成像法（核磁共振成像、超声波成像等）

  • 对生物体发射一定频率的电磁波或超声波，然后将反射回来的信号以图像方式显示。
  • 优点：不会受到生物组织散射作用的影响，对较大血管的成像效果较好。
  • 缺点：分辨率较低，对微小血管的成像效果较差，而且成像速度较慢

激光成像法（激光多普勒灌注成像、激光散斑灌注成像等）

  • 利用激光束与血流中运动的血细胞相互作用产生的多普勒效应，计算出血液流速的变化，并以此形成图像。
  • 优点：不受微循环血管对比度低的影响，具有较好的成像效果和较高的成像分辨率。
  • 缺点：当血管的血流速率变化较快时，激光多普勒灌注成像测量精度降低，影响成像效果；当多个散射发生时会影响目标大小，导致激光散斑灌注成像成像模糊

无损光学成像法（正交偏振光谱技术、侧流暗视野成像技术、入射暗场成像模式）

  1. 正交偏振光谱技术（OPS）：已不再市售

成像原理

光源550nm（血红蛋白的等消光点）的线形偏振光，显像流经该血管的红细胞（入射光被血红蛋白吸收，红细胞呈现较深颜色）；（暗场） 记录反光与入射光正交的光线，偏振光在CCD上形成微循环的图像； 偏振选择功能，有效滤除被测组织表面返回的背景噪声，提高图像的对比度。

优点

分辨率1um 无需荧光染料 能对不透明的组织成像 成像装置简单、成本低；便于小型化

缺点

易受伪影的影响（器官运动+血压变化） 需要用电脑来控制光源的快速切换

  1. 侧流暗视野成像技术（SDF）：目前临床研究应用较多

成像原理

  • 在OPS基础上加入闪频发光二极管，阻止反射和散射光进入；
  • 可以照入更深的微循环内部组织，对红细胞和白细胞的分辨率更高。

优点

  • 分辨率更高
  • 能对不透明的组织成像
  • 成像装置简单、成本低；便于小型化

缺点

  • 使用了偏正滤镜组，只有很少一部分(22.5%)的反射光返回接收器，当观察黑色素较多的皮肤时，由于吸收率很高，得到的图像会变的很暗而不易观察。

  1. 入射暗场成像模式（IDF）：成像中的毛细血管多20%-30%

成像原理

  • 光源设计将照明照向光轴；
  • 更高的传感器像素密度，提高了聚焦深度和分辨率
  • 更清晰的多元素物镜

三者对比

图像质量

图像质量决定性因素

取决与成像系统的光学分辨率、焦距、像差、传感器噪声、照明特性等

图像质量标准

  1. 亮度
    • 低亮度下，相机传感器响应为非线性，信噪比差；
    • 高亮度时，过饱和像素中的信号无法恢复。
  2. 聚焦
    • 良好聚焦，使得毛细血管中的单个红细胞可见。
  3. 持续采集时间
    • 长时间的单点测量（至少4s，理想时间为20s）。
  4. 采集内容（血管结构、唾液、血液、气泡）
    • 视野中没有过多的唾液、气泡等杂质出现，防止造成伪影。
  5. 稳定性
    • 相机稳定性；
    • 被测试者稳定性
  6. 压力
    • 是否会因为设备过重，在组织上施加压力过大，产生压力伪影

图像预处理

预处理

  • 底层组织入射光的高散射和吸收不均匀导致对比度低和背景亮度缓慢变化
  • 方法：对比度增强、背景减法

图像配准

  • 由于人体的呼吸运动和轻微移动，会使采集的视频出现较明显的“抖动”现象，影响了视频的稳定性和后续的参数测量
  • 方法：基于强度的图像配准（SSDA算法等）、基于特征的图像配准（点/线/面特征）、基于域变换的图像配准（基于傅立叶的变化域算法）

血管分割

参数测量

形态参数

中心线

直径

曲率

血管密度

  • TVD总血管密度：所有血管长度之和与视野面积的比值
  • PVD灌注血管密度：有灌注血管长度之和与视野面积的比值
  • TVD、PVD反应血管分布密度

流态参数

流速测量

  • PPV灌注血管比例：有灌注的血管长度占所有血管的比例
  • MFI微血管流动指数（流量）：将视野分为4个象限，对每个进行评估，计算平均值
  • PPV、MFI根据血流速度分级评估血管是否有灌注

识别与诊断

依靠形态学诊断

基于微循环血管形态学，将病变血管分为粗大、巨大、扭曲、交错、奇异状、灌木状等

依靠测量指标诊断

选取某些代表性指标，进行分类