微循环检测方法及其在疾病中的应用

李燕，王洪，姚小静

(重庆理工大学化学与化工学院，重庆 400054)

微循环检测方法及其在疾病中的应用

李燕，王洪，姚小静

(重庆理工大学化学与化工学院，重庆 400054)

由于微循环携带大量的生理病理信息，因此在各类疾病的诊断和治疗中发挥着越来越重要的作用。目前已有多种方法能够实现微循环信息评估，其中光学成像方法由于其自身的优势成为人们积极研究的方向，但成像质量的提高是微循环检测仪亟待解决的问题。对近年来正交偏振光谱成像(orthogonal polarization spectral imaging，OPSI)技术应用于脓毒症等患者舌下微循环的观察研究进行了评述，并对该技术的发展趋势进行了展望。

微循环;成像方法;正交偏振光谱成像;脓毒症

微循环是指微动脉与微静脉之间的血液循环，是循环系统的末梢部分，同时也是脏器的重要组成部分。当组织器官的代谢与功能出现异常时，微循环会发生一定程度的改变，因此微循环与疾病的发生、发展密切相关，对于各类疾病的早期诊断和治疗具有重要意义。微血管管径为5～100 μm，对检测技术要求较高。与非光学检测方法相比，光学检测方法具有较高的分辨率，成为近年来积极研究的方向，其中正交偏振光谱成像(OPSI)技术是临床上常用的微循环无损伤检测技术［1－3］，与其他检测方法相比具有操作简单、成本相对低廉以及便于小型化制作等优点，无论是在临床诊断还是家庭自我监护中都具有很大的发展前景。

1 微循环检测技术

微循环信息的获取经历了一个漫长的过程。最初人们通过组织切片、血管灌注等方式来获得微血管的超微结构及立体构型，但这些方法的应用仅局限于离体组织，无法反映组织在生理状态下的情况，由此人们开始积极探索活体微循环的检测技术。活体微循环检测方法中，核磁共振成像以及正电子发射断层成像技术由于分辨率量级均为毫米(mm)级，无法很好地检测到微米(μm)级的微血管，且二者对操作环境的要求较高，仪器成本昂贵，极大地限制了它的使用;而光学成像方法中的激光共焦显微术、光学相干成像以及正交偏振光谱成像(OPSI)技术能获得较高分辨率量级的微循环图像，很好地弥补了前者的不足。

1.1 血管铸型

血管铸型是将高分子化合物注入到微血管内，待其硬化后用酸或碱将周围组织腐蚀，就可获得清晰的微血管三维立体结构。该方法有效地弥补了组织切片过程中只能获得微血管超微结构、无法显示立体结构的不足，对医学教学以及临床研究具有很大的应用价值。该方法的优点是能够完整地获得微血管的直径、长度及微血管密度等信息，缺点是只能对离体及死亡的组织进行观察，无法实现对血流速度的实时观察。

1.2 激光多普勒血流仪及激光共焦显微术

激光多普勒血流仪是依据激光照射流动红细胞时波长会发生变化的原理，即多普勒频移原理制成的，用于监测微循环的血流灌注量。接触式点式血流仪可以通过探头对组织的血流进行连续监测，例如可以通过鼻饲管将探头插在消化道内，通过对每立方毫米血液中红细胞的血流量进行监测，获得被测组织的平均血流速度。激光多普勒血流仪的主要分析指标是灌注量(PU)，它是测量范围内红细胞密度与平均血流速度的乘积。激光共焦显微术是一种新颖的活体微循环成像技术，能够对感兴趣的微血管进行连续准确的实时监测，以获得更大范围内的二维以及三维图像，理论分辨率可达0.2μm，但对于不透明的组织需要加入荧光染料才能进行成像，且成本价格较昂贵，极大地限制了它的使用。

1.3 正交偏振光谱成像(OPSI)

目前临床微循环检测使用最多的OPSI是一种电视显微成像技术。正交偏振光谱成像技术是由Groner等［4］在1999年提出，该技术具有偏振选择功能，能够有效滤除被测组织表面反射回来的背景噪声，提高图像的对比度。OPSI技术的分辨率可达1μm，无需荧光染料也能对不透明的组织进行成像，且成像原理简单，便于小型化制作，价格相对低廉，使用相应的探头几乎可以对人体所有部位进行检测，因此在微循环成像中具有广阔的发展前景。使用该技术观察到的微循环实际上是红细胞在血管中的流动情况。红细胞中的血红蛋白对绿光吸收较强，因此陈蕾等［5］在OPSI基础上加入548 nm的滤光片，实验结果表明加入滤光片后成像质量明显提高。

只要选择波长合适的光源就可以对微循环系统中不同组织成分进行成像。本文在OPSI技术基础上提出一种双波长光源的研究设想。正交偏振光谱成像原理如图1所示，光源通过偏振片1及滤光片后成为线偏振光，经分光棱镜反射到被测样品上。从样品表面反射回来的光保持原偏振性，被偏振方向与偏振片1相垂直的偏振片2滤除，无法参与组织成像，而照射到组织内部发生复散射退偏后的光能够通过偏振片2进入CCD成像，有效地改善了微循环成像质量。本文提出的研究设想是分别使用2个不同波长的光源对被测组织进行照射，只要选择的波长合适，将得到的2幅图像相减就可去除背景噪声得到所需的微血管边缘。这样能极大地减少图像处理的工作量，缩短分析时间，且分析时间的缩短对于临床应用具有极大的意义。同时考虑到OPSI是一种电视显微成像技术，观察的微血管中的血液是流动的，因此必须使用电脑来控制光源的快速切换，以便尽量减小成像误差。此方法的成像效果仍有待于进一步研究。

图1 正交偏振光谱成像仪器装置图

2 微循环信息处理

通过显微镜以及图像、视频采集技术，可以获取微循环的静态及动态特征，使用相关软件可以对微循环图像或视频系列中的变量进行分析，实现对微血管形态及生理学的评估［6］。但由于微循环的复杂性，目前为止没有制定微血管参数分析的临床标准。提高微循环图像的质量以及对微循环参数进行定量分析是目前急需解决的问题。

微循环检测技术获取的图像都需要使用相关软件做进一步的处理。第1步就是去除噪声，常用的方法主要有自适应滤波、短时傅里叶变换和小波分析等，这些方法各有优点，使用时应根据实际情况进行选择。本文提出的双波长光源的研究设想能极大地减少去除背景噪声所用的时间。若要对健康人与患者的微血管进行区分，甚至对不同疾病的微血管进行分类，则需要对微血管进行特征提取及分类识别。目前常用的分类器主要有支持向量机和人工神经网络等。

Dobbe等［7］使用自动图像分析软件对健康志愿者和心脏手术患者的舌下微循环的几何形状和速度分布进行了功能性测量。这种图像分析技术包括一系列全面的图像处理步骤，能够对血管的直径、长度、毛细血管功能密度，以及血管中的红细胞流速及分布进行定量分析，包括对血管进行分割(从图像中提取有用的血管段)，并使用时空图对红细胞的流速进行估计等。结果表明，这种新的算法与人工识别血管的方法相比，分析时间由几小时减少到了几分钟，对血管直径、长度及毛细血管功能密度的测量具有很高的精度。

随着数字图像处理技术的飞速发展，结合小波分析及人工神经网络等方法对微循环图像进行处理，也可以通过几种方法的联合应用，以期达到更好的效果，但其前提是必须有高质量的原始图像。最终目的是选择适当的数字图像处理技术，快速准确地判断微循环病理特征，实现诊断疾病的目的。

3 正交偏振光谱成像技术在疾病中的应用

研究表明，只要选择合适的探头，使用OPSI技术几乎可以对人体所有组织的微循环进行检测。Keshen等［8］在2001年成功地将正交偏振光谱成像技术应用于脑肿瘤外科手术中异常微循环的观察。Orsolay等［9］在2002年使用OPSI技术对新生儿及早产儿的皮肤微循环进行观察。Lindeboom等［10］在2006年使用OPSI技术对10例舌鳞状细胞癌的微循环的变化与健康对照组进行比较，研究结果表明，OPSI技术在口腔鳞状细胞癌的微循环特征评价中具有重要作用，可在早期检测到口腔粘膜血管的异常并实现对抗肿瘤药物作用的监测。Carmen等［11］在2008年使用OPSI技术对55个患有静脉曲张的女性患者的毛细血管密度、形态、直径等进行观察，结果显示慢性静脉病患者与健康人相比毛细血管直径和形态都表现出显著的变化，证明在慢性静脉疾病的早期阶段，由于毛细血管的收缩引起高血压，进一步引起静脉紧张，最终导致微循环障碍。

除此以外，有学者使用OPSI技术对脓毒症、心源性休克等患者的舌下微循环进行了研究，结果表明微循环的改变与病死率密切相关，但对于舌下微循环能否反应全身脏器微循环的改变仍存在争议。

3.1 严重的脓毒症与感染性休克

脓毒症是一种临床综合症，是由于感染引起的全身性的炎症反应［12－15］。在重症监护病房中，严重的脓毒症是除心脏病以外导致死亡的最主要原因。灌注不足和组织缺氧在脓毒症患者中是最常见的。脓毒症中微循环的主要特征是呈一种异质性的血流分布，可以用一氧化氮合酶的自动调整来对这一现象进行解释，因为一氧化氮系统是微循环自身调节血管舒张的重要响应系统。在脓毒症的发病机理中还包括一些其他的因素，如平滑肌的小动脉在标准化灌注中会丧失肾上腺素的敏感性，使得红血球的可变形能力降低，聚集能力增强。此外，由于脓毒症的炎性反应将白细胞激活，产生活性氧化物，从而削弱了多糖蛋白质的功能促进了血液中凝块的形成。这将进一步加剧微循环障碍，导致氧气摄取不足，并产生严重的异质性分流和器官功能衰竭。De Backer等［16］在2004年用OPSI技术对脓毒症患者的舌下微循环进行研究，结果表明脓毒症患者的微血管密度和毛细血管灌注比例都会有相应的削弱，并且微循环的改变与病死率密切相关。

感染性休克［17］指的是由于持续不明原因的低血压引起的循环衰竭。局部组织缺氧和器官功能障碍是感染性休克的一大特征。在感染性休克的发病机制中微循环具有重要作用。当平均动脉压下降幅度超过40 mmHg(大约5.33 kPa)时毛细血管的功能密度会发生改变，并产生严重的低血容量休克。为了证明感染性休克和低血容量休克的微循环与死亡率之间的关系，人们分别对小鼠的隔膜、小肠及口腔的微循环进行了研究，3组实验的结果均表明微循环对感染性休克的影响远远大于低血容量休克。

3.2 心源性休克

心源性休克是急性心率衰竭的一种并发症，对其定义为心率衰竭后引起的组织灌注不足［18］。在大多数情况下，心源性休克发生于急性心肌梗死之后，是导致死亡的主要原因。心肌病、心脏瓣膜病等也有可能引起心源性休克。虽然在治疗方面已经取得了一定的进展，但是心源性休克的病死率仍旧保持在50%左右。研究发现，在心输出量和全身血流量减少时血流会重新进行分配，导致外周血管中血流量的减少。在心源性休克中，由于心脏收缩功能障碍引起心输出量的减少，最终导致平均动脉压的减小，从而引起代偿性的血管收缩，出现微循环灌注不良。全身炎症反应综合症和血管活性药物会进一步加剧这一现象。

使用OPSI技术对40位急性心率衰竭患者在发病后48 h内的舌下微循环进行观察。结果表明:微循环的改变与脓毒症患者类似，即毛细血管的灌注比例较低，这些改变与病死率密切相关。

3.3 糖尿病

从病理学的角度出发，2型糖尿病的主要发病机制是由于胰岛素分泌减少所致的以高血糖为特征的代谢性疾病［19］。胰岛素分泌减少的主要原因是由于胰岛素敏感性的降低，它是通过血液流变性和生化机制引起的。

血液流变性对微循环有显著的影响。使用OPSI成像技术可清晰地观察到血液在毛细血管中的流动。可利用半导体微细加工技术制作一个内部直径与毛细血管相似的硅胶毛细血管模型。在血液流经微通道的过程中，观察到大量白细胞粘附在毛细血管壁上，红细胞可变形能力降低，聚集能力增强，同时血小板的凝集能力也增强，形成凝块阻塞毛细血管，阻碍血液的顺利流通。通过计算一定时间内流经血管的血流量，实现对血液流动性的评估。

运用OPSI方法对脓毒症、心源性休克及糖尿病等患者的微循环进行研究，观察到这3种疾病微循环的改变与病死率密切相关。通过微循环图像处理可实现对上述3种疾病严重程度的评估，并能对疾病的治疗过程进行监测。同理，采用OPSI技术也可以实现对其他疾病微循环的研究，如高血压、冠心病等。

4 结束语

血管铸型方法无法实现活体微循环的监测，激光共焦显微术虽具有足够高的分辨率，但对不透明的组织进行成像时必须加入荧光染料，这两种方法由于各自的局限性，限制了它们的临床应用。对于OPSI技术，只要选择波长合适的光源就可以实现对微循环系统中不同组织成分的成像，是一种前景广阔的成像方法。本文提出了双波长光源OPSI技术的研究设想，使用2个不同波长的光源对被测组织进行照射，将得到的2幅图像相减可去除背景噪声得到所需的微血管边缘，极大地减少了图像处理的工作量，缩短了分析时间。另外，采用可调谐滤光片对不同光进行选择的多光谱成像技术能够突出不同波长下的微循环细节，可从中获取我们所关注的信息，这也是OPSI技术发展的一个方向。OPSI技术可以通过对微循环图像的处理实现对疾病严重程度的评估。未来OPSI技术的研究方向是构建智能化心血管疾病诊疗的专家系统，评估不同种类的心血管疾病及其严重程度，并作为诊断、治疗的依据。

随着微机电系统(MEMS)、计算机图像处理技术以及人工智能技术的不断发展，小型化的正交偏振光谱成像系统与智能手机相结合的移动OPSI监护系统将在老龄化社会的家庭护理中扮演着重要的角色。正交偏振光谱成像技术由于操作简单、价格低廉、无创、无毒等优点，可与智能手机构成一个完整的微循环监测系统，在家庭护理中为糖尿病、高血压等患者的病情进行实时监测，实现病情的早期预警。

［1］De Backer D，Ospina－Tascon G，Salgado D，et al.Monitoring themicrocirculation in the critically ill patient:currentmethods and future approaches［J］.Intensive Care Med，2010，36:1813－1825.

［2］吕瑞林，吴伯瑜.皮肤微循环检测方法及其新进展［J］.医学综述，2006，12(2):124－128.

［3］Roustit M，Cracowski J L.Non－invasive assessment of skin microvascular function in humans:an insight into methods［J］.Microcirculation，2012，19(1):47－64.

［4］Groner W，Winkelman JW，Harris A G，et al.Orthogonal polarization spectral imaging:a new method for study of themicrocirculation［J］.NatMed，1999，5:1209－1212.

［5］陈蕾，张恩耀，孙立群，等.正交偏正光谱成像方法及装置［J］.应用光学，2007，28(2):169－172.

［6］Awan Z A，Wester T，Kvernebo K.Human microvascular imaging:a review of skin and tongue videomicroscopy techniques and analysing variables［J］.Clin Physiol Funct Imaging，2010，30:79－88.

［7］Dobbe JG G，Streekstra G J，Atasewer B，et al.Measure of functional microcirculation geometry and velocity distributions using automated image analysis［J］.Med Biol Eng Comput，2008，46:659－670.

［8］Keshen R Mathura，Gerrit JBouma，Can Ince.Abnormal microcirculation in brain tumours during surgery［J］.RESEARCH LETTERS，2001，358(17):1698－1699.

［9］Genzel－boroviczeny O，Strotgen J，Anthony G，et al.Orthogonal Polarization Spectral Imaging(OPS):A Novel Method to Measure the Microcirculation in Term and Preterm Infants Transcutaneously［J］.REDIATRIC RESEARCH，2002，51(3):386－390.

［10］Lindeboom J A，Mathura K R.Orthogonal polarization spectral(OPS)imaging and topographical characteristics of oral squamous cell carcinoma［J］.Oral Oncol，2006，42 (6):581－585.

［11］Lascasas－Porto C L，Ana Leticia，Milhomens M，etal.Use ofmicrocirculatory parameters to evaluate clinical treatments of chromic venous disorder(CVD)［J］.Microvascular Research，2008，76:66－72.

［12］唐雪，王瑞兰.手持式OPS和SDF技术在脓毒症微循环监测中的应用进展［J］.临床适宜技术，2011，14 (6):2110－2112.

［13］于永慧，李敏，王春亭.脓毒症微循环功能障碍的评估及其临床意义［J］.中华儿科杂志，2012，50(3):197－200.

［14］Ospina－Tascon G，Neves A P，Occhipinti G，et al.Effects of fluids on microvascular perfusion in patients with severe sepsis［J］.Intensive Care Med，2010，36:949－955.

［15］Spanos A，JhanjiS，Vivian－Smith A，etal.Earlymicrovascular changes in sepsis and severe sepsis［J］.Shock，2010，33:387－391.

［16］De Backer D，Creteur J，DuboisMJ，et al.Microvascular alterations in patientswith acute severe heart failure and cardiogenic shock［J］.Am Heart J，2004，147:91－99.

［17］刘子那，张海涛.感染性休克与微循环［J］.中华临床医学杂志，2011，5(14):4005－4009.

［18］Nieminen MS，Böhm M，Cowie MR，et al.Executive summary of the guidelines on the diagnosis and treatment of acute heart failure:the Task Force on Acute Heart Failure of the European Society of Cardiology［J］.Eur Heart J，2005，26:384－416.

［19］Matsumoto Y，Ohno H，Noguchi I，et al.Disturbance of microcirculation due to unhealthy lifestyle:Cause of type 2 diabetes［J］.Medical Hypotheses，2006，66:550－553.

(责任编辑 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

重庆市科技攻关计划项目(CSTC2011AC5120);重庆市教委基金资助项目(KJ120807);重庆理工大学基金资助项目(2010z013)

李燕(1990—)，女，云南普洱人，硕士研究生，主要从事计算机医学图像及信息处理方面的研究;通讯作者王洪(1966—)，男，四川乐山人，博士，教授，主要从事生物医学仪器与设备的研究。

李燕，王洪，姚小静.微循环检测方法及其在疾病中的应用［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，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.