微循环监测技术的研究进展

古妮娜(综述)，张　丹(审校)

(重庆医科大学附属第一医院重症医学科，重庆 400016)



微循环监测技术的研究进展

古妮娜△(综述)，张丹※(审校)

(重庆医科大学附属第一医院重症医学科，重庆 400016)

微循环直接参与细胞和组织内物质、能量、信息的传递，是直接将血液灌入细胞并维持人体正常新陈代谢、内环境及生命活动的最基本过程，需要心脏的收缩力和微血管循环的自身节律性运动来共同完成。微循环的监测对于多种疾病的诊断评估有重要的作用。微循环的研究始于1661年对青蛙微循环的观察，1966年开始了临床微循环研究。近年来微循环监测技术有了飞跃的发展，现就几种常见的活体内微循环监测技术的主要研究进展予以综述。

1正交偏振光谱技术

1.1正交偏振光谱(orthogonal polarization spectral，OPS)技术的工作原理OPS技术是一种活体内新型的、可视的微循环监测技术。该技术利用线性偏振光照射体内组织，然后通过正交偏振镜成像[1]。OPS的光源为波长(550±70) nm的绿光，光线依次经过偏振镜和光线分流器后到达组织，部分被组织反射回的光线再次经过光线分流器和另一偏振镜，进入电荷耦合器和摄影机成像[2]。数据经半定量分析，对每个象限的血管直径和血流速度进行评估，最后通过图像处理软件得到清晰的血管图像。

1.2OPS的优缺点其优点在于OPS技术的成像装置简单、成本低、便于制作成小型探测器件，多应用于临床患者舌下黏膜监测。研究表明，如果腹腔压力在10 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)以下时，舌下黏膜监测微循环与肠道黏膜监测结果是同步的[3]，因此运用OPS技术通过观察舌下黏膜微循环来了解内脏的微循环情况，具有一定的临床应用价值。同时该技术也存在一些不足：数据分析仅为半定量；分析生成图像的过程比较复杂耗时；当机体腹腔压力高于10 mmHg时，舌下黏膜的微循环是否能够真正反映内脏微循环状态也还存在一定的争议[4-5]；患者和操作者的移动、口腔中的分泌物(唾液及血液等)、观察者的不同、患者烦躁等因素也会影响监测结果的准确性。

1.3OPS技术的应用早在1987年，OPS技术及手持式电子显微镜被引入临床医学，通过对人体暴露组织器官的微循环进行研究，开创了微循环监测的新局面[6]。Nivoit等[7]运用该技术对糖尿病小鼠的微血管床进行评估，了解患病小鼠微血管病变情况。Ince[8]运用OPS技术观察显示，舌下黏膜微循环的监测对脓毒症及脓毒性休克患者的早期诊断有很高的敏感性。Spronk等[9]和Sakr等[10]应用OPS技术监测脓毒性休克患者的舌下微循环，对临床上脓毒性休克的治疗有一定的指导作用。Boerma等[4]通过OPS技术对脓毒性休克患者同时进行舌下和肠道的微循环监测，发现脓毒性休克患者存在舌下和内脏黏膜微循环紊乱。总之，OPS技术广泛应用于临床微循环监测，对临床微循环障碍患者发病的病理生理机制的探究有一定的帮助作用。

2侧流暗视野成像技术

2.1侧流暗视野成像(sidestream dark field,SDF)技术的工作原理SDF技术是OPS的一种衍生技术，装置组成同OPS技术基本相同，其中有两个主要的不同点：OPS技术的光源是应用波长为(550±70) nm的绿光，而SDF技术应用的是由发光二极管发出的波长530 nm、与视频帧速率同步的光线；OPS技术是通过两个偏振镜成像，而SDF技术仅通过一个偏振镜成像[11]。

2.2SDF技术的优缺点实验证明SDF和OPS两种技术在成像对比度、敏感性以及成像质量等方面具有可比性，SDF技术同样具有OPS技术的便捷、无创、可视等优点[6]。同时SDF技术还具有其独特的优势：由频闪观测仪的发光二极管发出的光源有利于消除因组织表面污染而导致的对监测结果的影响，并且该光线可以照入组织，监测深部血流情况，对微循环中的红细胞和白细胞分辨率也更高[11]；SDF技术克服了OPS技术生成图像模糊、流动血流观察困难等缺点，并且对细小毛细血管成像的对比度也较OPS技术高[11]。但是,SDF的数据分析仍然比较耗时。

2.3SDF技术的应用由于SDF技术具有微循环成像的高对比度和清晰的特点，故被广泛地应用于大量实验研究和临床中。Sitina等[12]运用高清晰度成像的SDF技术对机械通气的家兔脑基膜微循环参数进行监测，并成功地监测出脑基膜内微小血管的分布密度。Milstein等[13]应用SDF技术对口腔黏膜损伤的家兔模型的微血管重建进行持续监测，指导微循环水平上黏膜创伤的治疗。Milstein等[14]还通过SDF技术对自体骨髓移植术后化疗患者的颊黏膜毛细血管分布密度和黏膜下微血管结构的完整性进行监测，对探讨高剂量化疗药物诱导的口腔黏膜炎的发病机制具有一定的指导作用。

3激光多普勒成像技术

3.1激光多普勒成像(laser doppler imaging，LDI)的工作原理LDI技术是一种基于多普勒效应的监测技术[15]。该技术是在激光多普勒血流仪基础上，联合应用一种非接触式、水平扫描激光装置，对组织血流量进行持续性监测的激光多普勒血流量图像仪。该技术利用氢氖激光管发出的激光束照射组织后发生散射，散射光的强度与运动血细胞数量呈正比，波长改变的程度与血流运动速度呈正比[16]，不同波长的光线为检测仪提供不同的血流速度和运动红细胞浓度的信息，然后转换为彩色编码图像，从而反映机体的微循环灌注情况。

3.2LDI的优缺点与激光多普勒血流仪相比，LDI灵敏度较高，并且可避免因直接接触皮肤和血流空间变化对测量结果造成的影响[17]。同样，该技术也存在一定的局限性：LDI技术只能监测直径约1 mm的血管微循环；对血管形态、血流方向及微循环异常分流的判断精确度较差；测量结果易受血细胞比容变化的影响；测定平均血流速度时，皮肤血流信号易受探针位置、扫描表面曲率，患者移动和皮肤表面伤口情况(如焦痂、水泡、腐肉和局部用药等)的影响[18]。

3.3LDI的应用早在1975年，LDI就已经用于临床皮肤微循环状况的检测。近年来，随着LDI技术的不断发展，在实验研究、临床方面的应用也更为广泛。Leutenegger等[18]在临床研究中通过LDI技术对烧伤患者的皮肤微循环和皮瓣重建手术后皮瓣恢复情况进行监测，指导临床医师进一步优化治疗方案。La Hei等[19]运用LDI监测烧伤儿童伤口的微循环参数，对预测该类患者的伤口愈合情况具有一定的参考价值。Murray等[20]在文章中提到，LDI技术广泛应用于烧伤、皮炎、皮肤溃疡及多种风湿性疾病患者的微循环监测，便于临床医师更好地了解各疾病发病机制及指导临床治疗。

4近红外线光谱成像技术

4.1近红外线光谱成像(near-infrared spectroscopy imging，NIRS)的基本原理NIRS技术是基于光子吸收的Lambert-Beer定律和光子散射理论，利用光纤传导检测系统对血氧饱和度进行无创检测的微循环监测技术。具体过程为：由发光二级管(波长分别为700 nm和830 nm)发出光源，经光纤传导照射入皮肤；被皮肤反射回来的部分光由光纤传导至探测器输出信号，最后经放大和模/数转换器采样，通过计算即可得到氧合血红蛋白、血红蛋白和血容量变化情况，提供机体微循环的信息。

4.2NIRS技术的优缺点其优点在于组织穿透性好、分析速度快、分辨率高，可以无损、实时、连续监测组织内氧含量。该技术没有像核磁共振的强磁场或者射频脉冲的参与，减轻了对人体的伤害。由于婴幼儿无法长时间保持静止状态，而该技术受运动伪像的影响较小，因此在进行婴幼儿的微循环监测方面具有一定的优势[21]。其不足之处有：该技术在监测脑组织微循环时，只能探测皮质表面的微循环，不能对皮质深部或者皮质下的微循环进行监测。

4.3NIRS技术的应用NIRS技术最早应用于1977年监测活体内肌肉组织和其他组织的氧水平。Shapiro等[22]应用NIRS技术对组织血氧饱和度进行监测，对评估脓毒性休克患者发生脏器功能障碍以及死亡的危险性有指导作用。另外，NIRS技术结合血管阻断实验可以评估脓毒性休克患者的内皮细胞功能、微循环容量及自动调节能力[22]。

5脉搏血氧测定监测技术

5.1脉搏血氧测定监测技术的工作原理该技术通过测定机体的血氧饱和度和脉率来反映微循环的灌注情况。脉搏血氧测定包括分光光度测定和血液容积描记两部分，其中更常用的是血液容积描记。血液容积描记的基本原理为：光束照射到皮肤深处的毛细血管，被流动血流散射回的部分光线通过透镜至光敏传感器，进一步将光信号转换为电信号，电信号的强弱取决于给定区域的总血流量，血红蛋白含量越高，吸收光线总量越高，最后转换后的不同电信号可反映机体微循环[17]。

5.2脉搏血氧测定监测技术的优缺点与上述几种技术相比，脉搏血氧测定是一种设备简单、费用低的监测微循环技术。其也存在一定的局限性：测量的精确度不高；脉搏血氧测定监测技术无法及时反映机体实际已发生的急性低氧血症变化；脉搏血氧测定的结果也受多种不同因素的影响(如强光环境、测量部位、受试者的抖动、患者体温，血管收缩和心脏功能的异常等)。

5.3脉搏血氧测定监测技术的应用由于该技术实时、连续、定量反映血流微循环灌注情况，因此具有一定的临床应用价值。Lima等[23]通过脉搏血氧测定监测外周灌注指数，进而反映成人重症患者的外周循环情况；De Felice等[24]应用该技术对择期剖宫产术前的孕妇进行微循环监测，提示无创脉搏血氧测定可作为产前评估高危胎儿或新生儿发病率的一个重要指标；Granelli和Östman Smith[25]通过对右心梗阻性疾病新生儿进行脉搏血氧测定，提示脉搏血氧测定可能成为早期诊断右心梗阻性疾病的新工具。

6其他微循环监测技术

除上述技术外，还有很多其他应用于临床的微循环监测技术。如动态增强对比磁共振成像技术[26]、医疗光谱技术[27]、激光扫描共聚焦显微镜技术、光学相干体层摄影术、经皮血气监测及吲哚青绿微血管造影技术等都是应用于临床微循环监测的技术，为临床疾病的诊治提供一定的技术支持。

7小结

以上各种微循环监测技术均为无创、便捷、可视的持续性微循环监测技术。目前已经广泛用于存在心、脑、肾等重要脏器功能障碍的多种疾病患者的微循环监测，对于临床疾病的发病机制及病理生理发展过程的理解具有一定的指导价值，为临床治疗提供了新的方向。但是,各种技术都存在局限性，如监测结果易受外界因素的影响；对监测数据解释困难；OPS和SDF技术的数据分析仍为半定量式和复杂耗时；以及微循环的多变性和不均一性等，这些都要求临床医师在应用这些技术时密切结合临床情况对观察结果进行分析。相信随着技术的不断改进，尤其是当前对微循环和大循环关系的不断深入研究，微循环监测技术将在临床医学中发挥更大的作用。

参考文献

[1]Pahernik S,Harris AG,Schmitt-Sody M,etal.Orthogonal polarisation spectral imaging as a new tool for the assessment of antivascular tumour treatment in vivo：a validation study [J].Br J Cancer,2002,86(10):1622-1627.

[2]Cerny V,Turek Z,Parízková R.Orthogonal polarization spectral imaging[J].Physiol Res,2007,56(2):141-147.

[3]Verdant C,De Backer D.How monitoring of the microcirculation may help us at the bedside [J].Curr Opin Crit Care,2005,11(3):240-244.

[4]Boerma EC,van der Voort PH,Spronk PE,etal.Relationship between sublingual and intestinal microcirculatory perfusion in patients with abdominal sepsis[J].Crit Care Med,2007,35(4):1055-1060.

[5]Dubin A,Edul VS,Pozo MO,etal.Persistent villi hypoperfusion explains intramucosal acidosis in sheep endotoxemia[J].Crit Care Med,2008,36(2):535-542.

[6]唐雪,王瑞兰.手持式正交偏振光谱和侧流暗视野成像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(6c):2110-2112.

[7]Nivoit P,Chevrier AM,Lagarde M,etal.Noninvasive orthogonal polarization spectral imaging as applied to microvascular studies in mice[J].Exp Diabesity Res,2004,5(3):211-217.

[8]Ince C.The microcirculation is the motor of sepsis[J].Crit Care,2005,9(Suppl 4):S13-19.

[9]Spronk PE,Ince C,Gardien MJ,etal.Nitroglycerin in septic shock after intravascular volume resuscitation[J].Lancet,2002,360(9343):1395-1396.

[10]Sakr Y,Dubois MJ,De Backer D,etal.Persistent microcirculatory alteratios are associated with organ failure and death in patients with septic shock[J].Crit Care Med,2004,32(9):1825-1831.

[11]Goedhart PT,Khalilzada M,Bezemer R,etal.Sidestream Dark Field(SDF) imaging:a novel stroboscopic LED ring-based imaging modality for clinical assessment of the microcirculation[J].Opt Express,2007,15(23):15101-15114.

[12]Sitina M,Turek Z,Paízková R,etal.In situ assessment of brain microcirculaton in mechanically-ventilated rabbits using sidestream dark-field(SDF) imaging [J].Physiol Res,2011,60(1):75-81.

[13]Milstein DM,Lindeboom JA,Ince C.Intravital sidestream dark-eld (SDF) imaging is used in rabbit model for continuous noninvasive monitoring and quanti cation of mucosal capillary regeneration during wound healing in the oral cavity:a pilot study [J].Arch Oral Biol,2010,55(5):343-349.

[14]Milstein DM,te Boome LC,Cheung YW,etal.Use of sidestream dark-eld (SDF) imaging for assessing the effects of high-dose melphalan and autologous stem cell transplantation on oral mucosal microcirculation in myeloma patients [J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod,2010,109(1):91-97.

[15]Peeters W,Anthonissen M,Deliaert A,etal.A comparison between laser-doppler imaging and colorimetry in the assessment of scarring:″a pilot study″[J].Skin Res Technol,2012,18(2):188-191.

[16]Ozbebit FY,Esen F,Güleç S,etal.Evaluation of forearm microvascular blood flow regulation by laser Doppler flowmetry,iontophoresis,and curve analysis:contribution of axon reflex[J].Microvasc Res,2004,67(3):207-214.

[17]McGill DJ,Sørensen K,MacKay IR,etal.Assessment of burn depth:a prospective,blinded comparison of laser doppler imaging and videomicroscopy [J].Burns,2007,33(7):833-842.

[18]Leutenegger M,Martin-Williams E,Harbi P,etal.Real-time full field laser Doppler imaging [J].Biomed Opt Express,2011,2(6):1470-1477.

[19]La Hei ER,Holland AJ,Martin HC.Laser Doppler imaging of paediatric burns:Burn wound outcome can be predicted independent of clinical examination [J].Burns,2006,32(5):550-553.

[20]Murray AK,Herrick AL,King TA.Laser Doppler imaging:a developing technique for application in the rheumatic diseases [J].Rheumatology(Oxford),2004,43(10):1210-1218.

[21]Gervain J,Mehler J,Werker JF,etal.Near-infrared spectroscopy:A report from the McDonnell infant methodology consortium [J].Dev Cogn Neurosci,2011,1(1):22-46.

[22]Shapiro NI,Arnold R,Sherwin R,etal.The association of near-infrared spectroscopy-derived tissue oxygenation measurements with sepsis syndromes,organ dysfunction and mortality in emergency department patients with sepsis [J].Crit Care,2011,15(5):R223.

[23]Lima AP,Beelen P,Bakker J.Use of a peripheral perfusion index derived from the pulse oximetry signal as a noninvasive indicator of perfusion[J].Crit Care Med,2002,30(6):1210-1213.

[24]De Felice C,Leoni L,Tommasini E,etal.Maternal pulse oximetry perfusion index as a predictor of early adverse respiratory neonatal outcome after elective cesarean delivery[J].Pediatr Crit Care Med,2008,9(2):203-208.

[25]Granelli Ad,Östman-Smith I.Noninvasive peripheral perfusion index as a possible tool for screening for critical left heart obstruction[J].Acta Paediatr,2007,96(10):1455-1459.

[26]Hillengass J,Wasser K,Delorme S,etal.Lumbar Bone marrow microcirculation measurements from dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging is a predictor of event-free survival in progressive multiple myeloma[J].Clin Cancer Res,2007,13(2 Pt 1):475-481.

[27]Khaodhiar L,Dinh T,Schomacker KT,etal.The use of medical hyperspectral technology to evaluate microcirculatory changes in diabetic foot ulcers and to predict clinical outcomes[J].Diabetes Care,2007,30(4):903-910.

摘要：正常的血流灌注是保证人体生理功能的一个必要条件。活体微循环的监测对于了解脏器功能、诊治疾病、研究疾病机制和药物治疗效果有重要的作用。该文就几种活体微循环监测技术，如正交偏振光谱技术、侧流暗视野成像技术、激光多普勒成像技术、近红外线光谱成像技术、脉搏血氧测定监测技术等近年来的主要研究进展予以综述。

关键词：正交偏振光谱技术；侧流暗视野成像技术；激光多普勒成像技术；近红外线光谱成像技术；脉搏血氧测定监测技术

The Research Progress of Microcirculation Monitoring TechnologyGUNi-na,ZHANGDan.(DepartmentofEmergencyandIntensiveCareMedicine,theFirstAffiliatedHospitalofChongqingMedicalUniversity,Chongqing400016，China)

Abstract:Normal blood flow perfusion guarantees the necessary conditions of the human physiological function.The living microcirculation monitoring is a major means in understanding each visceral function,making diagnoses,studying disease mechanism and drug therapeutic effect.In this review we describe the recent progress in several living microcirculation observation technologies,such as Orthogonal Polarization Spectral(OPS) Imaging technology,Sidestream Dark Field(SDF) technology,Laser Doppler Imaging(LDI) technology,Near-infrared Spectroscopy Imaging(NIRS) technology,pulse blood oxygen monitoring technology,etc.

Key words:Orthogonal polarization spectral imaging technology; Sidestream dark field technology; Laser Doppler imaging technology; Near-infrared spectroscopy imaging technology; Pulse blood oxygen monitoring technology

收稿日期:2014-01-13修回日期:2014-05-19编辑:郑雪

基金项目：国家自然科学基金面上项目(81071531)；2009年重庆市自然科学基金面上项目(CSTC 2009BB5066)；2009年重庆医科大学附属第一医院医学科学基金(XYJJ2009-11)

中图分类号：R319
doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.05.039

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)05-0873-03