Light | 透射式激光散斑成像：看清皮下血液流动

撰稿 | 李东宇，朱  䒟（华中科技大学）

说明 | 本文来自论文作者（课题组）投稿

血流速度，是反映血管功能的重要指标，血管功能异常与许多疾病的发生发展息息相关，比如糖尿病、动脉硬化、血栓形成等。因此，血流速度变化既是重要的研究靶点，也是重要的临床指标。

激光散斑，是指激光照射在散射介质（如流动的血细胞）上产生随机干涉而形成的斑纹，通过对散斑图案的分析，即可生成二维流速分布图。目前，激光散斑成像技术在血流成像检测的研究中发挥重要作用。

但是，激光散斑成像技术用于深组织（如皮下）血流分布测量时，图像的分辨率很低，更无法分辨出单根血管。

这是因为现有激光散斑成像通常都是基于反射式探测进行成像的，当激光从组织表面入射到达血管层之前，需穿过混浊组织而产生很强的静态散斑，甚至会掩盖目标血管所产生的动态散斑信号，因此，获得图像的“信号背景比”（信背比）很低。

现有研究中，借助于“手术窗”或“光透明窗”，激光散斑成像可以在实验动物上获取高分辨的血流分布图像。而在人体实验中，由于无法随意开窗，往往难以区分单根血管。

看清血流分布图

近日，华中科技大学 朱䒟 教授课题组通过改变激光散斑成像的探测方式，极大地提升了激光散斑成像对厚组织的成像能力。该团队采用透射式的探测方式（如图1右侧所示），使得源于血管层的动态散斑信号强于静态散斑信息，从而提升了血流探测的信背比。

图1 反射式和透射式激光散斑成像系统图

该成果发表在 Light: Science & Applications， 题为 Transmissive-detected laser speckle contrast imaging for blood flow monitoring in thick tissue: from Monte Carlo simulation to experimental demonstration。

论文作者利用透射式激光散斑成像，在无需开“窗”的情况下，获取小鼠不同部位（包括耳朵、背部、腿部、爪子）皮肤/皮下高分辨血流分布图像（如图2所示）。

图2 透射式激光散斑成像可用于监测小鼠血流。（a）该技术可适用于小鼠耳部、下肢、背部、爪的皮肤/皮下血流分布成像。（b）该技术可用于监测小鼠注射扩血管药物后的血流动态变化过程

不仅如此，这种基于透射式探测的激光散斑成像还可以识别成年人的手指、手掌皮下的单根血管及血流信息，指关节中的血管网络清晰可见。利用该技术，还发现深层血管中的血流速度相比表层而言，对压力更敏感、且在压力消失后恢复更缓慢（如图3所示）。采用更长波段的激光光源，透射式激光散斑成像效果获得进一步提升。

图3 透射式激光散斑成像可用于“获取”人手掌和手指的血流分布。（a）该技术可用于手部多个部位的血流分布成像。（b）该技术可用于监测对上臂施加压力后，手部的血流速度变化。

值得一提的是，作者还探究了透射式激光散斑成像用于人体时所需的激光强度，发现单次成像对光功率密度的要求并不高，仅需6 mJ/cm²，这比起临床激光理疗功率还小几个数量级，因此使用该技术时不需要担心对人体的损害。

此外，在动物和人体实验前，学者就通过蒙特卡罗模拟（名词解释>>）预测了透射式激光散斑成像相对于反射式激光散斑成像在厚组织中的优势，并通过假体实验证明透射式激光散斑对血流速度变化的敏感性更强。

前景展望

成功获取手部皮下的血流信号，意味着透射式激光散斑成像技术可以进一步应用于其他厚度适宜光线穿透的人体部位，如耳朵、嘴唇、脚趾、脚背，将在诸如糖尿病足溃疡、类风湿关节炎和皮炎等与微循环相关疾病、甚至血栓形成或溶栓效果的评估诊断与研究中发挥重要作用。

未来透射式激光散斑成像的优化提升，可考虑更长波段的光源，以此获取更大的成像深度和更高的成像质量，或利用各类算法提升最终的图像质量。未来可期，低成本、高分辨、完全无创的透射式激光散斑血流成像技术，或将在临床应用中大展拳脚！

| 论文信息 |

Li et al. Light: Science & Applications (2021) 10:241

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00682-8

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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