散斑血流成像专题②丨激光散斑成像应用之监测脊髓血流

简介

激光散斑成像技术自20世纪80年代Briers等人提出后逐渐被用于监测人的皮肤、眼底的血流分布等。激光散斑是指当激光照射在相对粗糙（和光的波长相比）的物体表面上，经过不同光程的散射光之间相互干涉，有些地方干涉加强，有些地方干涉削弱，形成的随机干涉图样。这种斑纹与被测表面的结构有关。当被激光照亮的区域经过电荷耦合摄像器件（CCD）成像系统时，产生颗粒状或斑纹状像面散斑，如果散射介质在运动，图像中的每一个象素将产生随时间变化的散斑图样。在时间和空间上的强度变化包含着散射介质的运动信息。激光散斑成像技术通过CCD相机对散斑图样成像，分析由流速引起的空间模糊程度来获得高空间和时间分辨率的二维流速分布图，从而求出相对速度。利用CCD显微测量技术计算血管管径的变化，根据血流速度和管径的变化计算出血流量的变化。激光散斑成像作为一种新的区域性流速监测技术，能够实现在无需扫描的条件下，以较高的空间分辨率（13μm）和时间分辨率（25ms）活体、动态、非接触地监测血流速度、血管管径和血流量的变化，获得血流动力学的多个指标。采用激光散斑成像技术监测大鼠脊髓正常状态和压迫刺激后脊髓背部表面血管内的血流速度和血流量以及血管管径的变化，为脊髓血流动力学的研究提供一种新方法。

动物模型

成年雌性SD大鼠10只，体重（250±20）g。所有大鼠用10％水合氯醛（400mg／kg）腹腔注射麻醉。咬除T10﹑T11椎板，暴露该节段硬脊膜，用于探测脊髓血流动力学的变化。将35g重物通过2.2mm×5.0mm弧形光滑金属垫片压迫于该段脊髓后正中部，时间为5min，制备脊髓压迫刺激模型。

用立体定位仪固定大鼠脊柱，以消除因呼吸所造成的脊柱运动。用电热毯保持大鼠肛温在37～39℃。实验时在暴露的硬脊膜表面不断滴加温热（38℃）的生理盐水，以尽量保持脊髓的正常生理状态。

脊髓血流动力学的监测

利用激光散斑成像系统监测大鼠脊髓血流动力学的变化。

激光散斑成像系统

该系统包括光路和成像系统两部分，光路由氦氖（He-Ne）（λ＝632．8nm，3mW）激光器发出的光束耦合到直径为8mm的光纤束形成；成像系统由带电子耦合器件（CCD）（Pixelfly，PCO COMPU TER OPTICS）相机的变焦体视显微镜（SZ6045TR，OLYMPUS）、图像采集卡与图像采集控制软件、信号分析软件构成。激光散斑成像技术能到达的探测深度大约在500μm～1mm。

Fig1 激光散斑成像系统示意图

图像采集与处理

将制作好的大鼠脊髓模型放在体视显微镜的正下方，调焦，以能够清楚地观察到大鼠脊髓背部为准。先用白光照射大鼠脊髓背部，利用激光散斑成像系统透过硬脊膜获得正常大鼠脊髓背部表面血管的白光图‚再改用激光，透过硬脊膜，由计算机控制在动物模型制作成功后即刻（0min）和10min分别连续采集20帧正常脊髓背部表面血管的原始散斑图像，然后保持大鼠位置不动，施行压迫刺激，10min后再采集20帧原始散斑图像。每帧原始散斑图像大小为640象素×480象素，体视显微镜的放大倍数为1.5倍，激光照射区域面积为4.2mm×3.2mm，CCD曝光时间为20ms。

用Matlab软件对原始的散斑图像进行处理，获得散斑衬比图和各时间点的伪彩色血流图，颜色越红代表相应的流速越快。以0min时的伪彩色血流图为基准，各时间点上的伪彩色血流图与它相比较，通过Matlab软件计算得出正常状态下10min时和压迫刺激后10min时脊髓血流动力学指标变化的百分数。

监测指标

选择大鼠脊髓背部表面正中血管（血管2）及其分支（血管1）和血管旁无明显可见血管区域（原始面积为0．5mm×0．5mm）进行血流动力学的研究，监测血管旁无明显可见血管区域的血流速度（A）、血管1的血流速度（B）、血管2的血流速度（C）、血管2的管径（D）和血管2内血流量（E）的变化。

结果分析

在白光的照射下，利用激光散斑成像系统，可以观察血流的方向。大鼠脊髓T10～T11节段背部表面的可见血管几乎全为静脉。正中的一条粗大血管为脊髓后静脉，其余血管为其分支。

从伪彩色血流图上可以看到：正常状态下10min时，血管2和部分分支血管的颜色与0min相比，颜色略淡，血流速度略慢，而管径无明显变化，可能与手术操作和脊髓失去了正常的体内环境而受外环境的影响有关；脊髓压迫刺激后10min时与正常状态下10min时相比，几乎所有血管颜色明显变淡，血流速度减慢，血管2和部分分支血管的管径也有所缩小，有的小分支血管甚至消失。激光散斑成像系统可以灵敏地监测到脊髓正常状态下和受压迫刺激后血流动力学的变化。

Fig2 大鼠脊髓背部血管图像
A：正常状态下0min时白光照射下血管的分布（×1．5倍）；B：正常状态下0min时伪彩色血流图；C：正常状态下10min时伪彩色血流图；D：压迫刺激后10min时伪彩色血流图

激光散斑成像技术无需注入造影剂，无需扫描，操作简便，可透过硬脊膜或其他一定厚度组织，以较高的空间分辨率（13μm）和时间分辨率（25ms）活体、动态、非接触地监测血流动力学的变化，获得血流速度、血管管径和血流量的多个血流动力学指标，并且能够明显地观察血流方向，从而区分动、静脉。处理后的伪彩色血流图可以直观地观察血流速度的变化和血管的膨胀或收缩，还可以从伪彩色血流图上任意选择感兴趣的区域进行血流动力学的研究。研究脊髓血管形态的方法常用的有扫描电子显微镜法，血管造影法，胶质碳灌注法，它们都需要将动物处死，并且需要扫描或注入外源性物质。而作者利用激光散斑成像系统在白光照射下，可以很容易的活体观察到血流的方向，区分动脉和静脉。激光散斑成像技术可以准确、动态、活体、非接触地监测脊髓血流动力学的变化，直观地观察血管形态和血流速度的改变，为研究实验性脊髓压迫刺激或损伤前后以及药物干预等条件下血流动力学的变化提供了一种确实、可靠的监测手段。

文献引用：

1.Platelet adhesion and arteriolar dilation in the photothrombosis: observation with the rat closed cranial and spinal windows[J]. Mami Ishikawa;;Eiichi Sekizuka;;Chikara Oshio;;Shuzo Sato;;Noriyuki Yamaguchi;;Satoshi Terao;;Kosuke Tsukada;;Haruyuki Minamitani;;Takeshi Kawase.Journal of the Neurological Sciences,2002(1)

2.苏昊,郑启新,骆清铭.激光散斑成像技术监测脊髓血流动力学的实验研究[J].华中科技大学学报(医学版),2009,38(01):106-109.

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