使用OMAG監(jiān)測人體皮膚組織中血管灌注對外部壓力的應(yīng)答情況
在檢查壓力引起的組織微循環(huán)障礙時，明確外壓和血流之間關(guān)系非常重要。來自華盛頓大學的Woo June Choi等人使用光學相干斷層掃描微血管造影（OMAG）評估了人甲襞受外力發(fā)生的血液灌注變化。對逐級壓力和壓力解除后毛細血管的灌注情況進行了可視化和量化，結(jié)合組織應(yīng)變圖，評估了微循環(huán)響應(yīng)與所施加壓力的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著壓力的不斷增加，血流灌注逐漸減少。壓力移除后發(fā)生反應(yīng)性充血，幾分鐘后灌注恢復到基線水平。表明OMAG可以用于定量評估體內(nèi)組織微循環(huán)的局部壓迫情況，為臨床疾病中微循環(huán)相關(guān)研究提供了新的方法。研究成果以“Optical coherence tomography microangiography formonitoring the response of vascular perfusion to external pressure on humanskin tissue”為題發(fā)表于Journal of Biomedical Optics。
光學相干斷層掃描（OCT）是一種非侵入性的光學成像方式，能夠提供具有微米分辨率的活體組織的三維斷層圖像，已被用于體內(nèi)組織內(nèi)的血液灌注成像。光學相干斷層掃描微血管造影（OMAG）技術(shù)利用血管腔中運動紅細胞的動態(tài)散射特性，不僅能夠?qū)⑵渑c血管周圍靜止組織的靜態(tài)散射區(qū)別出來，同時還避免了外源性造影劑可能產(chǎn)生的影響。研究人員以O(shè)MAG為基礎(chǔ)開發(fā)出了很多擴展技術(shù)，如相位差OCT、散斑差OCT（svOCT）、cmOCT和超高靈敏度OMAG （UHS-OMAG）。結(jié)合以上方法，研究人員已經(jīng)對大腦和眼睛等的微循環(huán)進行了多項探究。
本研究的目的是證明OMAG在研究外部施加壓力對皮膚血管灌注的影響方面的能力。OMAG的三維微血管成像能提供定性和定量信息，反映出局部區(qū)域內(nèi)的血流對不同壓力水平的反應(yīng)。已有研究使用OMAG探究小動物視網(wǎng)膜中的壓力-流量關(guān)系，但迄今為止還沒有報道證明其在人體皮膚組織活體研究的可行性。研究招募了一名健康志愿者，通過控制位于甲襞上方的玻片位移變化實現(xiàn)施加壓力變化，位移范圍為0-200 μm，根據(jù)已有經(jīng)驗200 μm是甲襞中毛細血管流動完全阻塞的最小位移。對整個施力和移除后階段進行三維結(jié)構(gòu)和脈管系統(tǒng)成像，結(jié)合應(yīng)力變化情況，探究微循環(huán)對壓力的變化。
圖3為無壓力（基線）的甲襞活體微脈管成像圖。成像區(qū)域為左手第四個手指方框內(nèi)，尺寸2 mm × 2 mm）。圖3b為典型的橫斷面OCT圖像，可見甲襞的結(jié)構(gòu)特征，如表皮、真皮、甲根和甲基質(zhì)。在對應(yīng)的橫斷面mOMAG圖像中（圖3c），可見許多代表毛細血管灌注的明亮信號。mOMAG覆蓋的結(jié)構(gòu)圖像（圖3d）可以識別出真皮層中的毛細血管。在圖3（f）中，可清晰觀察到發(fā)夾狀毛細血管環(huán)（箭頭）沿著角質(zhì)層規(guī)律排列，這是健康甲襞毛細血管的典型特征。
圖3 無壓力下正常人甲襞的活體微血管成像。（a）左手第四個手指甲襞成像區(qū)域的照片。（b）橫斷面（XZ） OCT結(jié)構(gòu)圖像，EP:表皮，D:真皮，NM:指甲基質(zhì)，NR:指甲根部。（c）相應(yīng)的橫截面毛細血管流動圖像（mOMAG圖像）。（d）覆蓋了mOMAG圖像的甲襞結(jié)構(gòu)圖像。（e和f）同一位置的甲襞結(jié)構(gòu)和脈管系統(tǒng)的正面（XY）MIP處理圖像。其中的水平白線分別表示（b）和（c）中的橫截面。比例尺500 μm。
02-逐級施加外壓情況下人體甲襞的微血管成像
隨著施壓玻片位移變化，毛細血管灌注變化情況如圖4所示，均為正面血管造影成像圖。在位移Z=50μm時（圖4b），與基線相比，在毛細血管環(huán)的近端區(qū)域中部（白色圓圈）觀察到信號丟失，表明由于組織結(jié)構(gòu)受壓，其下血管阻塞導致血流停止。此外值得注意的是施加壓力后觀察到有周邊毛細血管流量增加和新毛細血管出現(xiàn)（圖4b箭頭所示）。已知在正常組織狀態(tài)中存在儲備血管，但沒有血流或以最低血流量形式存在。因此這可以解釋為血流分流到了臨近血管中，導致分流血管中的流量增加，同時儲備毛細血管也因而起到了分流作用。隨著玻片位移從100 μm增加到150μm，血管被閉塞的面積也越來越大（圖4c和d）。在玻片位移200μm處時，整個毛細血管網(wǎng)完全閉塞（圖4e）。在解除閉塞時毛細血管發(fā)生再灌注，且灌注水平顯著高于閉塞前（圖4f），表明出現(xiàn)反應(yīng)性充血。在壓力解除2 min后，毛細血管灌注恢復，但仍高于基線水平（圖4g，h）。研究人員同時還對甲襞進行了實時B-mode OCT成像以直觀地觀察血液動力學，成像結(jié)果清楚地展示了按壓過程中甲襞結(jié)構(gòu)和血液灌注隨時間推移的變化情況。
圖6為玻片位移對應(yīng)的應(yīng)力圖。研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變位置與發(fā)生毛細管堵塞的位置相同，應(yīng)變范圍隨玻片位移從50μm到200μm增加而擴大（圖6b-d）。在圖6（c）和6（d）中，有趣的是，壓力分布是由外周毛細血管的血液供應(yīng)中斷引起的，導致隨后沒有收到外部壓力的毛細血管環(huán)路血流也停止（圖4c，d）。在發(fā)生完全血管閉塞的Z=200 μm位移處（圖6e），成像區(qū)域上的壓力最大。壓力移除后形變的皮膚組織立即恢復，可以觀察到應(yīng)力反應(yīng)顯著降低（圖6f），但仍存在殘余應(yīng)力反應(yīng)，隨后甲襞形變可基本恢復到基線水平�？梢缘贸鼋Y(jié)論，施加壓力引起的血流應(yīng)答與應(yīng)變情況具有一致性。
本研究存在一些局限性，如無法確定組織上的實際壓力分布、對于毛細血管內(nèi)血流的定量估計不穩(wěn)定。但它實現(xiàn)了首次使用OMAG技術(shù)來研究體外壓力對人體皮膚組織血管灌注的影響，其成像結(jié)果與激光多普勒測量報告的結(jié)果非常一致。此外OMAG足夠敏感，能夠檢測施加壓力時皮膚灌注的細微變化，因此在需要評估與組織微循環(huán)功能障礙相關(guān)的壓力-灌注關(guān)系障礙研究中，OMAG可能發(fā)揮出非常大的作用。
參考文獻：Woo, et al. "Optical coherence tomography microangiography for monitoring the response of vascular perfusion to external pressure on human skin tissue." Journal of Biomedical Optics 19.5(2014):56003-56003.
研究背景
光學相干斷層掃描（OCT）是一種非侵入性的光學成像方式，能夠提供具有微米分辨率的活體組織的三維斷層圖像，已被用于體內(nèi)組織內(nèi)的血液灌注成像。光學相干斷層掃描微血管造影（OMAG）技術(shù)利用血管腔中運動紅細胞的動態(tài)散射特性，不僅能夠?qū)⑵渑c血管周圍靜止組織的靜態(tài)散射區(qū)別出來，同時還避免了外源性造影劑可能產(chǎn)生的影響。研究人員以O(shè)MAG為基礎(chǔ)開發(fā)出了很多擴展技術(shù)，如相位差OCT、散斑差OCT（svOCT）、cmOCT和超高靈敏度OMAG （UHS-OMAG）。結(jié)合以上方法，研究人員已經(jīng)對大腦和眼睛等的微循環(huán)進行了多項探究。
本研究的目的是證明OMAG在研究外部施加壓力對皮膚血管灌注的影響方面的能力。OMAG的三維微血管成像能提供定性和定量信息，反映出局部區(qū)域內(nèi)的血流對不同壓力水平的反應(yīng)。已有研究使用OMAG探究小動物視網(wǎng)膜中的壓力-流量關(guān)系，但迄今為止還沒有報道證明其在人體皮膚組織活體研究的可行性。研究招募了一名健康志愿者，通過控制位于甲襞上方的玻片位移變化實現(xiàn)施加壓力變化，位移范圍為0-200 μm，根據(jù)已有經(jīng)驗200 μm是甲襞中毛細血管流動完全阻塞的最小位移。對整個施力和移除后階段進行三維結(jié)構(gòu)和脈管系統(tǒng)成像，結(jié)合應(yīng)力變化情況，探究微循環(huán)對壓力的變化。
圖1 （a）OCT系統(tǒng)。（b）探頭-皮膚界面示意圖。
結(jié)果與討論
圖3為無壓力（基線）的甲襞活體微脈管成像圖。成像區(qū)域為左手第四個手指方框內(nèi)，尺寸2 mm × 2 mm）。圖3b為典型的橫斷面OCT圖像，可見甲襞的結(jié)構(gòu)特征，如表皮、真皮、甲根和甲基質(zhì)。在對應(yīng)的橫斷面mOMAG圖像中（圖3c），可見許多代表毛細血管灌注的明亮信號。mOMAG覆蓋的結(jié)構(gòu)圖像（圖3d）可以識別出真皮層中的毛細血管。在圖3（f）中，可清晰觀察到發(fā)夾狀毛細血管環(huán)（箭頭）沿著角質(zhì)層規(guī)律排列，這是健康甲襞毛細血管的典型特征。
圖3 無壓力下正常人甲襞的活體微血管成像。（a）左手第四個手指甲襞成像區(qū)域的照片。（b）橫斷面（XZ） OCT結(jié)構(gòu)圖像，EP:表皮，D:真皮，NM:指甲基質(zhì)，NR:指甲根部。（c）相應(yīng)的橫截面毛細血管流動圖像（mOMAG圖像）。（d）覆蓋了mOMAG圖像的甲襞結(jié)構(gòu)圖像。（e和f）同一位置的甲襞結(jié)構(gòu)和脈管系統(tǒng)的正面（XY）MIP處理圖像。其中的水平白線分別表示（b）和（c）中的橫截面。比例尺500 μm。
02-逐級施加外壓情況下人體甲襞的微血管成像
隨著施壓玻片位移變化，毛細血管灌注變化情況如圖4所示，均為正面血管造影成像圖。在位移Z=50μm時（圖4b），與基線相比，在毛細血管環(huán)的近端區(qū)域中部（白色圓圈）觀察到信號丟失，表明由于組織結(jié)構(gòu)受壓，其下血管阻塞導致血流停止。此外值得注意的是施加壓力后觀察到有周邊毛細血管流量增加和新毛細血管出現(xiàn)（圖4b箭頭所示）。已知在正常組織狀態(tài)中存在儲備血管，但沒有血流或以最低血流量形式存在。因此這可以解釋為血流分流到了臨近血管中，導致分流血管中的流量增加，同時儲備毛細血管也因而起到了分流作用。隨著玻片位移從100 μm增加到150μm，血管被閉塞的面積也越來越大（圖4c和d）。在玻片位移200μm處時，整個毛細血管網(wǎng)完全閉塞（圖4e）。在解除閉塞時毛細血管發(fā)生再灌注，且灌注水平顯著高于閉塞前（圖4f），表明出現(xiàn)反應(yīng)性充血。在壓力解除2 min后，毛細血管灌注恢復，但仍高于基線水平（圖4g，h）。研究人員同時還對甲襞進行了實時B-mode OCT成像以直觀地觀察血液動力學，成像結(jié)果清楚地展示了按壓過程中甲襞結(jié)構(gòu)和血液灌注隨時間推移的變化情況。
圖6為玻片位移對應(yīng)的應(yīng)力圖。研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變位置與發(fā)生毛細管堵塞的位置相同，應(yīng)變范圍隨玻片位移從50μm到200μm增加而擴大（圖6b-d）。在圖6（c）和6（d）中，有趣的是，壓力分布是由外周毛細血管的血液供應(yīng)中斷引起的，導致隨后沒有收到外部壓力的毛細血管環(huán)路血流也停止（圖4c，d）。在發(fā)生完全血管閉塞的Z=200 μm位移處（圖6e），成像區(qū)域上的壓力最大。壓力移除后形變的皮膚組織立即恢復，可以觀察到應(yīng)力反應(yīng)顯著降低（圖6f），但仍存在殘余應(yīng)力反應(yīng)，隨后甲襞形變可基本恢復到基線水平�？梢缘贸鼋Y(jié)論，施加壓力引起的血流應(yīng)答與應(yīng)變情況具有一致性。
將mOMAG血管造影圖像與相應(yīng)的應(yīng)變圖像疊加，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變分布與血管閉塞區(qū)域重合（圖7a）。研究人員計算了每幅圖像的流量指數(shù)（FI）和平均應(yīng)力值（圖7b），發(fā)現(xiàn)隨應(yīng)力從0到0.072增加，F(xiàn)I逐漸降低。在0.018-0.037應(yīng)力間FI發(fā)生顯著的快速下降。當平均應(yīng)力達到0.072時，F(xiàn)I基本為零，即毛細管完全堵塞。在立即解除壓力后（0.012），F(xiàn)I超過0.602，比基線（0.372）增加了62%，在壓力解除后的2 min內(nèi)緩慢下降34%。該壓力-流量曲線與先前使用LDI技術(shù)進行的研究結(jié)果非常相似。
圖7 （a）mOMAG血管造影和對應(yīng)應(yīng)力圖疊加；（b）每次測量的流量指數(shù)和平均應(yīng)力值；
全文小結(jié)
本研究存在一些局限性，如無法確定組織上的實際壓力分布、對于毛細血管內(nèi)血流的定量估計不穩(wěn)定。但它實現(xiàn)了首次使用OMAG技術(shù)來研究體外壓力對人體皮膚組織血管灌注的影響，其成像結(jié)果與激光多普勒測量報告的結(jié)果非常一致。此外OMAG足夠敏感，能夠檢測施加壓力時皮膚灌注的細微變化，因此在需要評估與組織微循環(huán)功能障礙相關(guān)的壓力-灌注關(guān)系障礙研究中，OMAG可能發(fā)揮出非常大的作用。
參考文獻：Woo, et al. "Optical coherence tomography microangiography for monitoring the response of vascular perfusion to external pressure on human skin tissue." Journal of Biomedical Optics 19.5(2014):56003-56003.
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