在檢查壓力引起的組織微循環障礙時，明確外壓和血流之間關系非常重要。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，結合組織應變圖，評估了微循環響應與所施加壓力的關系。結果表明，隨著壓力的不斷增加，血流灌注逐漸減少。壓力移除后發生反應性充血，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組織微循環的局部壓迫情況，為臨床疾病中微循環相關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”為題發表于Journal of Biomedical Optics。

 

研究背景
 

在過去的幾十年里，人們對皮膚微循環對外部壓力的反應越來越感興趣。臨床上認為皮膚血流量相對壓力的變化是評估與糖尿病（DM）相關的血管疾病中微循環障礙的重要指標，此外在殘疾和老年人的護理和治療中，壓瘡也成為一個不容忽視的并發癥。因此表征外部壓力與血流量之間關系，對于理解受壓組織中的血管血流動力學至關重要。以非侵入性和可重復的方式研究壓力-流量關系的光學技術很少。激光多普勒血流計（LDF）是皮膚灌注研究中zuichangyong的技術之一，它基于激光照射時血管中運動的紅細胞（RBCs）散射的光的多普勒頻移，但只能提供單點的血流測量?；诙S圖像傳感器的激光多普勒成像（LDI）技術有望將LDF點測量擴展到正面灌注成像，但由于分辨率有限，它們僅能從整體水平上評估皮膚灌注水平，無法探索由小血管（小動脈和小靜脈）或毛細血管組成的微循環網絡。

 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，已被用于體內組織內的血液灌注成像。光學相干斷層掃描微血管造影（OMAG）技術利用血管腔中運動紅細胞的動態散射特性，不僅能夠將其與血管周圍靜止組織的靜態散射區別出來，同時還避免了外源性造影劑可能產生的影響。研究人員以OMAG為基礎開發出了很多擴展技術，如相位差OCT、散斑差OCT（svOCT）、cmOCT和超高靈敏度OMAG （UHS-OMAG）。結合以上方法，研究人員已經對大腦和眼睛等的微循環進行了多項探究。

 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，反映出局部區域內的血流對不同壓力水平的反應。已有研究使用OMAG探究小動物視網膜中的壓力-流量關系，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施加壓力變化，位移范圍為0-200 μm，根據已有經驗200 μm是甲襞中毛細血管流動*阻塞的最小位移。對整個施力和移除后階段進行三維結構和脈管系統成像，結合應力變化情況，探究微循環對壓力的變化。


 

圖1 （a）OCT系統。（b）探頭-皮膚界面示意圖。
 

圖2 應力計算程序流程圖。（a）發生形變的結構（紅黃線之間）的橫截面OCT結構圖像；（b）甲襞的OCT三維組織結構圖像；（c）b的正面厚度圖；（d）正面應力圖像。

 

結果與討論
 

01-人健康甲襞的結構和微脈管成像
 圖3為無壓力（基線）的甲襞活體微脈管成像圖。成像區域為左手第四個手指方框內，尺寸2 mm × 2 mm）。圖3b為典型的橫斷面OCT圖像，可見甲襞的結構特征，如表皮、真皮、甲根和甲基質。在對應的橫斷面mOMAG圖像中（圖3c），可見許多代表毛細血管灌注的明亮信號。mOMAG覆蓋的結構圖像（圖3d）可以識別出真皮層中的毛細血管。在圖3（f）中，可清晰觀察到發夾狀毛細血管環（箭頭）沿著角質層規律排列，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域的照片。（b）橫斷面（XZ） OCT結構圖像，EP:表皮，D:真皮，NM:指甲基質，NR:指甲根部。（c）相應的橫截面毛細血管流動圖像（mOMAG圖像）。（d）覆蓋了mOMAG圖像的甲襞結構圖像。（e和f）同一位置的甲襞結構和脈管系統的正面（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，在毛細血管環的近端區域中部（白色圓圈）觀察到信號丟失，表明由于組織結構受壓，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（圖4b箭頭所示）。已知在正常組織狀態中存在儲備血管，但沒有血流或以zuidi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*閉塞（圖4e）。在解除閉塞時毛細血管發生再灌注，且灌注水平顯著高于閉塞前（圖4f），表明出現反應性充血。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，成像結果清楚地展示了按壓過程中甲襞結構和血液灌注隨時間推移的變化情況。
 

圖4 甲襞的正面毛細管血管造影照片，顯示了從載玻片接觸甲襞表面的初始位置開始的位移。（a）基線，（b）Z 50μm，（c）Z 100μm，（d）Z 150μm，（e）Z 200μm，（f）Z回到0μm，（g）Z 0μm（壓力釋放后1分鐘），和（h）Z 0μm（壓力釋放后2分鐘）。在初始加載（b）中，觀察到局部毛細血管灌注停止（白色圓圈）?？拷Ｖ沟拿氀艿钠渌艿墓嘧⒃黾樱^），允許保留的毛細血管募集（箭頭）。比例尺:500μm

 圖6為玻片位移對應的應力圖。研究發現應變位置與發生毛細管堵塞的位置相同，應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中斷引起的，導致隨后沒有收到外部壓力的毛細血管環路血流也停止（圖4c，d）。在發生*血管閉塞的Z=200 μm位移處（圖6e），成像區域上的壓力最大。壓力移除后形變的皮膚組織立即恢復，可以觀察到應力反應顯著降低（圖6f），但仍存在殘余應力反應，隨后甲襞形變可基本恢復到基線水平。可以得出結論，施加壓力引起的血流應答與應變情況具有一致性。
 

圖6 甲襞正面應力圖。（a）基線；（b）Z=50 μm，（c）Z=100 μm，（d）Z=150 μm，（e）Z=200 μm，（f）Z回到0 μm，（g）Z=0μm（壓力解除后1 min），（h）Z=0μm（壓力解除后2 min）。比例尺500 μm。

 

將mOMAG血管造影圖像與相應的應變圖像疊加，發現應變分布與血管閉塞區域重合（圖7a）。研究人員計算了每幅圖像的流量指數（FI）和平均應力值（圖7b），發現隨應力從0到0.072增加，FI逐漸降低。在0.018-0.037應力間FI發生顯著的快速下降。當平均應力達到0.072時，FI基本為零，即毛細管*堵塞。在立即解除壓力后（0.012），FI超過0.602，比基線（0.372）增加了62%，在壓力解除后的2 min內緩慢下降34%。該壓力-流量曲線與先前使用LDI技術進行的研究結果非常相似。


 

圖7 （a）mOMAG血管造影和對應應力圖疊加；（b）每次測量的流量指數和平均應力值；

全文小結
 

本文探究了OMAG技術在研究人體甲襞應力反應中的應用性。結果表明，隨著甲襞表面壓力的逐步增加，血液灌注逐漸減少，在平均應力為0.072時達到最?。悖┕嘧?。當壓力解除時，觀察到灌注較正常狀態顯著增加（反應性充血）。通過mOMAG血管造影照片和相應的應變圖進行定性和定量識別，獲得壓力前/后關于甲襞內毛細血管的血液動力學信息。除本文中甲襞外，OMAG方法也適用于一般的皮膚組織部位，特別是上下肢如腳掌，對外部壓力的血流反應對診斷具有重要的臨床意義。此外OMAG可以定量評估糖尿病或壓瘡患者缺血后反應性充血的皮膚反應情況。

 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、對于毛細血管內血流的定量估計不穩定。但它實現了shouci使用OMAG技術來研究體外壓力對人體皮膚組織血管灌注的影響，其成像結果與激光多普勒測量報告的結果非常一致。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功能障礙相關的壓力-灌注關系障礙研究中，OMAG可能發揮出非常大的作用。

 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.