使用OMAG监测人体皮肤组织中血管灌注对外部压力的应答情况

在检查压力引起的组织微循环障碍时，明确外压和血流之间关系非常重要。来自华盛顿大学的Woo June Choi等人使用光学相干断层扫描微血管造影（OMAG）评估了人甲襞受外力发生的血液灌注变化。对逐级压力和压力解除后毛细血管的灌注情况进行了可视化和量化，结合组织应变图，评估了微循环响应与所施加压力的关系。结果表明，随着压力的不断增加，血流灌注逐渐减少。压力移除后发生反应性充血，几分钟后灌注恢复到基线水平。表明OMAG可以用于定量评估体内组织微循环的局部压迫情况，为临床疾病中微循环相关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”为题发表于Journal of Biomedical Optics。

 

研究背景
 

在过去的几十年里，人们对皮肤微循环对外部压力的反应越来越感兴趣。临床上认为皮肤血流量相对压力的变化是评估与糖尿病（DM）相关的血管疾病中微循环障碍的重要指标，此外在残疾和老年人的护理和治疗中，压疮也成为一个不容忽视的并发症。因此表征外部压力与血流量之间关系，对于理解受压组织中的血管血流动力学至关重要。以非侵入性和可重复的方式研究压力-流量关系的光学技术很少。激光多普勒血流计（LDF）是皮肤灌注研究中最常用的技术之一，它基于激光照射时血管中运动的红细胞（RBCs）散射的光的多普勒频移，但只能提供单点的血流测量。基于二维图像传感器的激光多普勒成像（LDI）技术有望将LDF点测量扩展到正面灌注成像，但由于分辨率有限，它们仅能从整体水平上评估皮肤灌注水平，无法探索由小血管（小动脉和小静脉）或毛细血管组成的微循环网络。

光学相干断层扫描（OCT）是一种非侵入性的光学成像方式，能够提供具有微米分辨率的活体组织的三维断层图像，已被用于体内组织内的血液灌注成像。光学相干断层扫描微血管造影（OMAG）技术利用血管腔中运动红细胞的动态散射特性，不仅能够将其与血管周围静止组织的静态散射区别出来，同时还避免了外源性造影剂可能产生的影响。研究人员以OMAG为基础开发出了很多扩展技术，如相位差OCT、散斑差OCT（svOCT）、cmOCT和超高灵敏度OMAG （UHS-OMAG）。结合以上方法，研究人员已经对大脑和眼睛等的微循环进行了多项探究。

本研究的目的是证明OMAG在研究外部施加压力对皮肤血管灌注的影响方面的能力。OMAG的三维微血管成像能提供定性和定量信息，反映出局部区域内的血流对不同压力水平的反应。已有研究使用OMAG探究小动物视网膜中的压力-流量关系，但迄今为止还没有报道证明其在人体皮肤组织活体研究的可行性。研究招募了一名健康志愿者，通过控制位于甲襞上方的玻片位移变化实现施加压力变化，位移范围为0-200 μm，根据已有经验200 μm是甲襞中毛细血管流动完全阻塞的最小位移。对整个施力和移除后阶段进行三维结构和脉管系统成像，结合应力变化情况，探究微循环对压力的变化。

 

图1 （a）OCT系统。（b）探头-皮肤界面示意图。
 

图2 应力计算程序流程图。（a）发生形变的结构（红黄线之间）的横截面OCT结构图像；（b）甲襞的OCT三维组织结构图像；（c）b的正面厚度图；（d）正面应力图像。

 

结果与讨论
 

01-人健康甲襞的结构和微脉管成像

图3为无压力（基线）的甲襞活体微脉管成像图。成像区域为左手第四个手指方框内，尺寸2 mm × 2 mm）。图3b为典型的横断面OCT图像，可见甲襞的结构特征，如表皮、真皮、甲根和甲基质。在对应的横断面mOMAG图像中（图3c），可见许多代表毛细血管灌注的明亮信号。mOMAG覆盖的结构图像（图3d）可以识别出真皮层中的毛细血管。在图3（f）中，可清晰观察到发夹状毛细血管环（箭头）沿着角质层规律排列，这是健康甲襞毛细血管的典型特征。

图3 无压力下正常人甲襞的活体微血管成像。（a）左手第四个手指甲襞成像区域的照片。（b）横断面（XZ） OCT结构图像，EP:表皮，D:真皮，NM:指甲基质，NR:指甲根部。（c）相应的横截面毛细血管流动图像（mOMAG图像）。（d）覆盖了mOMAG图像的甲襞结构图像。（e和f）同一位置的甲襞结构和脉管系统的正面（XY）MIP处理图像。其中的水平白线分别表示（b）和（c）中的横截面。比例尺500 μm。

02-逐级施加外压情况下人体甲襞的微血管成像

随着施压玻片位移变化，毛细血管灌注变化情况如图4所示，均为正面血管造影成像图。在位移Z=50μm时（图4b），与基线相比，在毛细血管环的近端区域中部（白色圆圈）观察到信号丢失，表明由于组织结构受压，其下血管阻塞导致血流停止。此外值得注意的是施加压力后观察到有周边毛细血管流量增加和新毛细血管出现（图4b箭头所示）。已知在正常组织状态中存在储备血管，但没有血流或以最低血流量形式存在。因此这可以解释为血流分流到了临近血管中，导致分流血管中的流量增加，同时储备毛细血管也因而起到了分流作用。随着玻片位移从100 μm增加到150μm，血管被闭塞的面积也越来越大（图4c和d）。在玻片位移200μm处时，整个毛细血管网完全闭塞（图4e）。在解除闭塞时毛细血管发生再灌注，且灌注水平显著高于闭塞前（图4f），表明出现反应性充血。在压力解除2 min后，毛细血管灌注恢复，但仍高于基线水平（图4g，h）。研究人员同时还对甲襞进行了实时B-mode OCT成像以直观地观察血液动力学，成像结果清楚地展示了按压过程中甲襞结构和血液灌注随时间推移的变化情况。
 

图4 甲襞的正面毛细管血管造影照片，显示了从载玻片接触甲襞表面的初始位置开始的位移。（a）基线，（b）Z 50μm，（c）Z 100μm，（d）Z 150μm，（e）Z 200μm，（f）Z回到0μm，（g）Z 0μm（压力释放后1分钟），和（h）Z 0μm（压力释放后2分钟）。在初始加载（b）中，观察到局部毛细血管灌注停止（白色圆圈）。靠近停止的毛细血管的其他血管的灌注增加（箭头），允许保留的毛细血管募集（箭头）。比例尺:500μm

图6为玻片位移对应的应力图。研究发现应变位置与发生毛细管堵塞的位置相同，应变范围随玻片位移从50μm到200μm增加而扩大（图6b-d）。在图6（c）和6（d）中，有趣的是，压力分布是由外周毛细血管的血液供应中断引起的，导致随后没有收到外部压力的毛细血管环路血流也停止（图4c，d）。在发生完全血管闭塞的Z=200 μm位移处（图6e），成像区域上的压力最大。压力移除后形变的皮肤组织立即恢复，可以观察到应力反应显著降低（图6f），但仍存在残余应力反应，随后甲襞形变可基本恢复到基线水平。可以得出结论，施加压力引起的血流应答与应变情况具有一致性。
 

图6 甲襞正面应力图。（a）基线；（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（压力解除后1 min），（h）Z=0μm（压力解除后2 min）。比例尺500 μm。

 

将mOMAG血管造影图像与相应的应变图像叠加，发现应变分布与血管闭塞区域重合（图7a）。研究人员计算了每幅图像的流量指数（FI）和平均应力值（图7b），发现随应力从0到0.072增加，FI逐渐降低。在0.018-0.037应力间FI发生显著的快速下降。当平均应力达到0.072时，FI基本为零，即毛细管完全堵塞。在立即解除压力后（0.012），FI超过0.602，比基线（0.372）增加了62%，在压力解除后的2 min内缓慢下降34%。该压力-流量曲线与先前使用LDI技术进行的研究结果非常相似。


 

图7 （a）mOMAG血管造影和对应应力图叠加；（b）每次测量的流量指数和平均应力值；

全文小结
 

本文探究了OMAG技术在研究人体甲襞应力反应中的应用性。结果表明，随着甲襞表面压力的逐步增加，血液灌注逐渐减少，在平均应力为0.072时达到最小（零）灌注。当压力解除时，观察到灌注较正常状态显著增加（反应性充血）。通过mOMAG血管造影照片和相应的应变图进行定性和定量识别，获得压力前/后关于甲襞内毛细血管的血液动力学信息。除本文中甲襞外，OMAG方法也适用于一般的皮肤组织部位，特别是上下肢如脚掌，对外部压力的血流反应对诊断具有重要的临床意义。此外OMAG可以定量评估糖尿病或压疮患者缺血后反应性充血的皮肤反应情况。

本研究存在一些局限性，如无法确定组织上的实际压力分布、对于毛细血管内血流的定量估计不稳定。但它实现了首次使用OMAG技术来研究体外压力对人体皮肤组织血管灌注的影响，其成像结果与激光多普勒测量报告的结果非常一致。此外OMAG足够敏感，能够检测施加压力时皮肤灌注的细微变化，因此在需要评估与组织微循环功能障碍相关的压力-灌注关系障碍研究中，OMAG可能发挥出非常大的作用。

参考文献：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.