撰稿 | 李東宇，朱  ?（華中科技大學(xué)）

說(shuō)明 | 本文來(lái)自論文作者（課題組）投稿

血流速度，是反映血管功能的重要指標(biāo)，血管功能異常與許多疾病的發(fā)生發(fā)展息息相關(guān)，比如糖尿病、動(dòng)脈硬化、血栓形成等。因此，血流速度變化既是重要的研究靶點(diǎn)，也是重要的臨床指標(biāo)。

激光散斑，是指激光照射在散射介質(zhì)（如流動(dòng)的血細(xì)胞）上產(chǎn)生隨機(jī)干涉而形成的斑紋，通過(guò)對(duì)散斑圖案的分析，即可生成二維流速分布圖。目前，激光散斑成像技術(shù)在血流成像檢測(cè)的研究中發(fā)揮重要作用。

但是，激光散斑成像技術(shù)用于深組織（如皮下）血流分布測(cè)量時(shí)，圖像的分辨率很低，更無(wú)法分辨出單根血管。

這是因?yàn)楝F(xiàn)有激光散斑成像通常都是基于反射式探測(cè)進(jìn)行成像的，當(dāng)激光從組織表面入射到達(dá)血管層之前，需穿過(guò)混濁組織而產(chǎn)生很強(qiáng)的靜態(tài)散斑，甚至?xí)谏w目標(biāo)血管所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)散斑信號(hào)，因此，獲得圖像的“信號(hào)背景比”（信背比）很低。

現(xiàn)有研究中，借助于“手術(shù)窗”或“光透明窗”，激光散斑成像可以在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上獲取高分辨的血流分布圖像。而在人體實(shí)驗(yàn)中，由于無(wú)法隨意開(kāi)窗，往往難以區(qū)分單根血管。

看清血流分布圖

近日，華中科技大學(xué) 朱? 教授課題組通過(guò)改變激光散斑成像的探測(cè)方式，極大地提升了激光散斑成像對(duì)厚組織的成像能力。該團(tuán)隊(duì)采用透射式的探測(cè)方式（如圖1右側(cè)所示），使得源于血管層的動(dòng)態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)于靜態(tài)散斑信息，從而提升了血流探測(cè)的信背比。

圖1 反射式和透射式激光散斑成像系統(tǒng)圖

該成果發(fā)表在 Light: Science & Applications， 題為 Transmissive-detected laser speckle contrast imaging for blood flow monitoring in thick tissue: from Monte Carlo simulation to experimental demonstration。

論文作者利用透射式激光散斑成像，在無(wú)需開(kāi)“窗”的情況下，獲取小鼠不同部位（包括耳朵、背部、腿部、爪子）皮膚/皮下高分辨血流分布圖像（如圖2所示）。

圖2 透射式激光散斑成像可用于監(jiān)測(cè)小鼠血流。（a）該技術(shù)可適用于小鼠耳部、下肢、背部、爪的皮膚/皮下血流分布成像。（b）該技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)小鼠注射擴(kuò)血管藥物后的血流動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

不僅如此，這種基于透射式探測(cè)的激光散斑成像還可以識(shí)別成年人的手指、手掌皮下的單根血管及血流信息，指關(guān)節(jié)中的血管網(wǎng)絡(luò)清晰可見(jiàn)。利用該技術(shù)，還發(fā)現(xiàn)深層血管中的血流速度相比表層而言，對(duì)壓力更敏感、且在壓力消失后恢復(fù)更緩慢（如圖3所示）。采用更長(zhǎng)波段的激光光源，透射式激光散斑成像效果獲得進(jìn)一步提升。

圖3 透射式激光散斑成像可用于“獲取”人手掌和手指的血流分布。（a）該技術(shù)可用于手部多個(gè)部位的血流分布成像。（b）該技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)對(duì)上臂施加壓力后，手部的血流速度變化。

值得一提的是，作者還探究了透射式激光散斑成像用于人體時(shí)所需的激光強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)單次成像對(duì)光功率密度的要求并不高，僅需6 mJ/cm2，這比起臨床激光理療功率還小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此使用該技術(shù)時(shí)不需要擔(dān)心對(duì)人體的損害。

此外，在動(dòng)物和人體實(shí)驗(yàn)前，學(xué)者就通過(guò)蒙特卡羅模擬（名詞解釋>>）預(yù)測(cè)了透射式激光散斑成像相對(duì)于反射式激光散斑成像在厚組織中的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)假體實(shí)驗(yàn)證明透射式激光散斑對(duì)血流速度變化的敏感性更強(qiáng)。

前景展望

成功獲取手部皮下的血流信號(hào)，意味著透射式激光散斑成像技術(shù)可以進(jìn)一步應(yīng)用于其他厚度適宜光線穿透的人體部位，如耳朵、嘴唇、腳趾、腳背，將在諸如糖尿病足潰瘍、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和皮炎等與微循環(huán)相關(guān)疾病、甚至血栓形成或溶栓效果的評(píng)估診斷與研究中發(fā)揮重要作用。

未來(lái)透射式激光散斑成像的優(yōu)化提升，可考慮更長(zhǎng)波段的光源，以此獲取更大的成像深度和更高的成像質(zhì)量，或利用各類算法提升最終的圖像質(zhì)量。未來(lái)可期，低成本、高分辨、完全無(wú)創(chuàng)的透射式激光散斑血流成像技術(shù)，或?qū)⒃谂R床應(yīng)用中大展拳腳！

| 論文信息 |

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

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

監(jiān)制 | 趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

閱讀原文