高分辨激光血流成像技术在微循环研究的应用

       激光血流成像技术主要包括激光多普勒和激光散斑成像两种类型技术，分别运用不同的光学原理监测微循环血流变化和血管形态等技术指标。激光多普勒分为接触式单点血流监测和非接触扫描式血流成像监测两种方式；相对于激光多普勒技术，激光散斑血流成像技术具有非接触、无创伤、快速成像等优点，非常适合进行微循环血流的监测，可实时快速测量血流灌注量、血流流速血管形态结构、血管管径、血管角度等微循环参数。

       在微循环血流监测中，激光多普勒技术已经非常成熟，而目前激光多普勒血流监测的应用都可以为激光散斑血流成像技术所替代，并且后者具有高时间和空间分辨率的全视场测量优势。应用激光散斑血流成像技术，科研工作者和临床医生通过监测得到微循环血管血流参数以评估血管的结构、微循环功能以及代谢活动，可以研究缺血、缺氧、中风、炎症、水肿、出血、过敏、休克、肿瘤、烧伤、冻伤、放射损伤等病理过程中微循环改变的规律及其病理机制，对科学研究、疾病诊断、病情分析和救治措施都具有重要的意义。

       激光散斑血流成像技术的原理为观察目标受到激光束照射时，反射后的激光形成随机干扰图像（包括亮区和暗区），该图像称为激光散斑图。如果被测目标静止，激光散斑图保持不变；如果被测物体发生移动，例如组织中的红细胞运动，则激光散斑图会随之波动。散斑变化速度以散斑对比度量化，而对比度与血流相关；这就是激光散斑血流成像的基本工作原理。

       激光散斑血流成像技术能够实时直观地观察皮下血管结构和血流变化并评估其功能，在生物医学基础研究的典型应用如监测脑缺血、缺氧、出血、中风等疾病模型和针灸、炎症、水肿、过敏以及各种损伤状态下的血流变化，还可以监测肠系膜血流、淋巴流、皮肤微循环的微循环血管血流指标。

基础研究案例：小鼠大脑中风模型建立前后的血流变化

基础医学研究案例——小鼠肠系膜给药前后的微循环血流监测

基础医学研究案例——小鼠MCAO模型建立前后的脑皮层血流变化

       激光散斑血流成像技术的应用远远不止上述的这些，在很多的基础医学研究方面还可以结合其他技术产生更多的应用场景，比如经颅磁刺激（TMS）和经颅超声脑刺激技术等。经颅超声脑刺激技术是近几年发展起来的一种新的脑调控方法，该技术透过完整的颅骨传递低强度超声能量，对神经元产生生物机械效应，从而无创地调控大脑的神经活动。基于激光散斑成像技术研究经颅超声刺激对小鼠局部脑血流的影响作用，整个实验大致过程：在麻醉状态下，使用超声对小鼠的丘脑进行刺激，并对其大脑皮层躯体感知区域进行连续成像，用激光散斑血流成像仪监测小鼠在丘脑受到超声刺激时，皮层对应区域的局部脑血流响应。

       实验过程中使用超声对小鼠丘脑进行刺激，利用激光散斑成像技术共监测了15只小鼠的躯体感知皮层的血流变化情况，得到其不同直径的动、静脉血流分布情况以及其随时间的变化情况。分析激光散斑成像的血流图，就能够监测小鼠躯体感知皮层所有的血流活动。由分析的结果可知，使用经颅超声刺激的小鼠的丘脑，能够改变小鼠躯体感知皮层血流的运动情况，加快躯体感知皮层的血流流速。

       武汉光电国家实验室的研究团队经过多年的原创研发和技术积累，近年来在世界范围内激光散斑衬比分析成像（LSCI）技术，进一步开发出高分辨激光血流成像仪器，在获得更大视场范围的同时，还将空间分辨率提升了5倍。该激光血流成像仪能够实时直观地观察皮下毛细血管结构和细微血流变化并评估其功能，不仅可了解正常的活体器官生理，而且对观察各类疾病中微血管功能障碍进展与神经退行性变之间的关系也至关重要。

       激光散斑血流成像能够观察皮下的血管和血流，如果想观察更深的血管和血流图像，那么完整颅骨将是主要障碍。在很多动物实验中都需要开颅手术以进行相关的成像观察，为了克服这一障碍，科研工作者们开发出几种类型的颅窗，包括磨薄颅窗、开颅手术和磨薄加固颅窗等。这些颅窗在某些情况下满足研究要求，但也会带来诸多问题：1、在颅骨窗变薄的情况下，很难进行大面积重复成像；2、开颅手术几乎不可避免地会导致皮质损伤和炎症；3、至于磨薄加固颅窗操作复杂且也会造成损伤。

       武汉光电国家实验室开发的活体光透明技术，通过在颅骨和皮肤上进行活体组织光透明，可直接进行大小鼠深部血管和血流成像，无需开颅也不会对颅骨造成损伤，不但提升了激光散斑血流成像深度，而且还提升了分辨率。大量实验结果表明活体光透明后的激光血流成像的结果更清晰，背景也更为“清澈”。

       武汉光电国家实验室的研究团队将高分辨激光血流成像技术和活体光透明技术进行有效结合，解决了以往传统方法带来诸多的问题，在微循环血流研究方面具有重大意义。目前该系列技术已经广泛应用于活体微循环血流的相关研究中，发表了多篇在国际上都极具影响力的文章，极大促进了该系列技术在科研和医学研究的应用。