[背景]

激光多普勒是一种无创组织血流检测手段，基于激光遇到血细胞会产生相移的原理。激光多普勒可以给出血流量、血流速度、血细胞浓度，这些参数是从反射光照射光传感器产生的光电流的功率谱里提取出来的。从 20 世纪 80 年代早期开始。相比于超声多普勒，激光多普勒除了无创还可以检测组织的微循环和人情绪激动时血液灌注的快速变化。

[检测原理]


图 1.

当一束激光照射到一小块组织上，光子会被静态或者动态的微粒散射。根据散射角度、波长、被散射物的速度的不同，移动的红细胞会对激光产生不同的相移。 如图 2 所示，速度 ki，频率ω的光子被速度为 V 的红细胞散射，多普勒相移为 Δω=|V||k1-ks|cosβ，k1 是入射波向量，ks 是散射波向量，β是速度向量和散射向量（即 k1-ks）的夹角，β是散射角，λ是散射光的平均波长，则多普勒相移为Δω=2(2π/λ)|v|sin(α/2)cosβ。在血液中激光会经过多次反射、微血管走向有任意性，所以光会有一定范围内的相移。


图 2. 速度 ki，频率ω的光子被速度为 V 的红细胞散射 ^[1]

经过相移后的激光与没经过相移的激光在探头处相干产生斑点干涉纹，从而产生交流电 (AC)，用直流电的平方 (DC^{^2}) 做标准化得到



其中 N 是干涉斑的数目，fD 是所有探测到的光子的相移频率。


图 3. 探头的接收与发送

为了提取出血流量和血细胞浓度，需要检测探头电流波动的功率谱。如图 3 是从人体右脸颊采集，扫出 500 个数据再求平均得到的。功率谱序数 i 的时刻是



I=1 时是灌注信号，和血细胞运动速度的均方根和血细胞浓度成线性相关，i=0 是的信号等于光电流的调制深度并且和血细胞浓度成正比，所以 M1/M0 表示平均多普勒相移（和平均运 动速度成正比）。因为激光多普勒血流仪给不出血流量的绝对值，灌注用不固定的单位表示。激光多普勒血流仪检测有一些基本假设：(1) 光在任意组织中照射方向是随机的；(2) 多普勒相移主要是由血细胞引起的；(3) 检测到的红细胞的平均数和微循环中的红细胞数目和浓度呈正相关；(4) 激光多普勒展宽会由于引发散射的细胞数目的增加而增加。^[2]

[实验装置]

如图 4，是血流仪的工作框图和血流仪的实物结构图。激光多普勒血流仪的组成包括一个激光器、一个激光探头（含光纤）、一个光电二极管、一个信号采集卡、12V 的电源和一台电脑。光源是波长为 780 的近红外激光，当激光从激光二极管发射出来时，光进入微循环组织（如进入皮肤、血管等）后散射回另一端的接收光纤。接着光电二极管将光信号转化为电流，经过低通滤波后放大。数据采集卡（DAQ）将模拟信号转化成数字信号并输入电脑。


图 4.


[应用]

激光多普勒血流仪目前已广泛应用于中枢神经系统、皮肤、肌肉、胃肠道、肝、胰、肾、肺、脾、眼、耳、鼻以及骨骼等几乎全身各个脏器的实验或临床组织微循环血流动力学研究。微循环的观测对疾病诊断、健康评价、药物评价等有重要意义。

(1) 皮肤微循环观测皮肤的微循环是一个复杂的动力系统，对皮肤颜色、温度调节、皮肤代谢和透皮转运起着非常重要的作用。监测皮肤微循环对评估药物的有效性、安全性和了解皮肤基本的生理机制及皮肤病的发病机制有着重要的参考价值。皮肤的炎症反应、受到外界刺激（温度、辐射等）、外用药物（血管扩张剂、抗炎症药品、皮肤科使用的糖皮质激素）或护肤品引起的过敏反应、人体功能病变（高血压、心力衰竭、情绪低落）等也可引起红斑的产生。在使用激光多普勒血流仪进行测量时要注意，LDF 只能测量出皮肤血流的相对变化。如果仪器的参数设定不变，在不同的受试者之间和同一受试者的不同部位之间得到的测量结果可以进行比较。最常用的方法是测量短期干预之 后的急性血流变化。在这种情况下，人们关心的是血流速度相对于基础值的变化。并且采用受试者自身对照，结果可能更加可靠。^[4]

(2) 脑血流监测 和其它检测脑血流的手段相比，以激光探测脑血流, 其探头不伸入脑组织，避免脑组织的损害；以多普勒效应为检测基础，无需吸入或注射任何药物，不用等候检测时机，可随时进行检测；瞬时测量时间为 011 秒，可以迅速反馈血流变化，符合多部位重复测量的需要。^[5] 在神经外科中对脑组织的迅速、无创、实时、连续监测可方便临床医师及时制定有针对性的治疗方案，从而提高治疗效果。手术时 LDF 可将探头方便地放在 暴露的脑组织或脊髓组织表面，并保持相对固定即可连续监测局部血流量，还可 联接计算机分析脑血流的动态变化。主要用于脑肿瘤、脑动脉瘤、脑 AVM 等疾 病的术中 rCBF 监护。如大多数脑肿瘤的 rCBF 下降而动脉血气变化保持正常反应, 尤其是胶质瘤, 临床以此鉴别肿瘤组织。在神经外科监护室，可使用特殊探头通过颅骨和硬脑膜置于脑组织表面，或直接置于硬脑膜表面进行连续监测，为临床医师制定诊疗计划提供有力的帮助。

(3) 瓣移植术后血管危象监测 ^[6] 各种大、中型头颈肿瘤术后缺损修复与重建常要进行瓣移植术（游离组织瓣 移植、带蒂皮瓣移植、肌皮瓣移植），游离组织瓣移植成功率已达 90%~95%，但 仍有部分病例移植后血管危象而失败，因此要进行实时、连续的监测。LDF 是目前临床上应用较广泛和客观的皮瓣检测仪器，在临床病症出现前就可发现血管受 损，是无创、直接、连续检测微循环的仪器，能区分动静脉栓塞，可用于口腔表 面组织瓣和头颈深部组织瓣的监测。但是将 LDF 用于瓣移植术后血管危象监测也有一些缺陷，如 LDF 只能发送单一激光束，靠固定于组织某一点的探头，进行该点组织表面血流量的探测；也存在探头移位、光栅阻塞等问题。肠壁血流量及血含量测定 外科医师甚至可以通过内镜导入 LDF 光纤探头以监测消化道组织微循环状况。LDF 可无创测量小肠黏膜微循环血液灌流流量，其特点是空间组织分辨力好，激光可达组织深度为 0. 5~1. 0 mm，恰为黏膜层厚度。其缺点是探头与黏膜间难以保持良好的接触状态，影响重复性。应用激光多普勒微循环血流成像系统可非接触式测量组织黏膜的血液灌流量，测量结果的重复性较 LDF 明显提高。

[发展历史与展望] 

从 1975 年 Stern^[7] 第一次利用多普勒效应进行微循环观察开始，又经过几个阶段的研究，激光多普勒血流仪才开始出现。其中，Watkins 和 Holloway^[8] 发明了一个用于临床的处理器，然后 Bonner 和 Nossal^[9] 基于完整的理论提出了一个信号处理器。1980 年 Nilsson GE, Tenland T, Oberg PA^[10] 和 1984 年 Nilsson GE^[11] 又进一步完善，LDF 才被广泛使用和接受。随后在信号处理、深度敏感性研究、深度灌流检测技术等方面不断涌现出新技术。为了从多普勒展宽了的光探测信号提取出血流信息，出现了一些新的信号处理算法。1992 年 Koelink^[12] 等人提出了一个基于频率功率谱时刻计算的数字化的信号加工方法并且和基于模拟信号的处理方法进行了比较，发现新方法更加准确且可容纳更大范围内的信号变化。2004 年 Chen^[13] 等人提出了一个自适应的带宽选择算法。为了能探测到更深层的组织的血流，一种拥有更强光源的近红外多普勒血流仪被提出，Lohwasser 和 Soelkner^[14] 使用了 120 mW 的激光，并且检测到 30 mm 深。要进一步探测更深的组织，脉冲激光源被考虑使用，Kolinko 等人使用了纳秒级和皮秒级的激光源 ^[15]。他们使用了 15kHz、20 mW 的尖峰光源，平均功率为 4.7 mW。根据每次散射回来的光，他们重建出功率谱，并发现结果的 SNR 得到了提高。扫描激光多普勒的出现，使得灌注成像的技术得到飞跃性的发展图 5。可用的扫描系统可以造出组织彩图。Wardell 和 Nilsson^[16] 提出了双重激光多普勒灌注成像，可通过时常更新的单点或多点记录研究血流在时域上的变化。


图 5.

[索引]

[1] Vinayakrishnan Rajan & Babu Varghese &Ton G. van Leeuwen& Wiendelt Steenbergen. 「Review of methodological developments in laser Doppler flowmetry. 「Lasers Med Sci (2009) 24:269– 283 DOI 10.1007/s10103-007-0524-0 
[2] Bonner RF, Nossal R (1981) Model for laser Doppler measurements of blood flow in tissue. Appl Opt 20:2097 – 2107 
[3] Chang-Lin Hu, Zhan-Sheng Lin, Yen-Yu Chen, Yuan-Hsiang Lin and Meng-Lin Li. 「Portable Laser Doppler Flowmeter for Microcirculation Detection.」 Biomed Eng Lett (2013) 3:109-114
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[17] Linden M, Golster H, Bertuglia S, Colantuoni A, Sjöberg F, Nilsson G (1996) Evaluation of enhanced high-resolution laser Doppler imaging in an in vitro tube model with the aim of assessing blood flow in separate microvessels. Microvasc Res 56:261 –270

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