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皮肤微循环监测技术的研究进展论文

发布时间:2020-10-17 17:27:08 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.scipaper.net):

摘要:目的对皮肤微循环监测技术的最新进展进行综述。方法广泛查阅近些年来关于皮肤微循环监测方法的相关文献,总结皮肤微循环监测的各种方法,根据监测原理不同,对监测方法进行简单分类概述,以及各种监测方法的适用范围及优缺点评价。结果皮肤微循环的改变可在许多局部病变及全身疾病中有所体现。目前常用的皮肤微循环监测技术主要有经皮氧分压、近红外光谱、热成像技术、激光多普勒技术、激光散斑对比成像、视频毛细血管镜等。结论将皮肤微循环监测技术与临床实践相结合,做到更加方便、迅速、准确、高效,是皮肤微循环监测的应用方向。

关键词:皮肤微循环;监测技术;无创

本文引用格式:王卓群,刘文科,尹良军.皮肤微循环监测技术的研究进展[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(98):87-89,92.

Progress in the Skin Microcirculation Monitoring Methods

WANG Zhuo-qun,LIU Wen-ke,YIN Liang-jun*

(Department of Orthopaedics,the Second Affiliated Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing)ABSTRACT:Objective To review the progress in the skin microcirculation monitoring methods.Methods Extensively review the relevant literature on skin microcirculation monitoring methods in recent years,and summarize them.According to different monitoring principles,a brief classification of monitoring methods was made,we also made an evaluation about its application,ad-vantages and disadvantages.Results The changes of skin microcirculation may occur in many partial lesions and systemic diseas-es.At present,there are many types of methods for monitoring skin microcirculation,including Transcutaneous Oxygen Pressure,Near-Infrared Spectroscopy,Thermography,Laser Doppler,Laser Speckle Contrast Imaging,Video Capillaroscopy and so on.Conclusions Combining skin microcirculation monitoring technology with clinical practice,and it is the future for monitoring skin microcirculation to be more convenient,rapid,accurate and efficient.

KEY WORDS:Skin microcirculation;Monitoring methods;Non-invasive

0引言

皮肤具有许多重要功能,例如组织的营养支持、热量调节、代谢交换和稳态平衡等。皮肤微循环包括直径小于150μm的血管,即动脉,小静脉,淋巴管和动静脉吻合,由深浅两个血管丛组成:浅层深度约400~500μm,是氧气和养分交换的主要场所;深层主要位于皮肤表面下1.9mm,是血液与外部环境进行热量交换的主要场所。

在局部病变中,烧伤深度、伤口愈合、皮瓣移植等都与皮肤微循环密切相关。而在全身性病变和特定疾病中,例如雷诺现象、系统性硬化、脓毒血症、糖尿病足等,皮肤微循环也会发生改变;通过微循环评估皮肤的结构和功能可以提供相关疾病的信息,包括功能障碍的程度,治疗干预的有效性,疾病治疗策略,甚至可以作为疾病发作的早期迹象。

皮肤微循环的监测技术种类繁多,大多为无创技术,可以监测皮肤的氧分压、氧饱和度、温度等客观指标;或者通过仪器辅助及软件分析,监测微循环的流量、流速、血流密度,甚至显微镜下直视毛细血管形态等。近年来皮肤微循环监测技术有了飞速发展,现将目前常用的微循环监测技术及进展予以综述,并希望能对临床应用有所帮助。

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1经皮氧分压(Transcutaneous Oxygen Pressure,TcpO2)

1.1工作原理


该技术主要是通过将接触皮肤表面的电极加热至44℃~45℃左右,使皮肤的通透性增加,扩张毛细血管,氧气含量接近动脉血气结果,扩散至皮肤表面的氧气分子在施加电压的探针电极之间被成比例还原,进而根据氧分压结果了解组织氧和及血流灌注情况。

1.2临床应用及优缺点

TcpO2最早用于上世纪70年代,用于监测新生儿氧分压情况。目前TcpO2常用于外周动脉疾病(peripheral arterial disease,PAD)检测、糖尿病足截肢水平的判定、伤口愈合评估及瘢痕评估、感染性休克的监测、血运重建再灌注的监测等。Abraham等[1]研究表示,TcpO2可用于检测PAD致劳累性下肢疼痛后肢体不同水平和双侧肢体的局部缺血,以及运动后低氧血症。Lowry等[2]发现良好的微循环与更好的伤口愈合有关,当TcpO2测量值在10 mmHg~34 mmHg时,伤口愈合欠佳。Zhou等[3]表示TcpO2可用于瘢痕评估、治疗以及缺氧与瘢痕发生机制的研究。

该技术是临床评估皮肤微循环最常用的无创技术之一[4],也是目前测量局部氧分压唯一的无创技术,可在一定程度上代替动脉血气分析,其操作简单,且结果直观。但受多种因素影响,如被测部位的厚度、温度,局部组织是否有炎症、坏死等改变,测量时组织不能随意活动,否则可能因电极片松动导致结果误差较大;且测量前需20分钟左右预加热。

2近红外光谱技术(Near-Infrared Spectroscopy,NIRS)

2.1工作原理


NIRS通过测量环境中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对变化,直观测量局部组织的血氧饱和度(StO2),而并不测量血流量、血流密度或毛细血管数量等指标。它的基本原理是朗伯-比尔定律和光子散射理论。近红外光(700-1000 nm)能穿透任意深度的皮肤和肌组织,在穿透路径中被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收,但由于二者对光的吸收系数不相同,在红光谱区(600-700 mm)差异较大,因此在红光谱区及红外光谱区,使用不同波长的发光二极管(700 mm和830 mm)发出光源照射皮肤,皮肤射出的光由光纤传导至探测器,即可分别计算出局部组织毛细血管氧合与还原血红蛋白浓度的变化以及StO2绝对值,反应组织血运情况。

2.2临床应用及优缺点

Boezeman等[5]发现NIRS可评价慢性骨筋膜室综合征和游离皮瓣制备的效果。Jalil等[6]首次将NIRS技术用在对比系统性硬化(Systemic Sclerosis,SSc)患者与健康人手掌皮肤微血管功能研究中,通过测量StO2,发现SSc患者微血管功能障碍的空间异质性。Kaiser等[7]发现NIRS在皮肤烧伤诊断中有重要作用,它可以区分受试者的浅层烧伤和全层烧伤,但并不能区分浅层烧伤和深层烧伤。张磊等[8]将StO2用于全膝关节置换术后切口周围血供变化的研究,发现术后早期膝关节活动度的改变会影响切口StO2,进而影响切口愈合,这对于关节置换术后的康复锻炼起到一定指导作用。

NIRS作为一种无创检测组织内血氧变化的方法,具有连续、直观、简便等优点,在临床应用范围广泛,且该技术受运动影响较小,避免了运动伪影带来的误差。其缺点在于会收到评估部位脂肪组织数量和水肿情况的影响。

3热成像技术(Thermography)

3.1工作原理


任何高于绝对零度的物体都会发出热辐射,通过红外摄像机上的传感器接收皮肤发出的红外辐射,按照能量高低转换为温度的热像图。热成像技术可以记录温度,将皮肤微循环中的热量流动可视化[9],从而间接反应皮肤微循环。血管密集、血供丰富的地方,皮肤温度正常或稍高[10],而皮肤血流灌注较差时,皮肤温度较正常组织有所改变,常发生皮瓣坏死、切口愈合欠佳等并发症。

3.2临床应用及优缺点

热成像技术是现有的疾病诊断方式和临床评估的补充,上世纪60年代,医学领域引入红外热成像仪,主要用于诊断涉及皮肤温度差异的疾病,如雷诺现象、乳腺肿瘤、黑色素瘤、关节炎等。红外热成像技术(Infrared thermography,IRT)和动态红外热成像技术(Dynamic Infrared thermography,DIRT)通过测量皮肤温度,间接分析皮肤微循环灌注情况[11]。IRT在当今整形外科的临床应用广泛,包括术前规划穿支皮瓣、术后游离皮瓣的监测、烧伤深度辅助分析[12]、评估对血管瘤的治疗反应以及对皮肤黑色素瘤和腕管综合症的诊断测试。Just等[13]通过IRT来实现头颈部游离皮瓣手术的术中和术后监测,发现其可在组织表面出现宏观变化明显之前检测灌注失败与否。Rathmann等[14]比较了DIRT技术与吲哚菁绿视频血管造影(IndocyanineGreen Video Angiography,ICGA)在颅骨修补术后皮肤血运的监测,发现DIRT技术在用于术中监测皮肤血流灌注中有着巨大的潜力,且相较于ICGA,DIRT操作更加简单,检查为非接触性,无需使用造影剂,对病人风险更低。Muntean等[15]发现,将DIRT技术与彩色多普勒超声(Color Doppler Ultrasound)结合,有助于术前选择更理想的穿支皮瓣,缩短手术时间,减少手术并发症,手术整体效果更佳。

热成像技术是一种无创、非接触式、实时监测皮温的方法。其缺点在于,它只能监测较表浅的血管,且无法测定血流速度、血管直径及区分动静脉;其灵敏度和特异性较低;测量时需保持室温的恒定,室温改变可能会影响测量效果。

4激光多普勒技术(Laser Doppler)

4.1工作原理


激光多普勒血流仪(Laser Doppler Flowmetry,LDF)及其衍生的激光多普勒成像(Laser Doppler Imaging,LDI)技术是临床应用最广泛的皮肤微循环监测技术之一,可以直观、无创测量皮肤微循环。其主要技术原理是:激光击中运动的红细胞后发生多普勒频移,其散射光的波长和频率会发生变化,频移强度与运动红细胞速度成正比,散射光强度与运动红细胞数量成正比。信号经过加工处理变为电压信号输出,从而确定血流和血流速度参数[16,17]。LDF中血流灌注的输出信号与微血管流量成比例,定义为:微血管流量=在组织采样体积中移动的红细胞数×这些细胞的平均速度[16]。

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4.2临床应用及优缺点

激光多普勒技术临床应用范围较广,常用于评估烧伤深度[7]、游离皮瓣术前制备及术后监测、评估糖尿病足溃疡和小腿静脉溃疡、褥疮、瘢痕进程等皮肤微循环的动态变化。Hop等[18]在荷兰的一项涉及202名病人的随机对照研究中发现,LDI技术辅助临床治疗决策,可缩短手术治疗烧伤患者住院时间,且每位患者节省875欧元住院费用。在烧伤深度诊断的准确性方面,Wearn等[19]提出LDI要优于热成像技术,这可能是因为后者对环境因素更敏感。LDF常与组织分光光度法(tissue spec-trophotometry)结合为氧可视(Oxygen to See,O2C)设备。LDF测量血流量和血流速度,后者测量SO2和血红蛋白的相对含量,可用于游离皮瓣术后的监测[20,21]、判断骨折术后切口感染与局部微循环的关系[22]、评估烧伤深度的动物模型研究[23]及冻伤的微循环灌注改变[24]等等。此外,激光多普勒技术还可以用于肌腱中微血管血流的评估,如肩袖[25]、跟腱[26],这对于运动医学术后手术效果的评价有一定的辅助作用。

LDF操作简便、灵敏、实时、快速且无创,无需使用造影剂或同位素追踪。然而该技术不能提供精确的血流量计数,数据结果没有固定表达单位,例如mL/min[27];此外它对运动产生的伪影比较敏感,测量时需保持静止不动;需保持室温的恒定,避免温度引起的血管舒张和收缩[28];评估前需要定位及校准。LDI为非接触式测量,从而避免了接触导致的压力伪影。LDF只有1个单束激光探头,只能测量单个空间位置的血管密度、直径和血流量[29],而LDI使用激光逐点移动机械扫描,可以实时评估更大组织区域的微循环情况,且灵敏度和扫描精度更高。

5激光散斑对比成像(Laser Speckle Contrast Imaging,LSC)

5.1工作原理


该技术基于激光散斑原理,可以量化局部区域的血流灌注,实时记录微循环血流变化。散斑图是由光从被照明的不规则物体表面部分反射或散射而产生的干涉图[30],应用软件对比运算将散斑图像转为对比图像,获得二维血流分布图,其与血流速度呈线性相关。即可计算出感兴趣区域(Region Of Interest,ROI)的血流量值,并以激光散斑灌注单位(Laser Speckle Perfusion Unit,LSPU)表示最终结果。

5.2临床应用及优缺点

LSCI技术诞生于20世纪90年代,近年来被广泛应用于临床各项研究,测量血管密度、血流直径、血流速度、血液灌注量等指标。Pauling等[31]利用该技术评估志愿者手指微血管功能,发现与IRT相比,LSCI技术可重复性高,且具有更高的时间和空间分辨率。Ruaro等[30]研究药物治疗雷诺现象时皮肤血液灌注的变化,结果提示LSCI技术可以有效量化局部区域的皮肤血液灌注。Mirdell等[32]将LSCI用于烧伤深度的评估,且发现其精确性要优于临床医师的经验判断。Mennes、Matheus、Feng等[33-35]均将LSCI技术用于糖尿病及其微循环改变的研究,表明其可用于糖尿病足溃疡、糖尿病脑血管病变及微循环改变的早期评估。Puissant等[36]比较LSCI技术与LDF技术在评估血管内皮功能的可重复性,发现前者操作更简单,重复性更高,这有助于将来对心血管危险因素的管理和患者预后的研究。此外,该项技术同样被应用于伤口深度分级、瘢痕治疗的评估、断指再植早期皮层血流灌注的监测、内脏器官缺血再灌注前后微循环的改变等。

相比于LDI的一维光学技术,LSCI将激光输出扩展为大的二维形状以检查整个测量区域的微循环灌注,而不是仅测量单个点。具有成像范围广,速度快,无创,非接触性,可重复性高,时间分辨率及空间分辨率较高、成本较低、操作简单等优点。其不足之处在于测量深度较表浅(约300μm)[37],且在测量低灌注时,效果欠佳。

6视频毛细血管镜(video capillaroscopy)

6.1工作原理


毛细血管镜技术可通过使用带有侧方照明的光学显微镜直接观察皮肤毛细血管的微观结构,在此基础上将图像传输到摄像机,即为视频毛细血管镜技术。正交偏振光谱技术(Orthogonal Polarization Spectral,OPS)和其衍生的侧流暗视野成像技术(Sidestream Dark Field,SDF)均属于视频毛细血管镜技术,OPS是通过光源发出波长为550±70 mm绿光穿过偏振镜1形成偏振光,经过光线分流器反射到靶组织上,从靶组织表面反射回来的光被光线分流器和与偏振镜1相垂直的偏振镜2滤除,通过偏振镜2进入电荷耦合器件(CCD)摄像机并被记录成像。通过偏振选择,可以有效滤除被测组织表面反射回来的背景噪声。增强了图像对比度。因为血红蛋白的吸收波长为548 mm,因此成像后血红蛋白显示为黑色。数据通过半定量分析,通过软件处理得到微循环图像。而SDF技术在OPS的技术原理上进行改良,将光源改为围绕光学器件同心放置的发光二极管。发光二极管提供与CCD帧频同步的脉冲绿光(波长530 mm),且相比于OPS,SDF只需一个偏振镜[38]。

6.2临床应用及优缺点

Lupi等[39]认为OPS技术是观察微循环技术的“金标准”,在检测麻醉过程中的组织灌注、皮肤科疾病及血管炎、慢性静脉功能不全、皮肤肿瘤等疾病的研究中起到重要作用。Massey[40]等利用SDF测量脓毒性休克患者的舌下微循环,发现脓毒性休克72小时血管密度微循环灌注参数与死亡率呈正相关,这对于脓毒性休克的治疗起一定指导意义。Goertz等[41]通过OPS技术使得烧伤创面微循环可视化,进而辅助烧伤科医生评估烧伤深度。Pelland等[42]利用SDF评估妊娠期妇女舌下微循环的相关参数(包括微血管流动指数、灌注血管密度、总血管密度和灌注血管比例),并表示该技术可作为识别先兆子痫的工具。Sha等[43]利用SDF监测口腔粘膜的微循环,发现SSc患者口腔微循环较对照组减少,说明SDF可作为评估SSc的有效诊断工具。

OPS和SDF均可通过测量皮肤或皮下浅表组织的微血管的形状和直径、红细胞流动速度和毛细血管密度来测定血管反应性和血流灌注状态[39,44]。其对比度及灵敏度较高,无创,且无需使用荧光染料。SDF提升了图像分辨率及对比度,对小血管的监测更佳。其缺点在于,OPS只能监测较薄的上皮层组织,深度约500μm;监测结果为半定量;监测者的主观判断和监测过程中的移动及压力都可能造成误差[45,46]。OPS和SDF的图像分析是离线进行的,并非床旁同步微循环分析[29]。

7其他监测技术

除上述列举出来的技术外,还有很多其他技术及其衍生方法用于皮肤微循环的监测,例如高光谱成像(Hyperspectral Imaging,HSI)用于糖尿病足、烧伤深度评估、切口愈合的评估;吲哚菁绿荧光成像(Indocyanine Green Fluorescence Imaging)监测皮肤浅层及真皮层的血流灌注,常用于皮瓣移植术前设计、术中术后血运障碍的预测;反射模式共聚焦显微镜(Reflectance-Mode Confocal Microscopy,RMCM)可以实时观察细胞和亚细胞水平上的皮肤微循环和组织形态特点[47];微透析(Microdialysis)技术通过监测血液中葡萄糖、乳酸、丙酮酸盐、丙三醇等代谢产物的浓度来间接监测皮肤微循环的变化;组织活力成像(Tissue Viability Imaging,TiVi)基于偏振光谱学,通过测量红细胞浓度来监测游离皮瓣移植术后再灌注[48];光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography,OCT)提供了组织显微结构的高分辨率图像,可以准确地区分表皮层和真皮层,从而用于监测伤口的再上皮形成。其衍生的相关映射光学相干断层扫描(Correlation Mapping Optical Coherence Tomography,cmOCT)可以直观地显示血流的位置[27],是评估微循环结构可视化动态化的无创方法;而另一种衍生的光学微血管造影术(Optical Microangiography,OMAG)可获得皮肤的的三维血液灌注图,用于伤口愈合的每个阶段的无创且无标记的监测和成像[49]。

8展望

在临床应用中,我们希望采用方便、迅速、准确、高效的皮肤微循环监测技术。这对于研究某些疾病的发病机制及病理生理变化起到指导作用,同时可辅助制定治疗决策、评估治疗效果等临床工作。但是,目前由于许多技术仍存在一定的局限性,如学习成本高、价格昂贵、监测结果误差较大等,临床应用推广局限。相信随着技术的不断改善与创新,皮肤血运的监测技术将在临床得到更广泛的应用与推广。

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