腦側支循環及激光散斑成像在腦側支循環評估監測中的應用研究進展

陳立人　李潔　張朝典　曹非

【摘要】 本文闡述了側支循環的概念、意義以及目前臨床對于缺血性卒中患者側支循環開放評估的主要方法、優劣點，同時對激光散斑成像技術的發展現狀、臨床應用、可能發展前景進行了分析，從而為臨床判斷腦側支循環的建立的評估方法提供參考。

【關鍵詞】 腦側支循環評估; 激光散斑成像

【Abstract】 This paper expounds the concept of collateral circulation，significance and current clinical in ischemic stroke patients collateral circulation open main methods，advantages and disadvantages of the assessment points，at the same time of laser speckle imaging technology development present situation，analyzes the clinical application，development prospect of may，for the establishment of the clinical judgment cerebral collateral circulation of evaluation methods to provide the reference.

【Key words】 Collateral circulation assessment; Laser speckle imaging

First-authors address：Hubei Provincial Organ Hospital，Wuhan 430071，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2019.11.043

側支循環是指當機體某一局部的主要血管功能發生障礙致使血流受阻后，該部原有吻合支的血管擴張，形成了側支旁路，使血液通過側支及新形成的吻合支血管到達缺血區，為缺血組織實現不同程度的灌注，從而實現了循環代償。有效側支循環的開放和建立可以穩定梗死區腦血流量、減少梗死灶容積、改善缺血后腦組織損傷、緩解再灌注損害、改善預后。對“腦側支循環”進行有效評估，運用監測技術對血流速度及血管間吻合支的功能狀態適時評估是必要的，可以為缺血性卒中患者的臨床個體化治療及預后評估提供重要指導意義。

激光散斑成像技術可以在不依賴造影劑和機械掃描的情況下，長時間獲得實時的高時空分辨率血流分布圖像，從而實現高分辨率血流成像。由于其無接觸、無創、快速成像等特點，在生物醫學領域引起了廣泛的關注。隨著這項技術對攻克自身局限的發展，在成像方法、分辨率、成像速率的提升、定量分析準確以及裝置的小型化、集成化、多模態、多參數測量等方向的提升，為臨床實時掌握與評估腦側支循環建立的實現提供了可探索的前景與潛力。

1 腦卒中與腦側支循環有效建立

目前，缺血性腦卒中是全世界最常見的死因之一，也是致殘的首要原因。我國腦血管病是日本的3.5倍、歐美發達國家的4～5倍。目前，在我國腦卒中的年均發病率為120/10萬，其中缺血性腦血管病占卒中發病率70%以上[1]。能否及時有效恢復缺血組織灌注是決定治療預后的關鍵。文獻[2-4]研究表明，腦側支循環開放的程度與缺血性腦卒中的發生、發展、治療和預后都具有密切的關系，它決定著卒中后最終腦梗死體積以及缺血半暗帶的范圍。卒中后機體迅速實現缺血組織的有效側支循環是對于缺血組織的保護和缺血后神經功能恢復的關鍵因素。

因此，能否實現對側支循環的三級開放及相應灌注進行適時準確的評估，對卒中患者治療策略個體化評估和預后具有實際臨床意義。

2 現有腦側支循環臨床評估手段及不足

由于腦組織在顱骨內的特殊解剖結構，致使對腦血管的評估檢查存在很大困難。為盡可能對患者進行全面而準確的評估，目前各類檢查評估技術主要是將軟腦膜動脈的評估作為評價側支開放程度的部位。

2.1 數字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA） 由于DSA可清晰顯示側支循環的解剖結構和代償供血的范圍，同時能為血管再通進行標準化分級。目前被認為是評估側支循環的金標準[5]，具有其他檢查方法無法比擬的空間及時間分辨率，但這一技術存在診斷性操作的有創性風險以及存在對接近骨質的小的穿支血管難以獲得足夠清晰的細微解剖圖像等問題[6-7]。

2.2 CT血管成像（computed tomography angiography，CTA）、磁共振血管成像（magnetic resonance angiography，MRA） 傳統CTA、MRA雖具有無創特點，也可從不同角度顯示Wills環各組成血管及頸內動脈血管狹窄和閉塞狀況。但均不具備時間分辨率的缺陷。盡管通過時間融合的4D技術應用能夠得到彌補，但仍分別存在對比劑使用風險、偽影、價格昂貴、部分患者檢查禁忌的問題。

2.3 經顱超聲多普勒（TCD） TCD對腦血流的重新分布、大腦半球間及前后循環間側支代償方面有一定的評估意義，具有無創傷、簡單方便、價格低廉、重復性高等優勢，但也存在部分受檢者經顳窗超聲束傳導不充分、操作者主觀認識不一等影響檢查結果的問題，致使其用于腦側支循環判斷有一定的局限性。

以上臨床應用廣泛的評估手段能反映一級側支循環及部分二級側支循環開放的情況，不能更進一步提供腦微循環血流方向以及在動態中可調節的腦灌注等信息。

3 腦血流灌注

灌注成像技術是目前研究腦局部組織血流灌注的主要手段。腦血流灌注是一個動態的、可調節的過程。

3.1 正電子發射計算機斷層顯像/X線計算機體層成像（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）、單光子發射計算機斷層成像術/X線計算機體層成像（single-photon emission computed tomography/computed tomography，SPECT/CT） 采用PET/CT、SPECT/CT等腦功能顯像技術能夠通過對組織血流量、物質代謝等生理代謝情況評估，反映腦結構和功能，對評估灌注具有無創、準確、參數全面的優點[8-9]。而且PET是目前腦血流灌注顯像的“金標準”，但同樣也存在昂貴的檢查費用和復雜的管理操作的問題。SPECT/CT雖兼具了解剖和功能顯像功能，主要是對腦組織血流灌注情況進行評價[10]，但對臨床急性缺血性腦卒中進行的側支循環評估的實際意義不大。近年來，越來越多的研究試圖采用不同CT或MRI成像技術通過圖像后處理測量局部組織腦血流量的參數變化來了解其血液動力學及功能變化，能間接反映二、三級側支循環代償情況，為臨床診斷及個體化治療提供了重要的參考信息[11]。

3.2 CT灌注成像（computed tomography perfusion，CTP） 目前是一種參照時間（S）-密度（Hu值）曲線，通過圖像處理技術得到腦血流量（cerebral blood flow，CBF）、腦血容量（cerebral blood volume，CBV）、平均通過時間（meantransit time，MTT）、達峰時間（transit time to the peak，TTP），并通過以上參數反映缺血性核心、缺血半暗帶灌注情況的技術、能夠提供與梗塞核、半暗帶一樣的側支循環信息。表現出具有在急診室快速檢查并能夠聯合非增強CT和CTA采集數據的優點，特別是能夠準確評估急性血管性卒中患者血栓位置、梗塞核、可搶救組織核側支循環情況，具有很高的敏感性、特異性[12-15]。但是目前對作為一種較新的技術，對于側支循環的CTP評估在對區分哪些患者對動脈血管再通治療獲益方面還缺乏有效的評價標準[16-18]。

3.3 動態敏感性對比增強灌注加權成像（dynamic susceptibility contrast-enhanced perfusion weighted imaging，DSC-PWI） 灌注-擴散成像與3D自旋標記（3D-arterial spin labeling，3D-ASL）是目前MR實現灌注評估的主要技術手段。灌注加權成像（PWI）常采用動態磁敏感對比增強（DSC）成像技術，通過對比劑團注追蹤技術進行動態增強掃描，其優勢是能夠進行多層面成像，且能獲得參數全面，通過后處理技術可以直觀看到側支循環情況的優勢，但缺點是需使用含釓對比劑。

3.4 磁共振動脈自旋標記灌注成像技術（magnetic resonance arterial spin labeling perfusion imaging technology，ASL-MRI） ASL技術將反轉脈沖標記的動脈血質子作為內源性示蹤劑動態反映各級腦血管的腦血流（CBF）具有非侵襲性優勢。隨著該技術的發展，尤其是3D-ASL，使其成為一種評估缺血性卒中復發及不同級別腦側支循環血流狀態以及血流方向的有效技術手段[19-21]。

以上評估手段盡管可以全面反映腦血流及側支開放情況，但均存在檢查價格昂貴、有創性、放射性風險、偽影、檢查禁忌等各種問題，臨床目前應用仍有一定的局限性。“激光散斑成像”技術的發展應用，對側支循環的監測評估提供了可能，因此引起了廣泛關注。

4 激光散斑成像（laser speckle imaging，LSI）在側支循環中的應用

4.1 激光散斑襯比成像原理 當激光照射在足夠粗糙的組織表面時，組織表面的散射粒子會使入射光發生背向散射，由于不同散射光到達相機成像面的光程差不同，不同散射光之間會在像面上，形成隨機干涉現象，在空間分布上表現為明暗變化即散斑。通過分析記錄到的散斑空間特性來獲得成像的技術叫激光散斑成像。

利用此原理，將入射光輻照在微血管中的血紅細胞時會發生方向各異的背向散射。散射粒子（血紅細胞）的運動造成像面散斑強度的波動，通過探測并分析這個波動可以得到散射粒子運動的速度的相關信息。因為散斑強度改變引起的波動導致散斑模糊，使局部的散斑襯比度下降，所以可用散斑襯比度的改變來表征散射粒子的速度變化，這種利用攝像機記錄曝光后的散斑圖像，并通過分析記錄到的散斑空間統計特性來獲得成像區域血流速度的信息的技術即激光散斑血流成像技術（laser speckle flow graphy，LSFG）[22]。

該技術在不依賴造影劑、不需要結合機械掃描的情況下具有長時間實時獲得高時空分辨率血流分布圖像，從而真正實現高分辨血流成像的優點，同時又具有非接觸，無創傷性，在體成像快等優點，受到了生物醫學領域的廣泛關注。

4.2 激光散斑血流成像技術（LSFG）的基礎性研究 自20世紀80年代Briers等最早將激光散斑成像用于視網膜血管血流成像后[23]，逐步將此技術應用于皮膚等監測。Dunn等[24]進一步利用該技術在腦局部缺血和皮層擴展性抑制（CSD）模型中成功地檢測了大鼠腦皮層的血流動態變化。此后，該技術開始用于實驗動物模型的腦皮層血流監測。Paul等[25]研究發現，激光散斑成像不僅能監測缺血中心內、外腦血流量（cerebral blood flow，CBF）的變化，同時也能實時顯示缺血中心的變化情況。但由于被檢測對象本身存在心率、呼吸等自身生理因素的復雜性，很難獲得血流速度的準確絕對值而只有相對值，而且，因為散斑是光學信號成像不具有深度方向的分辨能力[26]。但隨著對于此技術基礎理論研究的不斷深入和系統設計方面研究進展，將激光散斑襯比值與內源性吸收信號測量相結合，不僅具有較高的空間分辨及動態成像能力，還可獲取血流速度、氧合血紅蛋白等參數。華中科技大學Liu等[27]提出引入圖形化處理單元（graphc processing uint，GPU）以進行并行高速運算，解決了散斑圖像對比計算大量數據處理耗時的問題，實現了視頻速度的血流成像。提高了LSFG的應用性，這使得其在腦部血管病變以及生理活動動態監測方面的應用潛力較大。

上海交通大學Tang等[28]開發了可以固定在研究動物上的便攜式LSFG設備。閔喆等[29]通過激光散斑成像技術觀察到大鼠大腦中動脈栓塞（MCAO）模型，成功地監測到了造模大鼠患側大腦中動脈供血區側支開放血流的變化。文獻[30]利用LSFG在鼠科模型中實現了對側支循環網進行大規模觀察。以上多個方面證明以該技術來觀察腦血管具有時間空間分辨率高、成像結果直觀的特點。

4.3 激光散斑成像的臨床應用探索 隨著LSFG技術在微循環成像領域的發展，受到越來越多臨床醫學的關注，并已在燒傷深度評估、傷口愈合、眼科、心臟活動分析、皮層活動的刺激的反應、牙科整形領域的研究均有所應用[31-32]。Parthasarathy等[33]在神經外科手術中，運用實時激光散斑襯比成像（LSFG）全程記錄了腦血流（CBF），證明了LSFG可以在不干擾手術進程的同時，實時獲得腦皮層血管血流定量信號的術中監測可行性。2012年，Richards等[34]對10例正在進行腦腫瘤切除的患者使用LSI監測，獲得了病灶區域在手術過程中的重要血流改變信息。Hecht等[35]則在手術中繼續使用LSI實時監測了腦局部缺血和預測最終會梗死的腦組織范圍。文獻[36-37]對運用激光散斑襯比成像（laser speckle contrast imaging，LSCI）對10例患者進行術中腦微血管血流監測，證明回顧性運動矯正技術可以顯著提高隨時間定量監測相對血流的準確性。這對于神經外科手術使用顯微集成的LSCI系統，作為非侵入性監測工具在手術過程中進行高時空分辨率的放大成像為持續監測和腦灌注可視化的有效性和可行性非常重要。同時應用LSCI擴展方法采用多次曝光散斑成像（multi-exposure speckle imaging，MSCI）有效克服了LSCI的定量精度和靈敏度有限，高度依賴于曝光時間等限制的問題，并通過對腦腫瘤切除患者的腫瘤周圍微血管進行了術中評估應用，進一步提高了對腦血流監測的定量準確性和敏感性。這些研究結果表明，僅將獲得了LSFG作為一種輔助技術應用于神經外科手術領域的可行性，能夠為準確地實時獲得腦部側支循環的建立信息評估側支循環開放開拓了便捷、安全的前景。

5 LSI的前景展望

如何有效評估二級及三級側支循環是目前研究熱點，這對于促進缺血性卒中患者的神經功能恢復有著重大意義。有效便捷的側支循環建立的評估，可以為缺血性卒中患者的臨床個體化治療及預后評估提供指導意義。

雖然LSFG目前只能提供二維的在體高分辨成像，不具有深度方向的分辨能力，導致穿透腦皮層的能力受限（大約幾十微米）[38]，無法獲得深部腦組織的血管血流分布（如丘腦、杏仁核），且對大腦皮質淺表血管進行成像分析亦只能提供血流速度的相對值，使之臨床應用仍有局限性，目前主要用于實驗室相關研究。但因其具有不依賴造影劑的情況下、且不需要結合機械掃描就可長時間實時獲得二維高分辨率血流分布圖像，從而真正實現高分辨血流成像。隨著這項技術對攻克自身局限的發展，在成像方法、分辨率、成像速率的提升、定量分析準確以及裝置的小型化、集成化、多模態、多參數測量等方向的提升，為臨床實時掌握與評估腦側支循環建立的實現給定了深刻有效的潛力。從而為研究腦血流重建的機制、為腦卒中的預防、卒中后的治療策略與預后評估提供了安全可靠的臨床價值依據而成為腦側支循環評估監測技術的優先選項。

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（收稿日期：2018-09-19） （本文編輯：張爽）