激光多普勒血流测定法

中国激光医学杂志
CHINESE JOURNAL OF LASER MEDICINE
& SURGERY
1999年　第8卷　第3期　Vol.8　No.3　1999
激光多普勒血流测定法
吴劲松　陈衔城　陆栋
1975年，Stern［1］首次报道应用激光多普勒血流测定仪（laser-Doppler flowmetry, LDF）监测皮肤微循环血流量。

20多年来，关于LDF在皮肤、肌肉、移植皮瓣、脑和肾脏等组织器官微循环血流监测的实验和临床应用研究不断深入，取得较大进展。

LDF工作原理
一、激光多普勒效应
光本质上是一种电磁波，具有波的基本特征。

应用于生物体的安全激光波长窗为600～1200nm，在这个测量范围内，生物大分子对光线的吸收相对较弱。

生物介质且有非常复杂和强烈的多点散射界面，投射到生物组织表面的激光束只有很小一部分会透入深层后再反射回表面，因此人们通常只能接受来自生物介质表面层的光学信息。

对毛细血管内红细胞（RBC）运动引起的光强度涨落的分析更为复杂，不同于清洁介质（如大气层）中的激光多普勒效应。

从连续波激光器产生的发射光具有极强的空间和时间的相干性，允许人们从散射光的相位和强度变化来分析散射介质内颗粒物质（如RBC）在很小范围（＜1μm）的运动，达到的精度类似于其他光干涉仪技术的测量结果。

早期用激光多普勒狭缝灯作非侵入式的多普勒位移（Dopplershift）测量，发现位移与眼底视网膜动静脉中血流有关［2］。

以后各种利用激光多普勒位移效应测量组织微循环血流量的仪器陆续出现。

激光源产生单色激光束通过探头进入生物介质，在测量深度内的活动颗粒（主要是毛细血管网内快速移动的RBC）表面发生光散射而返回，此时反射光频率已经发生改变，即多普勒位移效应。

多普勒位移发生的幅度和强度分别与测量范围内的RBC移动速度和数量密切相关，而与RBC移动方向无关［3］。

多普勒位移幅度公式为：
Δf=2υx/λ (1)
式中Δf表示位移幅度，υx表示RBC流动速度，λ表示波长。

超声波波长一般为0.1～0.3mm，大血管内υx为3～150cm/s，故Δf大约为100～
10kHz，能够被探头内的接受晶片所接受。

而毛细血管内的υx仅为1mm/s左右，因此Δf值极小（约5Hz左右）。

由于光的波长是声波波长的1/500左右，相应的Δf要大500倍左右，足以被探头接受分辨。

例如：Periflux4001型LDF仪（瑞典Perimed公司）位移接受范围为0.02～24kHz，故适用于微循环血流监测。

散射激光的多普勒位移由以下三
个因素确定：(1)颗粒物质速度υ；(2)标量因子（n表示流体的折射率，就生物组织而言就是血浆的折射率，λ表示激光波长，θ表示入射与散射传播矢量之间的夹角）；(3)速度方向和Bragg角散射Q=K sc-K i方向夹角的余弦（K sc和K i是散射光和入射光的波矢）。

激光多普勒技术对颗粒物质运动的敏感程度达0.3～20μm。

当一个光子扩散通过微血管网时，它实质上同时与静止的组织单元和运动的RBC发生多次碰撞（图1），但有效多普勒位移却主要由高速运动的RBC产生。

位移计算公式：
(2)
<ω>与光子同运动细胞碰撞的平均次数（血液量参量）和细胞平均速率的乘积成正比，由此提供微血管网内颗粒物质流动的一种量度（流量参量）。

正比于每单位体积组织中RBC的量，公式如下：
(3)
式中∑sc(rbc)表示RBC的散射截面；［RBC］表示每立方毫米血液中运动RBC的个数；l 表示探测光的平均路径长度（测量深度）。

图1　光扩散通过微血管网的示意图
<ω>和两者的确定都要受到光纤间距的影响。

二、测量深度
测量深度是指自探头中激光发射光纤发射出的激光通过测量介质反射衰减后，接收光纤能采集到2/3以上光强度的最大深度(图2)。

它与测量介质组织性质、毛细血管网结构和密度相关。

激光强度、光波长度和探头光纤间距等仪器参数也直接影响测量深度。

发射激光能量越高，测量深度越大。

分别以1、2和3mW功率的激光测定脑组织微循环，测量深度从100μm向400μm递增［4］。

光波越长，测量深度越大。

激光在组织内的吸收主要是由血红蛋白（Hb）引起的，488nm和514nm波长的激光（氩激光器）易被Hb吸收，以致［RBC］的变化会强烈影响测量深度。

同样，Hb氧合程度的不同，对低波长激光的吸收程度也有差别，导致组织血氧饱和度的变化，影响测量深度。

对波长633nm（He-Ne激光器）的激光，上述效应要小得多，波长785nm时可以忽略。

光纤间距也影响测量深度，虽然从理论上讲光子取样深度随着光纤间距增宽而增大，但实际应用中由于组织吸收增加的缘故，光强度随着探头光纤间距的增宽而很快衰减，测量深度反而减小。

不同的测量深度决定了组织微循环的测量取样范围，在组织微循环血流量变化趋势比较分析的实际应用中，关键要使用同型激光源（激光二极管光源最佳）和同型探头，测量时保持探头与靶点组织间相对固定。

图2　测量深度示意图
三、赝像波的排除
激光探头测量深度内的一切运动的大分子颗粒均可引起激光的多普勒位移，这些粒子运动包括白细胞（WBC）和血小板（PLT）的流动、血管内皮细胞舒缩运动、肌肉颤动、呼吸波和血浆有形成分的“布朗运动”（Brownian motion）等。

由于血细胞中RBC占数量上的绝对优势，故WBC和PLT可以忽略不计。

生物组织运动（血管内皮细胞的舒缩运动、不流动或流动很慢的血细胞、肌肉颤动、低幅呼吸波等）引起的低频赝像（一般＜30Hz）可以通过下述公式滤波，求得有效的多普勒位移值
（<ω>eff）：
(4)
式中P(V)dυ表示光探测器输出电流的功率，<i>2dc表示探测信号中的直流功率。

所以LDF测量得到的多普勒位移值是表示运动快、能够产生大于30Hz位移幅度的RBC的流量和流速变化。

血浆内大分子颗粒数量大，“布朗运动”速度快，其产生的赝像波须通过调零排除。

极端情况下，如心肌运动或光纤相对于受测组织间的大幅度相对运动，可能在血流信号同样高的频率区出现似是而非的运动伪迹。

实际应用中必须控制探头光纤的摆动、呼吸机大幅度辅助呼吸等人为干扰因素。

四、探头结构
标准的光纤探头如图3所示，中央是3根光纤，外周为塑胶保护套。

硬质探头前端还包绕金属鞘。

3根光纤中1根为激光发射光纤，1根为激光接收光纤，另1根无功能。

发射光纤与接收光纤间距（光纤间距）是一重要仪器参数，当光纤间距增大时，也按近似线性方式增加，以至于实际上测量到的多普勒位移值都是多重位移，实际应用中光纤间距不应超过1mm。

图3　LDF探头结构示意图
五、工作流程
激光发生器内的二极管产生连续波激光，通过探头内的发射光纤进入生物介质，散射回来的光信号被探头内接收光纤回收至光敏元件，转换为电信号，经过滤波、放大后再由模-数转换器转换成相对流量单位（perfusionunit，PU）值。

LDF的信号采样频率为0.2s，每单位PU值等于10mV电流强度。

PU值为数码信号，可输入计算机，在专用软件（如Perisoft）中进行曲线数据分析。

六、安全性
LDF激光发生器内的二极管产生低能量、辐散形、连续波激光，波长780nm。

传导至探头尖时功率为0.8mW，按美国食品与药品管理局（FDA）CFR1040.10和CFR1040.11标准归为1类激光产品（最低危险级别），按欧共体EN60825标准归为3A级激光产品。

实验证明本型激光对生物组织产生的热效应、压力效应及电磁场效应均极低，不致伤害生物体各组织器官［5］。

LDF测量指标
1.PU　为LDF测量的基本指标，即流动的RBC产生的多普勒位移值，是一个表示测量深度内局部组织微循环血流量大小的相对单位，PU值的变化直接反应了组织微循环血流量的改变。

2.移动红细胞密度（concentrationofmovingbloodcells，CMBC）　表示测量范围内的RBC密度。

3.速度（V）　为血液流速指标，表示测量范围内的平均RBC流速。

三者计算公式：
PU＝CMBC.V　(5)
4.回光总量（total backscatter,TB）　TB值最复杂，既与LDF激光源的光强度、聚焦性和探头类型有关，又受测量点组织性质的影响。

因为RBC中的血红蛋白吸收光能，所以CMBC越高，TB越低。

如在相同仪器条件下，脑组织的TB值要低于皮肤，故不同的受测组织需选用不同的探头。

在实际应用中笔者发现，如TB值出现异常高峰，往往提示探测范围内有较大血管通过，因为血管壁反射光线的能力强。

上述4个指标中，PU值直接反映了生物组织微循环血流量的大小，是主要的应用分析指标。

PU值是相对值，尽管LDF与廓氢法等精确的组织血流量测量方法有极好的相关性，有些学者并由此提出了相应的转换系数［6］，但由于仪器和探头的品牌规格相差很大，转换系数局限性较大，同时由于LDF测量范围极有限，牵强地将PU值转换为组织血流量绝对值意义不大，PU值的动态变化更能敏感地指示组织微循环血流量的实时性改变。

不同个体之间LDF测量值的比较有两种方法：一个是比较同一干预因素前后PU值动态变化幅度，另一个是比较同一空间解剖定位点的PU值。

V和CMBC均为推导值，相关因素复杂，单独分析意义不大。

TB值在有效范围内的波动不影响PU值的测定结果。

影响LDF测量值的因素
血压、血二氧化碳分压、血氧分压、血pH值、体温等影响组织灌流量的因素均能敏感地引起LDF值的变化。

值得注意的是下列外界因素也可影响LDF值：(1)测量点组织性质，主要是毛细血管网的密度和邻近是否有较大的血管通过。

(2)激光源的波长。

(3)探头型号，以Periflux4001型LDF仪为例，其配套的各型探头中发射光纤和接收光纤间距从0.15到1.20mm不等，不同公司间产品差异更无法避免。

(4)组织牵拉、探头移位、光导纤维的摆动、呼吸幅度的改变等均可产生赝像波。

组织微循环血流动力学监测时必须将上述外界因素降至最低程度。

可以采用下述办法：(1)合理选择同一型号的LDF仪和同一种探头；(2)不同个体间探头安置点须为性质相似的组织；(3)测量期间固定探头与测量点间的相对位置；(4)固定光纤电缆；(5)受测个体维持稳定的呼吸幅度；(6)术中监测可采用全身麻醉，用呼吸机维持稳定的呼吸，记录测定值时宜暂停手术操作。

LDF的应用
LDF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。

例如，皮肤科可利用LDF进行斑贴实验或红疹性疾病的皮肤局部微循环变化研究；神经外科可用于围术期的脑微循环血流动力学监护，以指导动脉瘤术后血管痉挛或脑血管畸形术后脑过度灌注等并发症的对症治疗；整形外科可用于移植物或皮瓣血供状况的早期监测；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。

不同组织器官的LDF监测有各自特点。

例如患者吸烟与否以及室温的高低等对皮肤的微循环测量结果有明显影响，但对深部组织（如脑）的影响则不明显。

组织性质不同，LDF测量深度也有较大差距。

以Periflux4001型LDF仪为例，皮肤的测量深度为1.0～1.5mm，血供丰富的器官如肾脏、肝脏和脑组织的测量深度则小于1mm，空腔脏器如消化道的测量深度可高达数毫米［7］。

因此适用的探头也不同。

随着微侵袭外科技术的发展，微创乃至无创性探头逐步取代组织植入性探头，将成为发展趋势。

作者单位：吴劲松　陈衔城　上海医科大学附属华山医院神经外科(200040)
陆栋　复旦大学物理系
参考文献
1　Stern MD. In vivo evaluation of microcirculation by coherent light scattering. Nature, 1975, 254:56-58.
2　Tanaka T, Benedek GB. Measurement of velocity of blood flow (in vivo) using a fiber optic catheter and optical mixing spectroscopy. Appl Optics, 1975, 14:189-200.
3　Bonner RF, Nossal R. Principles of laser-Doppler flowmetry. In: Shepherd A, berg P, eds. Laser-Doppler blood flowmetry. Dordrecht, The Nethe rlands. Kluwer Academic Publishers,
1990. 17-45.
4　Fukuda O, Endo S, Kuwayama N, et al. The characteristic of laser-Doppler flowmetry for the measurement of regional cerebral blood flow. Neurosu rgery, 1995, 36:358-364.
5　Wilander L, Rundquist I, Oberg PA. Laser He/Ne light exposure of red blood cells. Med Biol Eng Comput, 1986, 24:558-560.
6　Arbit E, DiResta GR, Bedford RF, et al. Intraoperative measurement of cerebral and tumor blood flow with laser-Doppler flowmetry. Neurosurgery, 1989, 24:166-70.
7　Ahn H, Lindhagen J, Nilsson GE, et al. Evaluation of laser Doppler flowmetry in the assessment of intestinal blood flow in cat. Gastroenterology , 1985, 88:951-957.
(收稿日期：1998-08-25)
激光多普勒血流测定法
作者：吴劲松， 陈衔城， 陆栋
作者单位：吴劲松,陈衔城(上海医科大学附属华山医院神经外科,200040)， 陆栋(复旦大学物理系)
刊名：
中国激光医学杂志
英文刊名：CHINESE JOURNAL OF LASER MEDICINE & SURGERY
年，卷(期)：1999，8(3)
被引用次数：16次
1.Stern MD In vivo evaluation of microcirculation by coherent light scattering 1975
2.Tanaka T.Benedek GB Measurement of velocity of blood flow (in vivo) using a fiber optic catheter and optical mixing spectroscopy 1975
3.Bonner RF.Nossal R Principles of laser-Doppler flowmetry 1990
4.Fukuda O.Endo S.Kuwayama N The characteristic of laser-Doppler flowmetry for the measurement of regional cerebral blood flow 1995
5.Wilander L.Rundquist I.Oberg PA Laser He/Ne light exposure of red blood cells 1986
6.Arbit E.DiResta GR.Bedford RF Intraoperative measurement of cerebral and tumor blood flow with laser-Doppler flowmetry 1989
7.Ahn H.Lindhagen J.Nilsson GE Evaluation of laser Doppler flowmetry in the assessment of intestinal blood flow in cat 1985
1.王志刚.李学拥.李跃军.付国强.李望舟.李金清.李靖.吕小星兔坐骨神经电损伤后神经血流的变化[期刊论文]-中华烧伤杂志 2007(3)
2.汤泽萍.解立新实验性ARDS家兔肺不同区域有效血流灌注的变化[期刊论文]-解放军预防医学杂志 2006(5)
3.宋晓红不同麻醉对鼻窥镜手术鼻腔血流及术野的影响[学位论文]硕士 2006
4.禹金涛电针足三里对MCAO大鼠海马微区血流量及微血管内皮细胞NOS、P-GP表达的影响[学位论文]硕士 2005
5.王燕斌创伤性脑损伤后肠粘膜屏障的应激性变化[学位论文]博士 2005
6.解立新.刘又宁.赵晓巍.陈良安.赵秀梅.刘育英急性呼吸窘迫综合征家兔肺不同区域有效血流灌注变化及肺保护性通气对其的影响[期刊论文]-中华内科杂志 2004(7)
7.乔月印.蔡克家.乔峰.崔探星.陈书基.仇伟红新型激光多普勒微循环分析系统的研制[期刊论文]-南开大学学报(自然科学版) 2004(2)
8.李天佐控制性降压对鼻粘膜血流的影响[学位论文]博士 2004
9.李天佐控制性降压对鼻粘膜血流的影响[学位论文]博士 2004
10.原标高压氧在肢体缺血再灌注致远隔多器官损伤中的作用[学位论文]博士 2004
11.滕灵方.吴劲松.凌诒萍脑低灌流大鼠模型局部脑血流量和血脑屏障超微结构的变化[期刊论文]-浙江医学 2003(6)
12.周韶璋.陈秀记.刘南植用激光多普勒血流仪检测门静脉高压兔的胃粘膜血流量[期刊论文]-中国微循环 2002(6)
13.杜婵.沙波.刘敦贵可利新在急性缺血性肾衰中作用的实验研究[期刊论文]-实用医学进修杂志 2002(2)
14.熊建文.刘明胜.陈丽多普勒效应中的高斯脉冲[期刊论文]-激光杂志 2002(5)
15.吴良成.周行涛.孙兴怀.褚仁远原发性开角型青光眼术后筛板血流改变及其临床意义[期刊论文]-中国微循环 2000(3)
16.罗志红.鲁开化.张荣平.王继华.胡炜彦.康文博.王师平龙血竭对大鼠撕脱皮瓣存活面积影响的实验研究[期刊论文]-中国实验方剂学杂志 2010(3)
本文链接：/Periodical_zgjgyx199903017.aspx
授权使用：山东大学(sddx)，授权号：d6ad53c9-61c6-4da8-ba3e-9dd500c1e934
下载时间：2010年8月17日。