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，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。