脑侧支循环及激光散斑成像在脑侧支循环评估监测中的应用研究进展

陈立人　李洁　张朝典　曹非

【摘要】 本文阐述了侧支循环的概念、意义以及目前临床对于缺血性卒中患者侧支循环开放评估的主要方法、优劣点，同时对激光散斑成像技术的发展现状、临床应用、可能发展前景进行了分析，从而为临床判断脑侧支循环的建立的评估方法提供参考。

【关键词】 脑侧支循环评估; 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

侧支循环是指当机体某一局部的主要血管功能发生障碍致使血流受阻后，该部原有吻合支的血管扩张，形成了侧支旁路，使血液通过侧支及新形成的吻合支血管到达缺血区，为缺血组织实现不同程度的灌注，从而实现了循环代偿。有效侧支循环的开放和建立可以稳定梗死区脑血流量、减少梗死灶容积、改善缺血后脑组织损伤、缓解再灌注损害、改善預后。对“脑侧支循环”进行有效评估，运用监测技术对血流速度及血管间吻合支的功能状态适时评估是必要的，可以为缺血性卒中患者的临床个体化治疗及预后评估提供重要指导意义。

激光散斑成像技术可以在不依赖造影剂和机械扫描的情况下，长时间获得实时的高时空分辨率血流分布图像，从而实现高分辨率血流成像。由于其无接触、无创、快速成像等特点，在生物医学领域引起了广泛的关注。随着这项技术对攻克自身局限的发展，在成像方法、分辨率、成像速率的提升、定量分析准确以及装置的小型化、集成化、多模态、多参数测量等方向的提升，为临床实时掌握与评估脑侧支循环建立的实现提供了可探索的前景与潜力。

1 脑卒中与脑侧支循环有效建立

目前，缺血性脑卒中是全世界最常见的死因之一，也是致残的首要原因。我国脑血管病是日本的3.5倍、欧美发达国家的4～5倍。目前，在我国脑卒中的年均发病率为120/10万，其中缺血性脑血管病占卒中发病率70%以上[1]。能否及时有效恢复缺血组织灌注是决定治疗预后的关键。文献[2-4]研究表明，脑侧支循环开放的程度与缺血性脑卒中的发生、发展、治疗和预后都具有密切的关系，它决定着卒中后最终脑梗死体积以及缺血半暗带的范围。卒中后机体迅速实现缺血组织的有效侧支循环是对于缺血组织的保护和缺血后神经功能恢复的关键因素。

因此，能否实现对侧支循环的三级开放及相应灌注进行适时准确的评估，对卒中患者治疗策略个体化评估和预后具有实际临床意义。

2 现有脑侧支循环临床评估手段及不足

由于脑组织在颅骨内的特殊解剖结构，致使对脑血管的评估检查存在很大困难。为尽可能对患者进行全面而准确的评估，目前各类检查评估技术主要是将软脑膜动脉的评估作为评价侧支开放程度的部位。

2.1 数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA） 由于DSA可清晰显示侧支循环的解剖结构和代偿供血的范围，同时能为血管再通进行标准化分级。目前被认为是评估侧支循环的金标准[5]，具有其他检查方法无法比拟的空间及时间分辨率，但这一技术存在诊断性操作的有创性风险以及存在对接近骨质的小的穿支血管难以获得足够清晰的细微解剖图像等问题[6-7]。

2.2 CT血管成像（computed tomography angiography，CTA）、磁共振血管成像（magnetic resonance angiography，MRA） 传统CTA、MRA虽具有无创特点，也可从不同角度显示Wills环各组成血管及颈内动脉血管狭窄和闭塞状况。但均不具备时间分辨率的缺陷。尽管通过时间融合的4D技术应用能够得到弥补，但仍分别存在对比剂使用风险、伪影、价格昂贵、部分患者检查禁忌的问题。

2.3 经颅超声多普勒（TCD） TCD对脑血流的重新分布、大脑半球间及前后循环间侧支代偿方面有一定的评估意义，具有无创伤、简单方便、价格低廉、重复性高等优势，但也存在部分受检者经颞窗超声束传导不充分、操作者主观认识不一等影响检查结果的问题，致使其用于脑侧支循环判断有一定的局限性。

以上临床应用广泛的评估手段能反映一级侧支循环及部分二级侧支循环开放的情况，不能更进一步提供脑微循环血流方向以及在动态中可调节的脑灌注等信息。

3 脑血流灌注

灌注成像技术是目前研究脑局部组织血流灌注的主要手段。脑血流灌注是一个动态的、可调节的过程。

3.1 正电子发射计算机断层显像/X线计算机体层成像（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）、单光子发射计算机断层成像术/X线计算机体层成像（single-photon emission computed tomography/computed tomography，SPECT/CT） 采用PET/CT、SPECT/CT等脑功能显像技术能够通过对组织血流量、物质代谢等生理代谢情况评估，反映脑结构和功能，对评估灌注具有无创、准确、参数全面的优点[8-9]。而且PET是目前脑血流灌注显像的“金标准”，但同样也存在昂贵的检查费用和复杂的管理操作的问题。SPECT/CT虽兼具了解剖和功能显像功能，主要是对脑组织血流灌注情况进行评价[10]，但对临床急性缺血性脑卒中进行的侧支循环评估的实际意义不大。近年来，越来越多的研究试图采用不同CT或MRI成像技术通过图像后处理测量局部组织脑血流量的参数变化来了解其血液动力学及功能变化，能间接反映二、三级侧支循环代偿情况，为临床诊断及个体化治疗提供了重要的参考信息[11]。

3.2 CT灌注成像（computed tomography perfusion，CTP） 目前是一种参照时间（S）-密度（Hu值）曲线，通过图像处理技术得到脑血流量（cerebral blood flow，CBF）、脑血容量（cerebral blood volume，CBV）、平均通过时间（meantransit time，MTT）、达峰时间（transit time to the peak，TTP），并通过以上参数反映缺血性核心、缺血半暗带灌注情况的技术、能够提供与梗塞核、半暗带一样的侧支循环信息。表现出具有在急诊室快速检查并能够联合非增强CT和CTA采集数据的优点，特别是能够准确评估急性血管性卒中患者血栓位置、梗塞核、可抢救组织核侧支循环情况，具有很高的敏感性、特异性[12-15]。但是目前对作为一种较新的技术，对于侧支循环的CTP评估在对区分哪些患者对动脉血管再通治疗获益方面还缺乏有效的评价标准[16-18]。

3.3 动态敏感性对比增强灌注加权成像（dynamic susceptibility contrast-enhanced perfusion weighted imaging，DSC-PWI） 灌注-扩散成像与3D自旋标记（3D-arterial spin labeling，3D-ASL）是目前MR实现灌注评估的主要技术手段。灌注加权成像（PWI）常采用動态磁敏感对比增强（DSC）成像技术，通过对比剂团注追踪技术进行动态增强扫描，其优势是能够进行多层面成像，且能获得参数全面，通过后处理技术可以直观看到侧支循环情况的优势，但缺点是需使用含钆对比剂。

3.4 磁共振动脉自旋标记灌注成像技术（magnetic resonance arterial spin labeling perfusion imaging technology，ASL-MRI） ASL技术将反转脉冲标记的动脉血质子作为内源性示踪剂动态反映各级脑血管的脑血流（CBF）具有非侵袭性优势。随着该技术的发展，尤其是3D-ASL，使其成为一种评估缺血性卒中复发及不同级别脑侧支循环血流状态以及血流方向的有效技术手段[19-21]。

以上评估手段尽管可以全面反映脑血流及侧支开放情况，但均存在检查价格昂贵、有创性、放射性风险、伪影、检查禁忌等各种问题，临床目前应用仍有一定的局限性。“激光散斑成像”技术的发展应用，对侧支循环的监测评估提供了可能，因此引起了广泛关注。

4 激光散斑成像（laser speckle imaging，LSI）在侧支循环中的应用

4.1 激光散斑衬比成像原理 当激光照射在足够粗糙的组织表面时，组织表面的散射粒子会使入射光发生背向散射，由于不同散射光到达相机成像面的光程差不同，不同散射光之间会在像面上，形成随机干涉现象，在空间分布上表现为明暗变化即散斑。通过分析记录到的散斑空间特性来获得成像的技术叫激光散斑成像。

利用此原理，将入射光辐照在微血管中的血红细胞时会发生方向各异的背向散射。散射粒子（血红细胞）的运动造成像面散斑强度的波动，通过探测并分析这个波动可以得到散射粒子运动的速度的相关信息。因为散斑强度改变引起的波动导致散斑模糊，使局部的散斑衬比度下降，所以可用散斑衬比度的改变来表征散射粒子的速度变化，这种利用摄像机记录曝光后的散斑图像，并通过分析记录到的散斑空间统计特性来获得成像区域血流速度的信息的技术即激光散斑血流成像技术（laser speckle flow graphy，LSFG）[22]。

该技术在不依赖造影剂、不需要结合机械扫描的情况下具有长时间实时获得高时空分辨率血流分布图像，从而真正实现高分辨血流成像的优点，同时又具有非接触，无创伤性，在体成像快等优点，受到了生物医学领域的广泛关注。

4.2 激光散斑血流成像技术（LSFG）的基础性研究 自20世纪80年代Briers等最早将激光散斑成像用于视网膜血管血流成像后[23]，逐步将此技术应用于皮肤等监测。Dunn等[24]进一步利用该技术在脑局部缺血和皮层扩展性抑制（CSD）模型中成功地检测了大鼠脑皮层的血流动态变化。此后，该技术开始用于实验动物模型的脑皮层血流监测。Paul等[25]研究发现，激光散斑成像不仅能监测缺血中心内、外脑血流量（cerebral blood flow，CBF）的变化，同时也能实时显示缺血中心的变化情况。但由于被检测对象本身存在心率、呼吸等自身生理因素的复杂性，很难获得血流速度的准确绝对值而只有相对值，而且，因为散斑是光学信号成像不具有深度方向的分辨能力[26]。但随着对于此技术基础理论研究的不断深入和系统设计方面研究进展，将激光散斑衬比值与内源性吸收信号测量相结合，不仅具有较高的空间分辨及动态成像能力，还可获取血流速度、氧合血红蛋白等参数。华中科技大学Liu等[27]提出引入图形化处理单元（graphc processing uint，GPU）以进行并行高速运算，解决了散斑图像对比计算大量数据处理耗时的问题，实现了视频速度的血流成像。提高了LSFG的应用性，这使得其在脑部血管病变以及生理活动动态监测方面的应用潜力较大。

上海交通大学Tang等[28]开发了可以固定在研究动物上的便携式LSFG设备。闵喆等[29]通过激光散斑成像技术观察到大鼠大脑中动脉栓塞（MCAO）模型，成功地监测到了造模大鼠患侧大脑中动脉供血区侧支开放血流的变化。文献[30]利用LSFG在鼠科模型中實现了对侧支循环网进行大规模观察。以上多个方面证明以该技术来观察脑血管具有时间空间分辨率高、成像结果直观的特点。

4.3 激光散斑成像的临床应用探索 随着LSFG技术在微循环成像领域的发展，受到越来越多临床医学的关注，并已在烧伤深度评估、伤口愈合、眼科、心脏活动分析、皮层活动的刺激的反应、牙科整形领域的研究均有所应用[31-32]。Parthasarathy等[33]在神经外科手术中，运用实时激光散斑衬比成像（LSFG）全程记录了脑血流（CBF），证明了LSFG可以在不干扰手术进程的同时，实时获得脑皮层血管血流定量信号的术中监测可行性。2012年，Richards等[34]对10例正在进行脑肿瘤切除的患者使用LSI监测，获得了病灶区域在手术过程中的重要血流改变信息。Hecht等[35]则在手术中继续使用LSI实时监测了脑局部缺血和预测最终会梗死的脑组织范围。文献[36-37]对运用激光散斑衬比成像（laser speckle contrast imaging，LSCI）对10例患者进行术中脑微血管血流监测，证明回顾性运动矫正技术可以显著提高随时间定量监测相对血流的准确性。这对于神经外科手术使用显微集成的LSCI系统，作为非侵入性监测工具在手术过程中进行高时空分辨率的放大成像为持续监测和脑灌注可视化的有效性和可行性非常重要。同时应用LSCI扩展方法采用多次曝光散斑成像（multi-exposure speckle imaging，MSCI）有效克服了LSCI的定量精度和灵敏度有限，高度依赖于曝光时间等限制的问题，并通过对脑肿瘤切除患者的肿瘤周围微血管进行了术中评估应用，进一步提高了对脑血流监测的定量准确性和敏感性。这些研究结果表明，仅将获得了LSFG作为一种辅助技术应用于神经外科手术领域的可行性，能够为准确地实时获得脑部侧支循环的建立信息评估侧支循环开放开拓了便捷、安全的前景。

5 LSI的前景展望

如何有效评估二级及三级侧支循环是目前研究热点，这对于促进缺血性卒中患者的神经功能恢复有着重大意义。有效便捷的侧支循环建立的评估，可以为缺血性卒中患者的临床个体化治疗及预后评估提供指导意义。

虽然LSFG目前只能提供二维的在体高分辨成像，不具有深度方向的分辨能力，导致穿透脑皮层的能力受限（大约几十微米）[38]，无法获得深部脑组织的血管血流分布（如丘脑、杏仁核），且对大脑皮质浅表血管进行成像分析亦只能提供血流速度的相对值，使之临床应用仍有局限性，目前主要用于实验室相关研究。但因其具有不依赖造影剂的情况下、且不需要结合机械扫描就可长时间实时获得二维高分辨率血流分布图像，从而真正实现高分辨血流成像。随着这项技术对攻克自身局限的发展，在成像方法、分辨率、成像速率的提升、定量分析准确以及装置的小型化、集成化、多模态、多参数测量等方向的提升，为临床实时掌握与评估脑侧支循环建立的实现给定了深刻有效的潜力。从而为研究脑血流重建的机制、为脑卒中的预防、卒中后的治疗策略与预后评估提供了安全可靠的临床价值依据而成为脑侧支循环评估监测技术的优先选项。

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（收稿日期：2018-09-19） （本文编辑：张爽）