舌下微循环显微影像监测及其应用研究进展

蒋 升 李佩伦 宁钢民

(浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，杭州 310058)

引言

微循环包括微动脉、微静脉和毛细血管，是循环系统的最小单元，也是血液与组织进行氧和及营养物质交换的场所[1]。研究表明，微循环病变发生早于体循环病变，是导致组织低灌注和休克，继而引起多器官功能衰竭的关键环节[2]。如微循环障碍患者的全身血流动力学情况恢复后，代表组织灌注的指标，如乳酸和尿量等，仍出现异常[3]，这说明微循环障碍尚未得到改善。因此进行微循环监测和评估有助于检验治疗是否达到合理水平。

舌体微循环包括舌乳头微循环[4]与舌下微循环形态[5]，两者结构差异较大，其中舌下微循环呈网状结构。舌下微循环富含微血管且血流灌注活跃、微循环状态变化丰富，一定程度上反映了活体组织微循环的状态，是进行临床微循环监测和活体动物微循环监测的理想部位[6]。舌下微循环监测越来越得到广泛应用：临床上，舌下微循环监测能够反映机体微循环障碍状态，已经用于评价脓毒症、呼吸衰竭等重症疾病演变过程中重要病理生理改变[7]；实验中，舌下微循环监测也被用于药物对微循环的影响[8]，以及活体动物各器官微循环生理、病理关系等的研究[9]。

本文回顾总结了舌下微循环显微影像监测采用的光学技术模式、成像后的图像处理算法、基于特征提取算法得到的指标体系以及舌下微循环监测的应用情况，并对开展舌下微循环监测的发展进行了展望。

1 设备

1.1 构成

舌下微循环显微影像监测设备通常由监测探头和主机组成(见图1)。监测探头采用不同形式的光学技术对约1 mm2范围的舌下微循环进行拍摄。视频通过线缆传至主机，借助图像处理算法处理，生成相应的评价指标。

图1 舌下微循环显微影像监测设备Fig.1 Sublingual microcirculation monitoring device

1.2 探头采用的光学技术

自20世纪90年代以来，舌下微循环显微影像监测探头采用的光学技术已经出现3种模式。

第1种模式是由Groner等[10]提出的正交偏振多光谱(orthogonal polarization spectral，OPS)成像技术(见图2)。该技术主要特点在于：使用与血红蛋白吸收波长相近的550 nm波长的偏正光照射组织，其反射光经过一个呈直角的偏振片最终成像，因此成像后红细胞为黑色小体，显著提高了微血管图像的对比度。OPS技术的局限性在于：首先，对光线过于敏感，容易造成影像模糊，从而影响清晰度，不利于对毛细血管的观察；其次，需要具备高能光源，一定程度限制了临床应用的普及。

图2 正交偏振多光谱成像技术原理[3]Fig.2 OPS：Orthogonal polarization spectral[3]

第2种模式是旁流暗视野(sidestream dark field，SDF)成像技术[11]，是OPS技术的衍生技术(见图3)。该技术特点在于：将光源改为发光二极管，排列在探测器末端，发出波长为530 nm绿光。独立极化的光源可以照入更深的微循环内部组织，使得红细胞和白细胞对比度更高，因此显著提高了分辨率，并能监测 更深组织的毛细血管。 荷兰MicroVision Medical公司生产的MicroScan SDF设备[12]和英国KK Technology公司生产的Capiscope HVCS-HR SDF设备[13]是其中的代表。

图3 旁流暗视野技术和入射光暗视野技术原理[8]Fig.3 SDF:Sidestream dark field and IDF: Incident dark field[8]

第3种模式是入射光暗视野(incident dark field，IDF)成像技术[14]，这项技术原理于1971年最先提出[15](见图3)。设备由笔状探头组成，其中包含了照明、透镜、传感器。设备利用高像素芯片和计算机控制下的短脉冲光源对光照进行同步和控制。IDF技术与SDF技术最大的区别是没有隔离反射光中的入射光。IDF技术具有比SDF技术更高的分辨率，更好的成像质量和更多可视化的毛细血管[16-17]。荷兰Braedius Medical公司的Cytocam IDF设备[18]是其中的代表，该产品物镜放大倍数为4倍，可以达到300线对/mm的光学分辨率，1.55 mm×1.16 mm视场。

1.3 主机采用的图像处理算法

通过手持显微设备获取舌下微循环图像后，需要通过合适的算法对图像进行处理，以获得有用的微循环评价指标。

Bezemer等[19]提出了处理舌下微循环图像的一般算法流程(见图4)。首先对视频进行去抖动处理，得到稳定的图像序列；然后采用时间平均等方法得到时间平均图像(为了填补血浆和白细胞造成的红细胞间隙)和像素强度波动图。利用时间平均图检测血管网络中心线，并基于对比度阈值验证中心线，像素强度波动图用于检测中心线是否存在血流灌注。最后，生成血管灌注密度和血管密度等评估指标。

之后，赵兴群等[20]借鉴了Bezemer等的研究，提出了可以测量血管动态参数的微循环血流分析算法的设计方案，其算法包括：首先对视频图像进行消抖、去燥以及增强等预处理；随后通过计算毛细血管区域与成像视野范围的面积比值计算毛细血管密度以及通过血管中心线提取以及血管边缘提取得到血管直径；其次基于时空图(spatiotemporal image, ST)的方法[19]估计微循环的流速等动态参数。该算法的技术路线是将细胞运动轨迹映射到ST图中，将基于视频的流速测量转换为对ST图中轨迹的方向测量。

除此之外，Kuryati等[21]综述了基于图像处理的视网膜微循环特征提取技术的研究现状，可以为舌下微循环图像处理提供借鉴。文章介绍了视网膜微循环生理特征，概述了脑卒中患者视网膜血管异常特征的图像处理技术，总结了通用的视网膜特征提取过程，包括图像采集、灰度图像处理、眼底图像增强、眼底图像分割、边缘检测、血管提取、血管直径测量、血管特征提取等。

1.4 探头的固定形式

现有的舌下微循环显微影像监测设备通常采用手持方式，因此存在影像不稳定以及观测视野面积偏小(约1 mm2)问题。为此有研究提出采用可调节稳定支架(adjustable stabilizing device，ASD)[22]或者图像采集稳定器(image acquisition stabilizer，IAS)[23-24]的方案。

ASD的基本结构(见图5)是一个由30 cm长的柔性金属弯臂制成的C形夹，其底座固定于桌子等任意稳定平面上，便于任意操作显微设备的方向。柔性金属弯臂内部贯穿钢缆以提供钢性。在金属弯臂的另一端是显微设备固定装置。固定装置有3个调节方向，每个方向可以调节20 mm。该装置可以避免手持显微设备带来的抖动情况，并可以通过调节旋钮微调探头位置，使观察面积达到约1 cm2，是原先观察面积(约1 mm2)的100倍。

图5 可调节稳定支架[11]Fig.5 Adjustable stabilizing device[11]

IAS由一个中空的不锈钢圆柱体组成(见图6)。它紧贴着手持设备探头的一次性无菌帽的顶端。这种设计可以缓解探头对观察组织的压力，同时不至于使设备失焦。同时，采用真空压力调节器，通过IAS周围的20个小孔，使得探头与组织间产生负压，以达到稳定图像的作用。实验表明，采用IAS后，获取稳定图像的时间由原先的平均(150±25)s，缩短到(99±20)s；稳定图像的持续时间由原先的(8±2)s提高到(42±8)s。

图6 图像采集稳定器(IAS)[12]Fig.6 Image acquisition stabilizer[12]

2 微循环灌注指标

对于通过舌下微循环显微成像设备获取的微循环图像，还需要利用合理的灌注指标对其灌注能力进行评价。根据2018年的《重症患者舌下微循环评估第二次专家共识》中的意见[25]，毛细血管的灌注质量、血管密度、血流灌注不均一性被用于评估微循环内红细胞向组织的输氧能力。其中，灌注质量的指标有微血管血流指数(microvascular flow index，MFI)和灌流血管比例(proportion of perfusion vessels，PPV)，可用于判断微循环是否出现瘀滞。微血管血流指数采用半定量分析方法：血管直径分为小血管、中血管和大血管；血流分为无血流、间歇流动、缓慢流动和持续流动。监测图像被分为4个象限，根据血管管径和血流速度，可以给每个象限评分，平均分即为微血管血流指数。该指标的优点是易于通过观察得到。灌流血管比例采用百分比计数，指灌流血管(血流状态为瘀滞或正常的血管)总长度除以所有血管的长度之和。该指标的优点是再现性好，缺点是对各项同性敏感。

血管密度指标有总血管密度(total vascular density, TVD)、灌流血管密度(perfusion vascular density, PVD)和De Backer评分，可用于判断微循环数量是否出现减少。总血管密度为总血管面积除以总的分析面积。该指标的缺点是需要手工修正软件识别参数，同时需要估计血管的直径。灌流血管密度为总血管密度乘以灌流血管比例。该指标是临床上衡量功能毛细血管密度的金标准，其缺点是计算需要消耗大量时间。De Backer评分计算方法为将图像用3条横线和3条纵线分割为9个区域，血管穿过各区域的数量除以总的血管长度即为评分值。代表的是功能毛细血管密度。

血流灌注不均一性指标有血流不均一指数(HI)，可用于判断血流分布的异常程度。由各采样点的微血管血流指数中最大MFI和最小MFI之差除以平均MFI得到。

上述指标体系一定程度反映了微循环灌注状态，有助于评价微循环障碍程度，但是缺乏对微循环状态的精准和完整描述，未来借助人工智能和机器学习等技术，可以获得更丰富和有价值的微循环评价指标。

3 临床应用

临床上，舌下微循环显微影像监测目前较多用于脓毒症、休克导致的重症微循环障碍的检测与评估。Ince等[26]的研究显示，舌下微循环显微影像监测可以用于发现微循环是脓毒症的使动因素：通过对舌下微循环监测，与健康对照组相比，发现脓毒症患者微血管密度明显降低，揭示了脓毒症与微循环障碍的相关性。Rovas 等[27]的研究显示，舌下微循环显微影像可以用于检测微循环障碍与糖萼受损程度的相关性，即将微血管血流指数和灌注血管比例与糖萼损伤标志物进行比较。在对脓毒症治疗的评价中，Ospina-Tascon等[28]的研究表明，舌下微循环监测可以对脓毒症液体复苏进行评价：利用监测设备对舌下血管灌注比例进行监测后发现，脓毒症早期时的液体恢复可以使小血管灌注比例从65%提升至80%，而晚期的液体恢复则从75%变为74%。

最新的临床研究中，舌下微循环监测还被用于明确舌下微循环与肝硬化、低温、体液失衡等病症的关系。Ballerga 等[29]的研究通过监测肝硬化病人舌下微循环灌注血管密度和比例，发现舌下微循环病变与肝硬化有关。赵川等[30]研究表明，通过监测受试者微血管流动指数和灌注血管密度，发现低温可引起微循环状态异常。 Uz等[31]的研究显示，通过监测舌下微循环的总血管密度、灌注血管密度、灌注血管比例和微血管血流指数，发现微循环指标能反映体液的超负荷灌注。

4 实验应用

一类重要的实验应用是利用微循环显微成像设备研究药物对微循环的影响。在进行临床治疗特别是重症治疗时，特别要关注药物对组织灌注，既微循环灌注的影响，微循环显微成像设备在其中发挥了重要作用。硝酸甘油可以被用于血管舒张，减少外周血管阻力[32]。Boerma等[33]利用微循环显微成像设备的研究表明，硝酸甘油可以改善微循环：注射0.5 mg硝酸甘油的脓毒症患者的舌下微循环血流有明显增加。右旋美托咪啶为有效的α2肾上腺素受体激动剂，临床上用于重症监护治疗期间插管和使用呼吸机时的镇静[34]。Hisham等[35]利用微循环显微成像设备研究表明，这种镇静剂对微循环有改善作用：镇静剂组的血流指数和灌注血管密度均高于对照组。多巴酚丁胺可被用于舒张血管，增加心排量，但其在感染性休克复苏中的作用仍存争议[36]。Hernandez 等[37]利用微循环显微成像设备研究表明，多巴酚丁胺对舌下微循环改善没有帮助。苯肾上腺素被用于收缩血管、升高血压，可被用于体外循环患者稳定血压[38]。 Maier等[39]利用微循环显微成像设备研究了体外循环患者注射苯肾上腺素后组织灌注的变化情况。研究表明，苯肾上腺素会导致舌下微循环血流减少，影响组织灌注。特利加压素是脓毒症患者推荐加压素药物，被用于增加外周血管阻力，保障器官灌注[40]。Morelli等[41]利用微循环显微成像设备研究表明，注射低剂量的特利加压素不影响舌下微循环灌注。

还有一类应用是器官间微循环关系研究的实验，即利用微循环显微成像设备研究舌下微循环与脏器微循环间的关系，是用舌下微循环研究替代器官组织灌注研究的基础。主要实验有：Nakagawa等[9]的研究显示，失血性休克或感染性休克时，大鼠的舌下二氧化碳分压与胃二氧化碳分压、乳酸水平直接相关，这一方面说明舌下微循环指标可以反映脏器微循环的状态，另一方面说明舌下微循环指标还是评价全身循环系统的良好指标。Qian等[42]的研究显示，随着大鼠心脏骤停时间的延长，舌下微循环和肠道微循环血管密度都出现了下降，舌下微循环与肠道微循环变化存在关联。刘威等[43]的研究也得到了相同的结论：猪在脓毒症后舌下微循环和肠系膜微循环的PPV和MFI等都出现了下降。上述研究为疾病重症期间监测舌下微循环的意义提供了理论支持。另一方面，也有研究表明，脓毒症恢复期时不同器官的微循环并不存在强相关性。Boerma等[44]的研究结果显示，在进行脓毒症治疗后，第1 d时，脓毒症患者的舌下微循环和肠系膜微循环的微循环流动指数(MFI)不相关；第3 d时，两个区域的微循环流动指数趋于一致。该研究认为，在脓毒症初期，局部微循环因素(如内皮细胞活化能力、红细胞变形能力、血管自调节能力等)可能影响微循环流量而不是全身血流动力学情况；随着时间的推演，脓毒症自身演变或治疗策略的改变能影响微循环灌注情况。

5 对于临床诊治和研究的意义

越来越多的研究显示，舌下微循环显微影像监测对于临床诊治和基础研究有着非常积极的意义。首先，作为实用的床旁监测设备，可使临床医生便捷、快速、高效地获得患者微循环变化。其次，微循环障碍是重症疾病的重要病理生理过程，重症疾病如脓毒症、休克等的发生发展与微循环的病变有着千丝万缕的关系，如Trzeciak等[45]提出，基于序贯器官衰竭评估评分系统证实微循环灌注情况与脏器衰竭有关。舌下微循环显微影像监测可以使医生获得对微循环障碍深入研究的有效观测窗口，发现微循环障碍与疾病发生发展及转归的关系，如文献[26]的研究中，利用舌下微循环显微影像监测设备发现微循环是脓毒症的使动因素。另有一些研究，包括：Scheuzger等[46]借助舌下微循环显微影像监测设备，提早预测到了一例小肠切除手术患者的病情恶化情况；Caixeta等[47]则将舌下微循环显微影像监测设备用于研究登革热休克患者疾病发生发展情况与微循环灌流血管密度(PVD)之间的关系;Bouattour等[48]则发现手术后心脏前负荷依赖与微循环减少相关。再次，舌下微循环与脏器微循环都属于微循环系统，通过与全身循环系统耦合，共同受到循环系统运行机制支配。有理由认为舌下微循环与脏器微循环存在关联，现有的研究也支持这一判断：如前所述的研究[9,43]显示，大鼠舌下微循环的二氧化碳分压与胃黏膜微循环的二氧化碳分压直接相关，而脓毒症猪的舌下微循环和肠系膜微循环血管比例出现下降。Ferrara等[49]的研究显示，血液稀释后的羊的肠系膜和舌下微循环均出现受损；高飞等[50]发现，新西兰大白兔休克后小肠绒毛和舌下微循环的微血管血流指数MFI和TVD等微循环参数均出现下降; 而赵川等[51]发现，随着体温的下降，国产家猪大脑微循环和舌下微循环微血管血流指数(MFI)和灌注血管密度(PVD)均出现下降。这都表明，舌下微循环在一定程度上反映脏器循环的情况。尽管存在一些不同的声音[44]，这可能与调节舌下微循环和脏器微循环的机制发生变化有关，舌下微循环与脏器微循环相关程度随着病程的推移会出现变化；同时，舌下微循环通过全身体循环耦合至脏器微循环的模型需要对循环系统形态、工作机理有深入研究、仿真，但借助人工智能、大数据等技术舌下微循环显微影像监测技术不失为一种预测脏器微循环情况的潜在手段，为临床医生了解、掌握患者脏器功能情况提供了工具。最后，微循环是人体物质交换和新陈代谢的场所，与诸多疾病和生理变化相关, 如肝硬化[29]、低温[30]、体液失衡[31]等。舌下微循环显微影像监测是通过微循环研究疾病及其机制的适宜手段。

6 展望和结语

近年，舌下微循环显微影像监测设备及应用实现了快速发展，但技术问题也限制了它的应用效果。主要问题表现为：尚缺少更加便利灵活的检测技术；尚不能充分反映组织血流动态以及血氧变化；尚不能有效反映局部微循环与重大疾病临床特征的相互关系。上述问题的解决需要进一步研究。随着技术进步，可以发展出贴片式的舌下微循环显微影像监测装置，以及可以将激光散斑影像技术、激光多普勒血流成像技术、血氧影像技术用于舌下微循环检测，有效反映微循环血流和血氧动态，更有效和精准反映微循环灌注的动态特征。随着人工智能和大数据技术的发展，可以将局部微循环指标与临床特征指标进行相关性统计，由此获得将微循环障碍检测用于重大疾病诊疗的可靠应用。可见，舌下微循环监测目前仍旧处于发展阶段，未来越来越多的临床应用和新技术参与，必将使其成为不可或缺的临床诊疗手段。