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OCTA探究人體皮膚微血管對局部刺激的反應(yīng)
采血是現(xiàn)代醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)，血液分析能為醫(yī)護(hù)人員提供大量信息，方便診斷或處理治療。如何方便快捷且無痛的獲得血液樣本也是目前較為關(guān)注的問題，美國華盛頓大學(xué)和Tasso公司的研究人員Shaojie Men等通過使用光學(xué)相干斷層掃描血管造影術(shù)（OCTA），測量和比較了上臂皮膚內(nèi)微血管對局部刺激（如加熱或摩擦）的反應(yīng)，并研究其對收集血量的影響。發(fā)現(xiàn)局部加熱和摩擦刺激后，血管密度、平均血管直徑和平均無血管孔尺寸分別出現(xiàn)了顯著變化，此外加熱和摩擦刺激后血液采集量都顯著增加。為了解局部刺激后皮膚微血管應(yīng)答提供了見解，也為改善采血方案提供了思路。研究成果以“OCT-Based Angiography of Human Dermal Microvascular Reactions to LocalStimuli: Implications for Increasing Capillary Blood Collection Volumes”為題發(fā)表于Lasers Surg. Med。
背景
現(xiàn)代醫(yī)療保健中，采集血液進(jìn)行診斷測試是其中一個(gè)關(guān)鍵步驟。血液中的成分提供了大量關(guān)于病人健康的可靠信息，如特定生物標(biāo)志物的水平可用于指示潛在疾病的存在，包括癌癥；血液中酶、代謝物、電解質(zhì)、脂質(zhì)、激素或維生素水平可提供關(guān)于器官或系統(tǒng)功能的信息；血細(xì)胞計(jì)數(shù)可用于檢測多種疾病，包括貧血或感染。實(shí)驗(yàn)室診斷測試靈敏度的提高極大地?cái)U(kuò)展了測試目錄，可實(shí)現(xiàn)從皮膚穿刺毛細(xì)血管獲得的少量血液進(jìn)行測試。出于精細(xì)和效率的考慮，從皮膚微循環(huán)采集血液越來越受歡迎，而微循環(huán)采血也需要改進(jìn)，特別是在增加采集的血液量和降低用戶錯(cuò)誤率方面。Tasso公司開發(fā)了一種毛細(xì)血管血液采集裝置，利用開放式微流體技術(shù)，只需按一下按鈕，極大的簡化了血液采集過程。理論上將這種改進(jìn)的采集裝置與局部微血管刺激相結(jié)合，可能會對采集的血液量產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。為了驗(yàn)證這種集體方法是否可行，需要一種合適的成像工具。
光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種基于光學(xué)低相干干涉術(shù)的相對較新的非侵入性成像方式，它可以提供體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)、高分辨率的3D圖像。光學(xué)微血管造影（OMAG）是OCT的一個(gè)重要功能性擴(kuò)展，能夠通過檢測由流動的紅細(xì)胞引起的OCT信號的變化來提供微血管可視化信息。將OCT技術(shù)與OMAG掃描方案及處理相結(jié)合，建立了光學(xué)相干斷層掃描血管造影（OCTA）。近年來，OCTA已經(jīng)成功應(yīng)用于人類皮膚病學(xué)研究中，用于檢查健康指甲表皮毛細(xì)血管、與銀屑病相關(guān)的血管異常、炎癥反應(yīng)，以及痤瘡后的愈合過程。
本研究的目的是使用OCTA評估和比較由兩種不同的刺激（局部加熱和摩擦）引起的上臂皮膚內(nèi)的微血管反應(yīng)，然后使用毛細(xì)血管采血裝置將這些發(fā)現(xiàn)與采血量相關(guān)聯(lián)。這應(yīng)該是第一項(xiàng)通過使用OCTA和微循環(huán)血液采集來研究皮膚微血管系統(tǒng)和血液量之間的可能關(guān)系的研究。不僅展示了OCTA在臨床研究中的廣泛應(yīng)用性，還為皮膚刺激在增強(qiáng)血液采集中的潛在用途提供了實(shí)用見解。
參與者年齡及處理分組如表1。加熱刺激為覆蓋加熱袋40℃ 2 min；摩擦刺激為參與用手自行摩擦1 min。使用fiber-based swept source-OCTA (SS-OCTA)系統(tǒng)成像，分別在刺激前5 min（基線）、刺激后立即（T0）、刺激后5 min（T5）、10 min（T10）、30 min（T30）測量血管參數(shù)。以血管密度、平均血管直徑、平均無血管區(qū)尺寸這三個(gè)參數(shù)量化血管適應(yīng)性變化。使用毛細(xì)血管血液采集裝置HemoLink（Tasso Inc, Seattle, WA）采集血液。
圖1 成像區(qū)域和數(shù)據(jù)處理協(xié)議示意。（A）成像區(qū)域。（B）皮膚結(jié)構(gòu)的截面OCT B-frame，虛線為分割結(jié)果。（C）OMAG血流信息以及真皮乳頭層和真皮網(wǎng)狀層的分割。（D）真皮層血管圖像。（E）血管圖像D二值化，血管顯示為白色像素，無血管空間為黑色像素。（F）E的反轉(zhuǎn)圖，展示每個(gè)無血管區(qū)域的內(nèi)接圓，即無血管孔尺寸。
結(jié)果
01-刺激前后的皮膚OCTA成像
使用OCTA對總共19名參與者進(jìn)行了成像評估。圖2為加熱（2A）和摩擦（2B）條件下5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的整個(gè)真皮的正面MIP圖像，應(yīng)用了深度顏色編碼，從淺表的黃色到深處的藍(lán)色。在這兩種情況下，淺層血管參數(shù)如血管密度和血管直徑，在T0都較基線時(shí)增加，隨后正常化。似乎在摩擦刺激情況下這種應(yīng)激反應(yīng)廣泛。在T30兩種刺激的圖像與對應(yīng)基線圖像相當(dāng)，表明恢復(fù)到了刺激前的狀態(tài)。
圖2 刺激前后整個(gè)真皮的正面投影血管圖像。（A）熱刺激。分別為刺激前和刺激后0、5、10和30 min的整個(gè)真皮的血管系統(tǒng)。（B）摩擦刺激。分別為刺激前和刺激后0、5、10和30 min的的整個(gè)真皮的血管系統(tǒng)。顏色表血管深度。
02-血管參數(shù)的定量測量
首先研究了基線時(shí)（對照）時(shí)左上臂和右上臂的血管參數(shù)量化，如表2所示。paired t-test顯示左上臂和右上臂之間在血管密度（P = 0.3148）、平均血管直徑（P = 0.1853）和平均無血管孔尺寸（P = 0.7959）上無統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異。
從整個(gè)真皮角度。刺激前（基線）和刺激后（T0–T30）血管密度的變化如圖3A所示。在刺激后（T0），血管密度較基線顯著增加，無論加熱（0.422 ± 0.040到0.491 ± 0.069，P = 0.0004）和摩擦（0.414 ±0.044到0.545 ± 0.088，P < 0.0001）都是如此，在摩擦條件下的增加更顯著（P = 0.0046），這些測量值與視覺觀察結(jié)論一致。隨后記錄值逐漸恢復(fù)，T30時(shí)已無差異，再次證實(shí)了視覺觀察結(jié)論。
刺激前（基線）和刺激后（T0–T30）平均血管直徑值的變化如圖3B所示。兩種情況下T10的血管直徑都較基線值有顯著增加。此外T0時(shí)，加熱和摩擦條件下的平均血管直徑間有顯著差異，加熱誘導(dǎo)的反應(yīng)顯著（P = 00074）。此外，加熱引發(fā)了即時(shí)反應(yīng)，增加的平均血管直徑在T0達(dá)到峰值（63.6 ± 5.3 μm），而摩擦引發(fā)延遲反應(yīng)，增加的平均血管直徑在T10達(dá)到峰值（61.5 ± 5.1 μm）。
刺激前（基線）和刺激后（T0-T30）平均無血管孔尺寸的變化如圖3B所示。此處，摩擦引發(fā)即時(shí)反應(yīng)，T0時(shí)的平均無血管孔尺寸顯著減?。?80.4 ± 8.8到165.6 ± 19.6 μm，P= 0.0068）。而加熱引發(fā)延遲反應(yīng)，T5時(shí)才可見平均血管孔尺寸顯著減?。?81.4 ± 7.7到172.1 ± 9.2 μm，P= 0.0005）。平均無血管孔尺寸在T30時(shí)都恢復(fù)到接近基線值狀態(tài)。
圖3 刺激前后血管參數(shù)的定量數(shù)據(jù)，來源于整個(gè)真皮、乳頭狀真皮和網(wǎng)狀真皮的OCTA掃描。（A）血管密度。（B）平均血管直徑。（C）平均無血管孔尺寸。*P ≤ 0.05，**P ≤ 0.01，***P ≤ 0.001，****P ≤ 0.0001。
從乳頭狀真皮角度。對OCT體積式掃描圖像進(jìn)行分割，從整個(gè)真皮中分離出乳頭狀真皮的脈管系統(tǒng)（深度約230 μm），分別測量不同時(shí)間點(diǎn)的血管參數(shù)，如圖3所示。刺激前（基線）和刺激后（T0–T30）血管密度的變化如圖3A所示。摩擦引發(fā)即時(shí)反應(yīng)，血管密度在T0時(shí)較基線顯著增加（0.250 ± 0.026到0.330 ± 0.077，P = 0.0004）。而加熱引發(fā)延遲反應(yīng)，T5時(shí)血管密度出現(xiàn)顯著增加（0.254 ± 0.028到0.292 ± 0.042，P = 0.0004）。T30時(shí)都恢復(fù)到接近基線值。
刺激前（基線）和刺激后（T0–T30）平均血管直徑值的變化如圖3B所示。在T0時(shí)，兩種刺激下，平均血管直徑值都較基線增加（34.3 ± 3.0到36.4 ± 2.8 μm，P < 0.0001；33.4 ± 1.6到35.2 ± 2.4 μm，P < 0.0001），熱刺激誘發(fā)的反應(yīng)似乎更顯著（P = 0.0258），反應(yīng)消退得也比摩擦刺激更快（分別在T10和T30時(shí)）。
刺激前（基線）和刺激后（T0-T30）平均無血管孔尺寸的變化如圖3C所示。此處只有摩擦刺激能引起應(yīng)答，無血管孔尺寸T0時(shí)就開始減少（187.4 ± 13.4到172.8 ± 16.2 μm，P = 0.0012）。
從網(wǎng)狀真皮角度。將網(wǎng)狀真皮的脈管系統(tǒng)（深度230–1100 μm）分割出來，測量血管參數(shù)，也如圖3所示。刺激前（基線）和刺激后（T0–T30）血管密度的變化如圖3A所示。加熱和摩擦T0時(shí)血管密度都較基線增加（0.305 ± 0.038到0.376 ± 0.053，P < 0.0001；0.311 ±0.048至0.390 ± 0.057，P < 0.0001），加熱刺激后血管密度似乎更快恢復(fù)到基線狀態(tài)。
刺激前（基線）和刺激后（T0–T30）平均血管直徑值的變化如圖3B所示。加熱刺激在T0時(shí)首先使平均血管直徑值增加（85.3 ± 2.8到87.6 ± 2.8 μm，P < 0.0001），而摩擦刺激直到T10才表現(xiàn)出平均血管直徑增加（85.4 ± 2.7到86.5 ± 2.3 μm，P = 0.0036）。加熱刺激的血管直徑反應(yīng)也較摩擦刺激更快地正?；?。
刺激前（基線）和刺激后（T0-T30）平均無血管孔尺寸的變化如圖3C所示。T0時(shí)加熱和摩擦刺激都會使平均無血管孔尺寸減?。?13.4 ± 25.4到287.0 ± 36.2 μm，P = 0.0001；312.6 ± 43.0到270.6 ± 41.6 μm，分別P < 0.0001）。摩擦也引發(fā)了顯著的反應(yīng)（P = 0.0177）。
從血容量角度。圖4A說明了采血位置。圖4B顯示了每次刺激后收集的血液量的變化，可見兩種刺激都能夠顯著提高血液收集量。加熱使采集的血液量增加了87.6 ± 21.5%，P = 0.0013，而摩擦使采集的血液量增加了311.6 ± 143.6%，P = 0.0464。為確定皮膚預(yù)處理是否對血液樣品的質(zhì)量有影響，測量了每個(gè)樣品的溶血，結(jié)果表明加熱刺激會使平均溶血水平顯著下降，從0.6683 ± 0.0635 mg/L到0.4414 ± 0.0760 mg/L，P = 0.0281（圖4C）。雖然摩擦刺激下溶血水平也會降低，但沒有觀察到顯著性。
圖4 刺激前后血液收集量和溶血水平。（A）抽血示意圖。（B）對照、加熱后、摩擦后采集的血量。（C）刺激前后溶血水平。*代表P ≤ 0.05。
結(jié)論
本研究通過使用OCTA對皮膚血管進(jìn)行了可視化，并從定性和定量兩方面揭示了局部刺激下微血管的反應(yīng)及對采血量的影響，發(fā)現(xiàn)加熱和摩擦刺激都可以促進(jìn)皮膚微血管系統(tǒng)調(diào)節(jié)，并對血液收集能力產(chǎn)生積極影響，其中摩擦的影響更大。研究不僅證明了OCTA是一種非常有前途的非侵入性成像技術(shù)，還證明了這種方法可以與毛細(xì)血管采血裝置一起集成到采血方案中，以幫助實(shí)現(xiàn)更有效、無痛苦和無壓力的采血。
參考文獻(xiàn)：Men, S. , et al. "OCT‐based angiography of human dermal microvascular reactions to local stimuli: Implications for increasing capillary blood collection volumes." Lasers in Surgery & Medicine (2018).