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Scientific Reports | 毫秒级激光散斑成像：实时监测血流成像新工具

 

 

导读

本文聚焦实时激光散斑对比度成像（LSCI）在神经血管手术中血流评估的动物实验研究，探讨其在大鼠颈总动脉手术场景（如近端闭塞、血管吻合、血栓形成等）中评估血流的有效性。研究表明，LSCI 作为一种非侵入性、无需荧光物质的技术，能实时检测血流变化，为神经外科手术减少术后并发症提供了新工具，是极具前景的术中血流评估方法。

 

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该研究由 Anton Konovalov、Fyodor Grebenev、Dmitry Stavtsev 等多位研究者共同完成，文章名为《Real-time laser speckle contrast imaging for intraoperative neurovascular blood flow assessment: animal experimental study》，发表在《Scientific Reports》期刊。

 

重要发现

1.光学成像原理的革命性突破

 
 

激光散斑对比成像（LSCI）基于独特的生物光子学原理：当785nm近红外激光照射血流时，运动红细胞会导致激光散斑图案动态变化。通过计算散斑对比度值 K=σ/⟨I⟩（σ为像素强度标准差，⟨I⟩为平均强度），系统将散斑波动转化为相对血流速度（RBF）。

 

该技术通过定制化光学组件实现：激光二极管发射相干光穿透组织、偏振滤光片消除表面反射噪声、带通滤光片抑制环境光干扰、高速相机以5ms曝光捕捉散斑动态。

 

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使用激光散斑衬比成像（LSCI）系统对颈总动脉血管血流参数进行顺序测量

 

2.五大手术场景的实验验证

 
 

研究在大鼠颈动脉模型（直径≈人脑血管1mm）中模拟五种手术情境，通过LSCI与接触式多普勒超声对照：

 

1. 血管闭塞与捕获

 

近端夹闭时，LSCI检测到远端血流速下降58.1%（26.23→15.26 a.u.），并首次捕捉到传统手段无法发现的逆向血流。血管捕获（双夹闭）后，血流信号降至12.12 a.u.，灵敏度超越多普勒。

 

2. 血管吻合术监测

 

侧侧吻合术后，LSCI显示旁路血管血流速提升32%（10.93→14.48 a.u.），同时通过伯努利流体力学定律解释了流速下降但流量增加的现象。

 

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吻合处血流的激光散斑对比成像（LSCI）可视化

 

3.术中血栓实时预警

应用三氯化铁诱发血栓后，LSCI信号骤降64.45%（13.40→4.76 a.u.），与多普勒确认的零血流状态完全吻合，为术中血栓提供即时光学预警。

 

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在向左颈总动脉（CCA）应用氯化铁（III）后，双侧颈总动脉根据激光散斑对比成像

 

3.数据可靠性三重验证

 
 

时序敏感性：再灌注后血流信号1秒内恢复基线值

 

统计学验证：Friedman检验显示各组差异p<0.001

 

技术对照：与多普勒血流速（LBFV）变化趋势高度一致

 

创新与亮点

1.突破性技术瓶颈

 
 

1. 解决"荧光依赖"困局

传统荧光造影需反复注射造影剂（如ICG），每次间隔超15分钟。LSCI通过纯光学成像实现连续监测，避免肝肾毒性风险，尤其适用于长时间复杂手术。

 

2. 颠覆性实时能力

首次实现术中35fps血流成像，延迟仅200ms。相比需停手术的MRI/CT血管造影，LSCI允许手术与监测同步进行。

 

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(A) 实时激光散斑对比成像（LSCI）期间相对血流测量图(B) 对具有相同感兴趣区域（ROI）且经运动噪声抑制处理后的LSCI数据进行后处理期间的血流动力学图(C)—左侧颈总动脉（2、3）和右侧颈总动脉（1—对照）两个点处的ROI。

 

3. 微血管成像里程碑

在1mm级血管中精确捕捉逆向血流及吻合口渗漏，空间分辨率达40×40像素ROI（约0.1mm²）。

 

2.临床价值重塑

 
 

快速决策：血栓检出时间缩短至2分钟内

 

安全性提升：避免血管内探头损伤风险

 

成本效益：单设备替代多模态监测（超声+荧光+造影）

 

总结与展望

本研究证实实时LSCI在神经血管手术中具有变革性潜力：其非接触、无造影剂的特点攻克了传统监测的技术壁垒，而毫秒级响应速度首次实现"边手术边观察"的临床理想模式。

 

当前主要限制在于运动伪影（如器械操作震动），未来可通过AI降噪算法与手术机器人运动协同优化。随着深度学习血流方向分析算法（如Duncan模型）的整合，下一代系统有望区分动静脉血流。

 

研究团队正推进LSCI与神经外科外镜系统的硬件集成，计划3年内启动临床试验。这项光学技术将推动神经外科进入智能显微时代——就像给手术刀装上"血流透视眼"，让每一条微血管的搏动都清晰可辨。

 

声明：本文仅用作学术目的。

文章来源于：

Konovalov A, Grebenev F, Stavtsev D, Kozlov I, Gadjiagaev V, Piavchenko G, Telyshev D, Gerasimenko AY, Meglinski I, Zalogin S, Artemyev A, Golodnev G, Shumeiko T, Eliava S. Real-time laser speckle contrast imaging for intraoperative neurovascular blood flow assessment: animal experimental study. Sci Rep.

DOI: 10.1038/s41598-023-51022-2.