激光多普勒血流仪

激光多普勒血流仪

[背景]

激光多普勒是一种无创组织血流检测手段，基于激光遇到血细胞会产生相移

的原理。激光多普勒可以给出血流量、血流速度、血细胞浓度，这些参数是从反

射光照射光传感器产生的光电流的功率谱里提取出来的。从20世纪80年代早期

开始，激光多普勒市场销量稳步上升（如图1）。相比于超声多普勒，激光多普

勒除了无创还可以检测组织的微循环和人情绪激动时血液灌注的快速变化。当然

激光多普勒也存在亟待解决的缺陷，如血液灌注信号受到组织光学特性的影响，

存在运动伪影，灌注测量缺少定量的单位，不知道检测深度和生物零信号（在不

流动条件下进行灌注测量）。[1]

图1 从1980到2006年使用到激光多普勒血流仪的文章[1]

[检测原理]

图2 MOOR激光多普勒血流仪

当一束激光照射到一小块组织上，光子会被静态或者动态的微粒散射。根

据散射角度、波长、被散射物的速度的不同，移动的红细胞会对激光产生不同的

相移。

如图3，速度ki，频率ω的光子被速度为V的红细胞散射，多普勒相移为

Δω=|V||k1-ks|cosβ，k1是入射波向量，ks是散射波向量，β是速度向量和

散射向量（即k1-ks）的夹角，β是散射角，λ是散射光的平均波长，则多普勒

相移为Δω=2(2π/λ)|v|sin(α/2)cosβ。在血液中激光会经过多次反射、微血管

走向有任意性，所以光会有一定范围内的相移。

图3 速度ki，频率ω的光子被速度为V的红细胞散射[1]

经过相移后的激光与没经过相移的激光在探头处相干产生斑点干涉纹，从而

产生交流电(AC)，用直流电的平方(DC^2)做标准化得到

<𝑖𝐴𝐶2>

<𝑖𝐷𝐶2>=1𝑁fD(2-fD) (1)

其中N是干涉斑的数目，fD是所有探测到的光子的相移频率。

图4 探头的接收发送

为了提取出血流量和血细胞浓度，需要检测探头电流波动的功率谱。如图4是从人体右

脸颊采集，扫出500个数据再求平均得到的。功率谱序数i的时刻是

Mi=∫𝜔𝑖𝑃(𝜔)𝑑𝜔∞0 (2)

I=1时是灌注信号，和血细胞运动速度的均方根和血细胞浓度成线性相关，i=0

是的信号等于光电流的调制深度并且和血细胞浓度成正比，所以𝑀1𝑀0表示平均多普勒相移（和平均运

动速度成正比）。因为激光多普勒血流仪给不出血流量的绝对值，灌注用不固定

的单位表示。

激光多普勒血流仪检测有一些基本假设：(1)光在任意组织中照射方向是随

机的；(2)多普勒相移主要是由血细胞引起的；(3)检测到的红细胞的平均数和微

循环中的红细胞数目和浓度呈正相关；(4)激光多普勒展宽会由于引发散射的细

胞数目的增加而增加。[2]

图5 从人体皮肤测出的激光多普勒信号功率谱

[实验装置]

如图6，是血流仪的工作框图和血流仪的实物结构图。激光多普勒血流仪的

组成包括一个激光器、一个激光探头（含光纤）、一个光电二极管、一个信号采

集卡、12V的电源和一台电脑。光源是波长为780的近红外激光，当激光从激光

二极管发射出来时，光进入微循环组织（如进入皮肤、血管等）后散射回另一端

的接收光纤。接着光电二极管将光信号转化为电流，经过低通滤波后放大。数据

采集卡（DAQ）将模拟信号转化成数字信号并输入电脑。

图6 激光多普勒血流仪工作框图（上）和血流仪的实物结构图（下）：(a)12V

电源；(b)激光二极管；(c)激光探头；(d)光电二极管；(e)光电二极管检测电路；

(f)DAQ连接器。[3]

[临床应用]

LDF目前已广泛应用于中枢神经系统、皮肤、肌肉、胃肠道、肝、胰、肾、

肺、脾、眼、耳、鼻以及骨骼等几乎全身各个脏器的实验或临床组织微循环血流

动力学研究。微循环的观测对疾病诊断、健康评价、药物评价等有重要意义。

(1) 皮肤微循环观测

皮肤的微循环是一个复杂的动力系统，对皮肤颜色、温度调节、皮肤代谢

和透皮转运起着非常重要的作用。监测皮肤微循环对评估药物的有效性、安全性

和了解皮肤基本的生理机制及皮肤病的发病机制有着重要的参考价值。皮肤的炎

症反应、受到外界刺激（温度、辐射等）、外用药物（血管扩张剂、抗炎症药品、

皮肤科使用的糖皮质激素）或护肤品引起的过敏反应、人体功能病变（高血压、

心力衰竭、情绪低落）等也可引起红斑的产生。

在使用激光多普勒血流仪（LDF）进行测量时要注意，LDF只能测量出皮肤

血流的相对变化。如果仪器的参数设定不变，在不同的受试者之间和同一受试者

的不同部位之间得到的测量结果可以进行比较。最常用的方法是测量短期干预之

后的急性血流变化。在这种情况下，人们关心的是血流速度相对于基础值的变化。

并且采用受试者自身对照，结果可能更加可靠。[4]

(2) 脑血流监测

和其它检测脑血流的手段相比，以激光探测脑血流, 其探头不伸入脑组织，

避免脑组织的损害；以多普勒效应为检测基础，无需吸入或注射任何药物，不用

等候检测时机，可随时进行检测；瞬时测量时间为011秒，可以迅速反馈血流变

化，符合多部位重复测量的需要。[5]

在神经外科中对脑组织的迅速、无创、实时、连续监测可方便临床医师及时

制定有针对性的治疗方案，从而提高治疗效果。手术时LDF可将探头方便地放在

暴露的脑组织或脊髓组织表面，并保持相对固定即可连续监测局部血流量，还可

联接计算机分析脑血流的动态变化。主要用于脑肿瘤、脑动脉瘤、脑AVM等疾

病的术中rCBF监护。如大多数脑肿瘤的rCBF 下降而动脉血气变化保持正常反应,

尤其是胶质瘤, 临床以此鉴别肿瘤组织。

在神经外科监护室，可使用特殊探头通过颅骨和硬脑膜置于脑组织表面，或

直接置于硬脑膜表面进行连续监测，为临床医师制定诊疗计划提供有力的帮助。

(3) 瓣移植术后血管危象监测[6]

各种大、中型头颈肿瘤术后缺损修复与重建常要进行瓣移植术

（游离组织瓣移植、带蒂皮瓣移植、肌皮瓣移植），游离组织瓣移植成功率已达90%~95%，但

仍有部分病例移植后血管危象而失败，因此要进行实时、连续的监测。LDF是目

前临床上应用较广泛和客观的皮瓣检测仪器，在临床病症出现前就可发现血管受

损，是无创、直接、连续检测微循环的仪器，能区分动静脉栓塞，可用于口腔表

面组织瓣和头颈深部组织瓣的监测。

但是将LDF用于瓣移植术后血管危象监测也有一些缺陷，如LDF只能发送单

一激光束，靠固定于组织某一点的探头，进行该点组织表面血流量的探测；也存

在探头移位、光栅阻塞等问题。

(4) 肠壁血流量及血含量测定

外科医师甚至可以通过内镜导入LDF光纤探头以监测消化道组织微循环状

况。LDF可无创测量小肠黏膜微循环血液灌流流量，其特点是空间组织分辨力好，

激光可达组织深度为0. 5~1. 0mm，恰为黏膜层厚度。其缺点是探头与黏膜间难

以保持良好的接触状态，结果重复性较差。应用激光多普勒微循环血流图像仪

( LDPI)可非接触式测量组织黏膜的血液灌流量，测量结果的重复性较LDF明显提

高。

[发展历史与展望]

从1975年Stern[7]第一次利用多普勒效应进行微循环观察开始，又经过几个

阶段的研究，激光多普勒血流仪才开始出现。其中，Watkins和Holloway[8]发明

了一个用于临床的处理器，然后Bonner和Nossal[9]基于完整的理论提出了一个

信号处理器。1980年Nilsson GE, Tenland T, Oberg PA[10]和1984年Nilsson GE[11]

又进一步完善，LDF才被广泛使用和接受。

随后在信号处理、深度敏感性研究、深度灌流检测技术等方面不断涌现出新

技术。

为了从多普勒展宽了的光探测信号提取出血流信息，出现了一些新的信号处

理算法。1992年Koelink[12]等人提出了一个基于频率功率谱时刻计算的数字化

的信号加工方法并且和基于模拟信号的处理方法进行了比较，发现新方法更加准

确且可容纳更大范围内的信号变化。2004年Chen[13]等人提出了一个自适应的

带宽选择算法。

为了能探测到更深层的组织的血流，一种拥有更强光源的近红外多普勒血流

仪被提出，Lohwasser和Soelkner[14]使用了120mW的激光，并且检测到30mm

深。要进一步探测更深的组织，脉冲激光源被考虑使用，Kolinko等人使用了纳

秒级和皮秒级的激光源[15]。他们使用了15kHz、20mW的尖峰光源，平均功率

为4.7mW。根据每次散射回来的光，他们重建出功率谱，并发现结果的SNR得

到了提高。

扫描激光多普勒的出现，使得灌注成像的技术得到飞跃性的发展。可用的扫

描系统可以造出组织彩图。Wardell和Nilsson[16]提出了双重激光多普勒灌注成

像，可通过时常更新的单点或多点记录研究血流在时域上的变化。Linden[17]等

人做出了更高分辨率的LDPI，分辨率达到40μm。

而今，激光多普勒血流仪仍存在一些问题，诸如组织的光学特性问题没解决、

多多普勒相移等问题需要更多的研究。抛开这些问题，激光多普勒对于微循环的

研究还是有重要作用的。

[索引]

[1] Vinayakrishnan Rajan & Babu Varghese &Ton G. van Leeuwen& Wiendelt Steenbergen.

“Review of methodological developments in laser Doppler flowmetry. “Lasers Med Sci (2009) 24:269– 283 DOI 10.1007/s10103-007-0524-0

[2] Bonner RF, Nossal R (1981) Model for laser Doppler measurements of blood flow in tissue.

Appl Opt 20:2097 – 2107

[3] Chang-Lin Hu, Zhan-Sheng Lin, Yen-Yu Chen, Yuan-Hsiang Lin and Meng-Lin Li. “Portable Laser

Doppler Flowmeter for Microcirculation Detection.” Biomed Eng Lett (2013) 3:109-114

[4] 岳学状,朱文元.” 皮肤微循环的测量.” 中华医学美学美容杂志2006年12月第12卷第6

期

[5] 于德林,董少义.” 激光多普勒在神经外科的应用.” 武警医学院学报(Acta Academiae

Medicinae CPAPF) Vol111 No12

[6]韩冬,陈传俊.”头颈部游离组织瓣移植术后血管危象监测技术进展.”中国口腔颌面外科杂

志.” 2008年1月 第六卷 第一期

[7] Stern MD (1975) In vivo evaluation of microcirculation by coherent light scattering. Nature

254:56– 58

[8]Watkins D, Holloway GA Jr (1978) An instrument to measure cutaneous blood flow using the

Doppler shift of laser light. IEEE Trans Biomed Eng BME-25:28 – 33