采血是现代医疗护理系统中关键的一环，血液分析能为医护人员提供大量信息，方便诊断或处理治疗。如何方便快捷且无痛的获得血液样本也是目前较为关注的问题，美国华盛顿大学和Tasso公司的研究人员Shaojie Men等通过使用光学相干断层扫描血管造影术（OCTA），测量和比较了上臂皮肤内微血管对局部刺激（如加热或摩擦）的反应，并研究其对收集血量的影响。发现局部加热和摩擦刺激后，血管密度、平均血管直径和平均无血管孔尺寸分别出现了显著变化，此外加热和摩擦刺激后血液采集量都显著增加。为了解局部刺激后皮肤微血管应答提供了见解，也为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”为题发表于Lasers Surg. Med。

背景
 

现代医疗保健中，采集血液进行诊断测试是其中一个关键步骤。血液中的成分提供了大量关于病人健康的可靠信息，如特定生物标志物的水平可用于指示潜在疾病的存在，包括癌症；血液中酶、代谢物、电解质、脂质、激素或维生素水平可提供关于器官或系统功能的信息；血细胞计数可用于检测多种疾病，包括贫血或感染。实验室诊断测试灵敏度的提高极大地扩展了测试目录，可实现从皮肤穿刺毛细血管获得的少量血液进行测试。出于精细和效率的考虑，从皮肤微循环采集血液越来越受欢迎，而微循环采血也需要改进，特别是在增加采集的血液量和降低用户错误率方面。Tasso公司开发了一种毛细血管血液采集装置，利用开放式微流体技术，只需按一下按钮，极大的简化了血液采集过程。理论上将这种改进的采集装置与局部微血管刺激相结合，可能会对采集的血液量产生协同效应。为了验证这种集体方法是否可行，需要一种合适的成像工具。
 

光学相干断层扫描（OCT）是一种基于光学低相干干涉术的相对较新的非侵入性成像方式，它可以提供体内组织结构的实时、高分辨率的3D图像。光学微血管造影（OMAG）是OCT的一个重要功能性扩展，能够通过检测由流动的红细胞引起的OCT信号的变化来提供微血管可视化信息。将OCT技术与OMAG扫描方案及处理相结合，建立了光学相干断层扫描血管造影（OCTA）。近年来，OCTA已经成功应用于人类皮肤病学研究中，用于检查健康指甲表皮毛细血管、与银屑病相关的血管异常、炎症反应，以及痤疮后的愈合过程。
 

本研究的目的是使用OCTA评估和比较由两种不同的刺激（局部加热和摩擦）引起的上臂皮肤内的微血管反应，然后使用毛细血管采血装置将这些发现与采血量相关联。这应该是第一项通过使用OCTA和微循环血液采集来研究皮肤微血管系统和血液量之间的可能关系的研究。不仅展示了OCTA在临床研究中的广泛应用性，还为皮肤刺激在增强血液采集中的潜在用途提供了实用见解。
 

参与者年龄及处理分组如表1。加热刺激为覆盖加热袋40℃ 2 min；摩擦刺激为参与用手自行摩擦1 min。使用fiber-based swept source-OCTA (SS-OCTA)系统成像，分别在刺激前5 min（基线）、刺激后立即（T0）、刺激后5 min（T5）、10 min（T10）、30 min（T30）测量血管参数。以血管密度、平均血管直径、平均无血管区尺寸这三个参数量化血管适应性变化。使用毛细血管血液采集装置HemoLink（Tasso Inc, Seattle, WA）采集血液。

 

 图1 成像区域和数据处理协议示意。（A）成像区域。（B）皮肤结构的截面OCT B-frame，虚线为分割结果。（C）OMAG血流信息以及真皮乳头层和真皮网状层的分割。（D）真皮层血管图像。（E）血管图像D二值化，血管显示为白色像素，无血管空间为黑色像素。（F）E的反转图，展示每个无血管区域的内接圆，即无血管孔尺寸。

 结果
 01-刺激前后的皮肤OCTA成像

 

使用OCTA对总共19名参与者进行了成像评估。图2为加热（2A）和摩擦（2B）条件下5个时间点的整个真皮的正面MIP图像，应用了深度颜色编码，从浅表的黄色到深处的蓝色。在这两种情况下，浅层血管参数如血管密度和血管直径，在T0都较基线时增加，随后正常化。似乎在摩擦刺激情况下这种应激反应广泛。在T30两种刺激的图像与对应基线图像相当，表明恢复到了刺激前的状态。



 

 图2 刺激前后整个真皮的正面投影血管图像。（A）热刺激。分别为刺激前和刺激后0、5、10和30 min的整个真皮的血管系统。（B）摩擦刺激。分别为刺激前和刺激后0、5、10和30 min的的整个真皮的血管系统。颜色表血管深度。

  02-血管参数的定量测量
 

首先研究了基线时（对照）时左上臂和右上臂的血管参数量化，如表2所示。paired t-test显示左上臂和右上臂之间在血管密度（P = 0.3148）、平均血管直径（P = 0.1853）和平均无血管孔尺寸（P = 0.7959）上无统计学显著差异。



 

从整个真皮角度。刺激前（基线）和刺激后（T0–T30）血管密度的变化如图3A所示。在刺激后（T0），血管密度较基线显著增加，无论加热（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，在摩擦条件下的增加更显著（P = 0.0046），这些测量值与视觉观察结论一致。随后记录值逐渐恢复，T30时已无差异，再次证实了视觉观察结论。
 

刺激前（基线）和刺激后（T0–T30）平均血管直径值的变化如图3B所示。两种情况下T10的血管直径都较基线值有显著增加。此外T0时，加热和摩擦条件下的平均血管直径间有显著差异，加热诱导的反应显著（P = 00074）。此外，加热引发了即时反应，增加的平均血管直径在T0达到峰值（63.6 ± 5.3 μm），而摩擦引发延迟反应，增加的平均血管直径在T10达到峰值（61.5 ± 5.1 μm）。
 

刺激前（基线）和刺激后（T0-T30）平均无血管孔尺寸的变化如图3B所示。此处，摩擦引发即时反应，T0时的平均无血管孔尺寸显著减小（180.4 ± 8.8到165.6 ± 19.6 μm，P= 0.0068）。而加热引发延迟反应，T5时才可见平均血管孔尺寸显著减小（181.4 ± 7.7到172.1 ± 9.2 μm，P= 0.0005）。平均无血管孔尺寸在T30时都恢复到接近基线值状态。
 

图3 刺激前后血管参数的定量数据，来源于整个真皮、乳头状真皮和网状真皮的OCTA扫描。（A）血管密度。（B）平均血管直径。（C）平均无血管孔尺寸。*P ≤ 0.05，**P ≤ 0.01，***P ≤ 0.001，****P ≤ 0.0001。

 

从乳头状真皮角度。对OCT体积式扫描图像进行分割，从整个真皮中分离出乳头状真皮的脉管系统（深度约230 μm），分别测量不同时间点的血管参数，如图3所示。刺激前（基线）和刺激后（T0–T30）血管密度的变化如图3A所示。摩擦引发即时反应，血管密度在T0时较基线显著增加（0.250 ± 0.026到0.330 ± 0.077，P = 0.0004）。而加热引发延迟反应，T5时血管密度出现显著增加（0.254 ± 0.028到0.292 ± 0.042，P = 0.0004）。T30时都恢复到接近基线值。
 

刺激前（基线）和刺激后（T0–T30）平均血管直径值的变化如图3B所示。在T0时，两种刺激下，平均血管直径值都较基线增加（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），热刺激诱发的反应似乎更显著（P = 0.0258），反应消退得也比摩擦刺激更快（分别在T10和T30时）。
 

刺激前（基线）和刺激后（T0-T30）平均无血管孔尺寸的变化如图3C所示。此处只有摩擦刺激能引起应答，无血管孔尺寸T0时就开始减少（187.4 ± 13.4到172.8 ± 16.2 μm，P = 0.0012）。
 

从网状真皮角度。将网状真皮的脉管系统（深度230–1100 μm）分割出来，测量血管参数，也如图3所示。刺激前（基线）和刺激后（T0–T30）血管密度的变化如图3A所示。加热和摩擦T0时血管密度都较基线增加（0.305 ± 0.038到0.376 ± 0.053，P < 0.0001；0.311 ±0.048至0.390 ± 0.057，P < 0.0001），加热刺激后血管密度似乎更快恢复到基线状态。
 

刺激前（基线）和刺激后（T0–T30）平均血管直径值的变化如图3B所示。加热刺激在T0时首先使平均血管直径值增加（85.3 ± 2.8到87.6 ± 2.8 μm，P < 0.0001），而摩擦刺激直到T10才表现出平均血管直径增加（85.4 ± 2.7到86.5 ± 2.3 μm，P = 0.0036）。加热刺激的血管直径反应也较摩擦刺激更快地正常化。
 

刺激前（基线）和刺激后（T0-T30）平均无血管孔尺寸的变化如图3C所示。T0时加热和摩擦刺激都会使平均无血管孔尺寸减小（313.4 ± 25.4到287.0 ± 36.2 μm，P = 0.0001；312.6 ± 43.0到270.6 ± 41.6 μm，分别P < 0.0001）。摩擦也引发了显著的反应（P = 0.0177）。
 

从血容量角度。图4A说明了采血位置。图4B显示了每次刺激后收集的血液量的变化，可见两种刺激都能够显著提高血液收集量。加热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。为确定皮肤预处理是否对血液样品的质量有影响，测量了每个样品的溶血，结果表明加热刺激会使平均溶血水平显著下降，从0.6683 ± 0.0635 mg/L到0.4414 ± 0.0760 mg/L，P = 0.0281（图4C）。虽然摩擦刺激下溶血水平也会降低，但没有观察到显著性。

图4 刺激前后血液收集量和溶血水平。（A）抽血示意图。（B）对照、加热后、摩擦后采集的血量。（C）刺激前后溶血水平。*代表P ≤ 0.05。

 结论

 本研究通过使用OCTA对皮肤血管进行了可视化，并从定性和定量两方面揭示了局部刺激下微血管的反应及对采血量的影响，发现加热和摩擦刺激都可以促进皮肤微血管系统调节，并对血液收集能力产生积极影响，其中摩擦的影响更大。研究不仅证明了OCTA是一种非常有前途的非侵入性成像技术，还证明了这种方法可以与毛细血管采血装置一起集成到采血方案中，以帮助实现更有效、无痛苦和无压力的采血。
  参考文献：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).