当神经外科医生夹闭脑动脉瘤或切除肿瘤时，患者能否完全康复或遭受永久性损伤，往往取决于能否实时了解哪些血管有血流灌注，哪些没有。这一信息对大多数手术团队来说一直不够完善——并非因为基础光学物理问题无法解决，而是因为解决这些问题需要手术室没有的硬件设备。上个月，德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员在《美国国家科学院院刊》发表的一项技术现已消除了这一硬件障碍，而他们实现这一目标的方式展示了如何通过不同的工程方法解决问题，而非简单增加投入。
该方法被称为正弦强度调制散斑成像(SIMSI)。在生物医学工程教授Andrew Dunn领导的功能光学成像实验室开发的SIMSI，仅使用标准相机——与手术显微镜中已经存在的同类传感器——就能提供整个手术区域的连续、广域、定量血流图。
标准相机揭示了高速硬件无法捕捉的内容
要理解SIMSI所实现的突破，有必要了解阻碍其前辈技术的因素。术中血流成像的主导技术是激光散斑对比成像(LSCI)，它通过将激光照射到组织上，并观察由此产生的颗粒状干涉图案——"散斑"——随着红细胞在表面下移动而模糊的程度来工作。移动较快的细胞会使散斑图案更加模糊。相机捕捉这种模糊；软件将其转换为血流图。这种方法无需接触，不需要注射染料，并能同时覆盖整个手术区域。
然而，存在一个结构性限制，无论软件如何改进都无法解决。编码血液流动速度的光学波动频率太高，标准相机无法直接采样。传统相机的快门开启时间足够长，以至于快速的时间信息会平均化，只留下相对变化的记录——血流是增加还是减少——而不是物理上有意义的流量。为了直接捕获这些快速动态，研究人员不得不使用比标准传感器贵得多的高速、高灵敏度相机，而这些设备并非典型手术室的常规配置。
"血液流动可以在许多时间尺度上变化，但揭示血液流动速度的光学波动通常太快，标准相机无法直接采样，"邓恩实验室的博士后研究员、SIMSI框架的主要开发者Hengfa Lu在德克萨斯大学奥斯汀分校发布的声明中表示。
SIMSI如何将快速血流编码到长曝光中
SIMSI的解决方案不是试图让相机更快，而是通过工程设计光源来完成时间工作。在每次相机曝光期间，激光照明不是稳定的——而是以精确的正弦波在受控频率下变化。这种调制模式将关于快速血流动态的信息直接编码到散斑图像中，即使相机的快门开启时间远长于直接采样这些动态所需的时间。
通过在连续曝光中扫描调制频率——从一张图像到下一张图像改变光振荡的速率——SIMSI系统地映射物理学家所说的强度波动的功率谱密度。功率谱密度是激光下物体移动速度的频率域特征。一旦该谱被映射，基于物理的模型会拟合测量数据并提取谱截止频率，作为严格的、物理上有意义的流量指数。
验证与概念同样重要。在受控的微流控仿真实验中——设计用于模拟血管几何形状的微型流动通道——SIMSI导出的谱截止频率与施加的流速呈线性关系，研究团队的功率谱密度估计与同时由共轴高速探测器进行的参考测量结果一致。在活体小鼠皮层中，SIMSI导出的血流图清晰地区分了具有不同谱特征的血管区域，该技术跟踪了诱发缺血性中风后10天皮层血流变化的时空演化。
这一进展在技术上与SIMSI的直接前身——一种称为多曝光散斑成像(MESI)的技术——有明显区别，这是邓恩团队早先开发的。MESI通过记录多个曝光时间的图像并将产生的散斑统计数据拟合到模型中，改进了基本LSCI——这种方法提取了更多信息，但仍无法访问编码快速血流动态的非常快的频率分量。SIMSI在频域而非时域工作，这就是为什么它能在保留长相机曝光的信噪比优势的同时达到更快的动态。
"SIMSI为我们提供了一种方法，可以从一种已经足够快速且实用、可用于临床的技术中获取定量、物理上有意义的数字，"工程学院生物医学工程系教授Andrew Dunn在大学的新闻稿中表示。
定量与相对测量：为什么外科医生需要两种数字
相对测量与绝对测量之间的区别是SIMSI故事的临床核心。传统的LSCI告诉手术团队血管中的血流发生了变化——它上升了30%，下降了一半——相对于手术早期测量的基线。这些信息很有用但不完整。知道特定皮层区域的灌注已降至与缺血损伤相关的阈值以下是另一回事：这是一个与已知生理后果相关联的可操作数字。
2021年对术中脑血流技术的综述得出结论，所有现有监测方法都存在局限性，包括空间和时间分辨率有限，并且目前没有任何技术满足手术室使用的最佳标准——这些标准包括实时成像、定量输出、非接触操作以及与现有手术工作流程的集成。SIMSI同时解决了所有这些标准，尽管从实验室到临床的道路仍需要通过商业化途径获得FDA批准。
这一途径已经建立。2024年11月，邓恩与德克萨斯大学奥斯汀分校的Discovery to Impact商业化中心合作，将他的SpeckleView手术成像平台独家授权给总部位于奥斯汀的医疗设备初创公司Dynamic Light。Dynamic Light已经在神经血管、机器人和整形手术环境中部署SpeckleView技术，并被选入德克萨斯医学中心2025年HealthTech加速器项目。SIMSI代表了该技术谱系中的下一代升级。
实时手术灌注成像在实践中是什么样子？
邓恩团队描述的实际手术室场景将SIMSI视为附加层而非替换系统。调制激光源连接到现有的手术显微镜上——团队已使用标准研究硬件证明了这种配置——软件层实时处理频率扫描协议和物理模型拟合。不需要注射对比染料，不需要接触组织，成像在整个手术过程中持续进行，而不是仅在特定时刻提供快照。
这种持续监测能力至关重要，因为在神经血管手术期间，血流并非静态。夹闭放置、烧灼、血管牵引和麻醉都会产生在几秒到几分钟内发展的血流动力学变化。外科医生要求读数后捕获一张图像的系统与在整个手术区域持续流式传输血流数据的系统从根本上不同。SIMSI旨在做后者。
中风研究、心脏手术、痴呆：神经外科以外的应用
邓恩的团队谨慎地不过度宣传临床时间表，但论文的应用部分远远超出了手术室。SIMSI的核心能力——使用标准相机进行广域、非接触、快速动态的定量测量——适用于任何血流是组织健康早期指标的领域。
对于心脏手术，在暂时限制冠状动脉血流的手术期间进行持续灌注监测可以比当前方法更早地发现缺血事件。在重建手术中，SIMSI可以在灌注衰竭变得不可逆转之前评估移植皮瓣的组织活力。在急性中风护理中，快速血流映射可以在溶栓治疗有效的狭窄窗口期内为治疗决策提供信息。在痴呆和创伤性脑损伤的实验室研究中，该技术可以跟踪微血管变化随时间的延长——小鼠10天皮层中风跟踪实验正是为此用途的概念验证。
该研究由德克萨斯大学奥斯汀分校葡萄牙项目和美国国立卫生研究院资助。论文作者包括Hengfa Lu、Qingwei Fang、Jewel A. Ashbrook、Victoria Nemchek、Michela Fracassi和Theresa A. Jones，涵盖德克萨斯大学奥斯汀分校的生物医学工程、物理、心理学和神经科学部门。
常见问题解答
外科医生目前如何在手术中监测脑血流？
术中脑血流可视化的当前标准是吲哚菁绿血管造影，这需要静脉注射荧光染料并成像其冲洗过程以确定哪些血管有灌注。这种方法仅提供瞬间快照，并且由于染料给药限制，每台手术只能进行有限次数。激光散斑对比成像是研究中使用的无染料替代方案，但现有版本仅产生相对而非绝对的流量测量。
什么是激光散斑对比成像，它如何工作？
激光散斑对比成像通过将相干激光照射到组织上并捕获由此产生的散斑图案——当光从移动的红细胞上弹回时形成的颗粒状干涉图案——来工作。移动较快的细胞使散斑更加模糊；软件将模糊图案转换为整个照明区域的相对血流图。该技术无需接触且不需要注射染料，但传统版本无法产生绝对流量测量，因为编码血液速度的快速光学波动超过了标准相机帧率。
SIMSI与标准激光散斑成像有何不同？
SIMSI在每次相机曝光期间以受控频率以正弦波调制激光照明，然后在连续曝光中扫描该频率以映射强度波动的功率谱密度。基于物理的模型拟合得到的谱数据并提取谱截止频率作为定量流量指数。这种方法将快速血流动态编码到标准长曝光图像中，消除了对昂贵高速相机的需求，同时提供传统激光散斑技术无法产生的绝对流量测量。
SIMSI何时可能在手术室中可用？
SIMSI目前是一项同行评审的研究技术；它已在微流控仿真实验和活体小鼠模型中得到验证，但尚未完成FDA作为医疗设备批准所需的临床试验。德克萨斯大学奥斯汀分校于2024年11月将SpeckleView手术成像平台（该技术谱系中的商业前身）授权给奥斯汀初创公司Dynamic Light，该公司已在手术市场活跃。SIMSI将代表该产品线中的下一代技术，但其具体的临床时间表尚未公开披露。
【全文结束】