8.2. Lézeres véráramlásmérés

A lézer-Doppleres véráramlásmérés

Sok esetben fontos információ, hogy a vizsgált szövetben milyen a véráramlási helyzet, kielégítő-e a szövet vérellátása, megfelelő mennyiségű vér, megfelelő sebességgel áramlik-e a benne lévő erekben (perfúzió). Ez különösen akkor bír nagy jelentőséggel, ha például arról szeretnénk meggyőződni, egy frissen átültetett bőrszakasz, visszavarrt végtag vérellátását mennyire sikerült helyreállítani a beavatkozás során, mivelhogy ez a műtét, és természetesen a gyógyulás sikerét tekintve elengedhetetlen. A szöveti véráramlás vizsgálatában jelentős előrelépés volt a lézer-Doppleres mérési eljárás bevezetése. A Doppler-effektus akkor jelentkezik, ha a hullámforrás vagy a megfigyelő, esetleg mindkettő mozog a másikhoz viszonyítva. Ekkor a forrás által kibocsátott frekvenciától (ν₀) eltérő frekvenciát (ν) észlelünk. A jelenség a következő összefüggéssel írható le:

,

ahol v_m a megfigyelő sebessége, v_f a hullámforrás sebessége, c pedig a hullám sebessége. Ezt a jelenséget használják ki a lézer-Doppleres véráramlásmérés során. A vizsgálandó szövetet lézerfénnyel világítják meg, melynek hullámhosszát úgy választják ki, hogy minél nagyobb legyen a behatolási mélység, azaz minél nagyobb távolságot tegyen meg a bőrben mielőtt elnyelődne. A lézer fotonok kölcsönhatásba lépnek a vér nagy részét kitevő vörös vértestekkel, szóródnak rajtuk, s mivel azok mozgásban vannak, így Doppler eltolódást szenvednek. Egy detektorral felvéve a visszaszórt fény spektrumát, meg lehet határozni a megvilágított térfogat áramlási viszonyait. A detektáláshoz többfajta módszert alkalmaznak. Az egyik módszer az ún. homodin detektálás, amikor a lézerből kilépő fény egy részét keverik a szövetről visszaszórt fénnyel. A  különböző utat megtett, és változó Doppler-eltolódást szenvedő fotonok interferenciája a detektoron egy időben fluktuáló jelet eredményez. Feltételezzük, hogy a detektoron csak az eredeti ν₀ frekvenciájú, és egyetlen Doppler-eltolódott hullám (ν) interferál. Ilyenkor a detektoron mért intenzitás fluktuációját jellemző ún. lebegési frekvencia értéke a |ν_0-ν|. Sok különböző frekvenciájú hullám összegződése esetén látszólag zajnak tűnő jelet mérhetünk, azonban a változó jel frekvencia szerinti összetevőiből (Fourier transzformáció) következtetni lehet a visszaszórt fény spektrumára, ebből pedig szórórészecskék mozgási sebességére. A módszer lényegét az alábbi interaktív animáció szemlélteti, melyet a bal alsó sarkában levő lejátszás ikonnal lehet elindítani.

	8.5. ábra   Optikai szálas (kontakt) lézer-Doppleres véráramlásmérés.
	8.6. ábra Pásztázó lézer-Doppleres mérés.

A konvencionálisan használt (optikai szálas) lézer-Doppleres mérőszondák két, egymástól kis távolságra (maximum párszáz mikrométer) elhelyezkedő optikai szálból állnak. Minél nagyobb a közöttük levő távolság, annál nagyobb a valószínűsége, hogy nagyobb mélységből szóródó fotonok is visszajutnak a detektorba, vagyis nő a mintavételezett térfogat. Általában a célzott terület mintegy 1 mm³-es térfogatát lehet folyamatosan monitorozni, a mérésekből valós, a megfigyel szövetrészre jellemző átlagsebesség értéket lehet kapni.

Bár az egyes mérések reprezentatív mintának számítanak, és a belőlük levont következtetések jelentős része helytálló, számos esetben hitelesebb lenne, ha a perfúzió változását nagyobb területen lehetne megfigyelni. Ezzel kiküszöbölhető pl. a nagyobb erek közelségéből adódó bizonytalanság és a mérési zaj egy része is. Ezen probléma megoldására került kifejlesztésre pásztázó lézer-Doppleres készülék, amely lehetővé teszi néhány négyzetcentiméteres terület véráramlási viszonyainak nyomon követését. A módszer jellegéből fakadóan azonban az eljárás nem teszi lehetővé a valós idejű perfúzió mérést nagyobb felületeken, hiszen a pásztázó mozgás kivitelezésére a befogott terület nagyságától függően 2-3 percre van szükség. Másik hátrányuk, hogy a kontakt mérőfejes eszközökhöz képest jóval magasabb az áruk.

A lézeres speckle (folt interferencia) analízis

Egy nagyobb (akár kézfej nagyságú) terület véráramlásának folyamatos mérése azonban megoldható a lézer speckle (szórási folt interferencia) analízissel. Alapelve a következő: ha egy vizsgálandó szövet felszínét egy kis energiájú, a felszín alá is behatoló lézer fénnyel megvilágítunk, akkor a visszaszórt lézer fény hordozza a szóró objektumok (pl. vörösvértestek) több tulajdonságát és azok mozgásának paramétereit. Tehát ha a visszaszórt fényt egy megfelelő optikai rendszeren keresztül nagy érzékenységű és felbontású kamerába visszük, akkor a képkockák analíziséből a kérgi, bőrfelszíni perfúzió változásai két dimenzióban láthatóvá tehetők. A megfigyelt terület nagyságának és az alkalmazott megfigyelő rendszer felbontóképességének függvényében a módszer akár néhányszor tíz mikrométeres térbeli és milliszekundumos időbeli felbontást tesz lehetővé, melynek segítségével a véráramlásban bekövetkező gyors változások is nyomon követhetők. A felszínen keresztül jól látható erek esetén a lézeres és normál fényű megvilágítás változtatásával a vér áramlási sebessége és oxigéntartalma egyaránt vizsgálható. A lézer által megvilágított szórófelületről készített felvételen nem a terület valódi képe, hanem a megfelelő terület szórórészei által létrehozott interferenciakép látható. A véráramlásmérés alapját az képezi, hogy a lézerfényt szóró részecskék (az esetünkben leginkább a vörösvértestek) mozgása következtében a szórási interferencia kép is változik. Az interferencia sajátosságai miatt, – mely szerint a szórórészeknek a fény hullámhosszával összemérhető elmozdulása is az interferenciakép jelentős változását eredményezi, – nagy az érzékenysége a módszernek, a kapillárisokban levő lassú véráramlás is érzékelhető. Minél gyorsabban mozognak a szóró részecskék, annál gyorsabban változik az interferenciakép és annál elmosódottabb (a kontrasztosság csökken) lesz a készített felvétel. Ismerve a vörösvértestek mozgására jellemző sebességeloszlást, jól meghatározható a kontrasztosság és az áramlási sebesség közötti összefüggés. Egy számítógépes program segítségével a képelemek kontrasztosságából a látszatra teljesen zajos fényképből egy jól átlátható véráramlási térkép készíthető.

A témában a Szegedi Tudományegyetemen is folynak kutatások. Az alábbi képsorozaton malac agyfelszínéről egy koponya-ablakon keresztül készített felvételek láthatók. Az első kép fehér fénnyel készült, a második kép ugyanerről a területről lézeres megvilágítással készült felvételt mutatja, melyen valamilyen mértékben szabad szemmel kivehetők a nagyobb erekhez tartozó elmosódottabb területek. A harmadik kép az interferenciaképen végzett kontrasztelemzés eredménye. Ezen a kontraszttérképen már jól elkülöníthetők az erek és a csak mikrocirkulációval jellemezhető parenchima.

A mellékelt videó egy elszorított, majd felengedett ujjban bekövetkező relatív véráramlás-változást mutatja 4× lejátszási sebesség mellett. Jól látható az ujj elszorításakor (~ 12 s-nál) bekövetkező áramlási sebesség csökkenés, majd a szervezet reakciója a felengedést (27 s-nál) követően.