Laser Doppler Flowmetry and Imaging: Methodological Studies

Abstract

Laser Doppler flowmetry (LDF) and laser Doppler imaging (LDI) are modern methods for non-invasive and continuous assessment of skin blood flow. The techniques are based on the phenomenon that monochromatic light transilluminating a perfused tissue is spectrally broadened owing to scattering by moving blood cells.



In this study, methodological aspects of the two methods are presented. LDF was used in healthy subjects and in patients with peripheral arterial occlusive disease to determine the skin perfusion pressure by measuring the flow cessation external pressure (FCEP). With a normal ankle index, FCEP is lower than the ankle pressure and with a decreased ankle index, FCEP correlates with the ankle pressure. LDF and LDI were used in healthy subjects to investigate the mechanisms of skin blood flow regulation particularly related to the sympathetic nervous system, and to elucidate the interrelation between skin temperature and skin blood flow. We found that LDF and LDI can be used to monitor sympathetic vasoconstriction. The interrelation between skin temperature and skin blood flow as measured with the laser Doppler techniques is ambiguous. LDI was used to examine the pathophysiological background to cold intolerance experienced by patients with traumatic division of the ulnar artery. Although ligation of the ulnar artery causes reduced finger skin blood flow, cold intolerance cannot be attributed solely to alterations in blood flow. A clinical test based on LDI was developed for routine assessment of the sympathetic vasoconstrictor response (VAC). Healthy subjects as well as patients with sympathectomy due to hand hyperhidrosis underwent the test procedure. A VAC nomogram was constructed in relation to which the patients with sympathectomy showed a clearly attenuated response. Finally, LDI was combined with digital photography to facilitate the interpretation of blood flow profiles in relation to clinical signs, and the device proved to be of clinical value.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mätning av blodflöde är en vanlig uppgift för ett kliniskt fysiologiskt laboratorium. Sådana undersökningar syftar inte bara till att diagnostisera sjukdomstillstånd utan kan också användas för att följa effekter av kirurgiska och medicinska behandlingar. En del metoder används rutinmässigt t ex ultraljudstekniken. Metoderna utvecklas dock ständigt och helt nya metoder tillkommer. Ett exempel på detta är användningen av laserljus för att mäta mikrocirkulationen i en vävnad. Metoden baserar sig på att monokromatiskt ljus som interagerar med blodkroppar i rörelse breddas spektralt. Detta kan omsättas i en elektrisk signal som blir proportionell mot blodflödet. Av uppenbara skäl blir huden det mest närliggande målorganet, men med användning av ljusfiber och endoskopisk teknik kan mätning även ske från slemhinnor inom mag-tarmkanalen. Med användning av punktionsteknik kan mätning ske från en vävnad, t ex muskel och lever. I anslutning till kirurgi kan mätning ske från vilken organyta som helst. Mätvolymen är i storleksordningen 1 mm³ vilket kan ses som en begränsning för den ursprungliga LDF-tekniken (laser Doppler flowmetry). Denna begränsning har på senare år reducerats genom användningen av LDI-tekniken (laser Doppler imaging). Genom scanning-förfarandet kan man få en uppfattning av blodflödesfördelningen över en yta motsvarande 12x12 cm. Nackdelen är att snabba dynamiska förlopp inte kan registreras. Varje ny metod skall omsorgsfullt värderas utifrån en metodologisk synvinkel och jämföras med etablerade metoder. I denna avhandling presenteras studier som rör LDF- och LDI-teknikernas metodologi och utveckling.



Totalt 119 friska försökspersoner och 70 patienter deltog i studierna. I delarbete I (n = 32) uppskattades hudens perfusionstryck genom att mäta det externa tryck som behövs för att avstanna blodflödet i huden (FCEP). Med ett normalt ankel/arm-index var FCEP genomsnittligt 28 mmHg lägre än ankeltrycket. Med ett nedsatt ankel/arm-index som uttryck för perifer occlusiv kärlsjukdom korrelerade FCEP med såväl ankel/arm-index som det arteriella ankeltrycket. Vid mycket uttalad kärlsjukdom kunde FCEP till och med vara högre än ankeltrycket, sannolikt som uttryck för stela kärl, sänkt sympatikustonus och riklig kollateralcirkulation. I delarbetena II (n = 24) och V (n = 17) användes LDF och LDI för att undersöka mekanismerna för hudens blodflödesreglering särskilt med hänsyn till det sympatiska nervsystemet. Samtidigt undersöktes relationen mellan hudtemperaturen och hudblodflödet. Vi fann därvid att LDF och LDI kan användas för att kvantifiera den sympatiska vasokonstriktionen bland annat till följd av kylning. Interrelationen mellan hudtemperaturen och hudblodflödet var osäker. Vid aktiverat flöde via arteriovenösa shuntar korrelerade inte hudtemperaturen med höga LDF- och LDI-värden. Vid kylning sjunker hudtemperaturen utan att hudblodflödet sänks i motsvarande grad. Uppenbarligen påverkas temperaturmätningarna påtagligt av värmeväxlingen mellan omgivande vävnader och luftrum. I delarbete III (n = 30) användes LDI för att kartlägga den patofysiologiska bakgrunden till köldintolerans som upplevs av patienter med traumatisk delning av arteria ulnaris i handledsnivå. Enkel ligering av artären ger upphov till reducerat fingerhudblodflöde medan mikrokirurgisk rekonstruktion ger mera normala förhållanden. Köldintoleransen kan dock inte endast tillskrivas förändringar av blodflödet eller dess reglering. Sannolikt spelar den samtidiga nervskadan med känslighetspåverkan en betydelsefull roll. På grundval av dessa fynd utvecklades i delarbete VI (n = 84) en test baserad på LDI med siktet inställt på att rutinmässigt kunna kvantifiera vasokonstriktorreflexen (VAC) medierad via det sympatiska nervsystemet. Testen prövades på normalpersoner samt på personer som genomgått sympatektomi pga handsvettning. Ett VAC normogram konstruerades i relation till vilket patienterna med sympatektomi visade ett klart dämpat svar. Slutligen i delarbete IV (n = 2) kombinerades LDI med digitalt fotografi i avsikt att underlätta tolkningen av hudens blodflödesfördelning i relation till kliniska fynd såsom rodnad och sårutbredning. Tekniken prövades hos två patienter som genomgått mikrokirurgisk rekonstruktion av stor vävnadsdefekt respektive 'pinch-grafting' av fotsår. Utrustningen visade sig ge värdefull information beträffande det kliniska läkningsförloppet.



Sammanfattningsvis har studierna visat att LDF kan användas för att bestämma det yttre tryck då hudblodflödet avstannar. LDF och LDI kan användas för att kvantifiera den sympatikusmedierade kärlregleringen. Hudtemperaturen är ett osäkert mått på hudblodflödet. Köldintolerans efter skada i handledsnivå kan inte endast bero på förändrat blodflöde utan samtidig nervskada synes spela avgörande roll. En klinisk test har utvecklats för kvantifiering av kärlkonstriktionen medierad via det sympatiska nervsystemet liksom en utrustning kombinerande LDI och digitalt fotografi för att underlätta tolkningen av hudens blodflödesfördelning i relation till kliniska fynd.

• author: Bornmyr, Siv
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Wahlberg, Jan E., Stockholm
• organization: Department of Clinical Sciences, Malmö
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: Clinical physics, digital photography., cold intolerance, sympathetic nervous system, flow cessation external pressure, skin temperature, thermography, skin blood flow, laser doppler imaging, Laser doppler flowmetry, radiology, tomography, medical instrumentation, Klinisk fysiologi, radiologi, tomografi, medicinsk instrumentering
• pages: 120 pages
• defense location: Unit of Clinical Physiology, Malmö University Hospital, entrance 73
• defense date: 1998-11-04 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFM--1017--SE
• ISBN: 91-628-3154-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Clinical Physiology (013242300)
• id: 0e5738ad-68fd-4e93-8e07-8a5dc2ceb761 (old id 38973)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:14:54
• date last changed: 2018-11-21 21:09:52