激光散斑成像技術在血管可視化和血流監(jiān)測中的應用

為提高深層血管成像質量，天津工業(yè)大學張博團隊通過設計在體實驗，對現(xiàn)有的四種空間域襯比方法的血管成像能力及檢測血流相對流速的可行性進行探究，并引入對比噪聲比對血管可視化能力量化評估。

研究結果表明，自適應窗口空間方向襯比方法成像能力優(yōu)于其他三種空間域襯比方法（空間襯比方法，空間方向襯比方法，自適應窗口襯比方法）。在體實驗中自適應窗口空間方向襯比方法仍能保持高質量高分辨率的血流測繪能力，可保留更多微小血管結構信息和功能信息，獲得更為全面的血流分布圖，在深部組織的血流監(jiān)測方面具有一定優(yōu)勢。
 

研究背景
在醫(yī)學領域，血流微循環(huán)監(jiān)測對于多種疾病的診斷、治療效果評估以及對生理病理機制的理解具有關鍵意義。它能夠提供關于組織和器官微循環(huán)系統(tǒng)功能狀態(tài)的重要信息，因為許多疾病的發(fā)生與發(fā)展往往伴隨著血管形態(tài)、功能或代謝的改變。血管可視化技術成為研究血流速度、血管系統(tǒng)形態(tài)學以及監(jiān)測疾病進展的重要手段。

傳統(tǒng)的血管成像技術，如光學相干斷層成像、多普勒血流成像、血管造影等，雖然在各自領域發(fā)揮作用，但均存在局限性。光學相干斷層成像可能存在成像深度有限等問題；多普勒血流成像在某些情況下分辨率不夠理想；血管造影則需要使用造影劑，不僅增加了操作復雜性和成本，還可能對患者造成一定風險，并且成像結果不夠直觀。

激光散斑成像（LSCI）技術以其實時、無需掃描、非侵入性和高時空分辨率的寬視場成像特點，在生物醫(yī)學領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。其中，反射式激光散斑成像（R-LSCI）系統(tǒng)應用廣泛，但它在探測深層血管信息時面臨挑戰(zhàn)。由于生物組織的高散射特性，當探測深度超過300μm時，上層皮膚組織形成的靜態(tài)散斑會掩蓋深層血管的動態(tài)散斑信號，導致分辨率降低，噪聲增加，成像質量明顯下降。

盡管有“開顱窗”或“透明窗”等方法可提高成像深度，但這些方法不適用于無創(chuàng)實驗，對人體有傷害。因此，迫切需要一種既能提高成像深度，又能保證時間或空間分辨率的算法，這也凸顯了本研究中自適應窗口空間方向襯比（awsdK）方法的重要性和潛在價值。
 

基本原理
一、理論基礎
1、原始散斑圖案與區(qū)域劃分
當散射相干光在給定曝光時間下進行隨機相干疊加時，會形成積分光強分布圖案，即原始散斑圖案。該圖案可分為動態(tài)區(qū)域（對應血管）和靜態(tài)區(qū)域（對應背景組織）。生物組織內運動粒子的散射會使散斑圖案模糊，且運動粒子速度越快，在積分時間內散斑圖案越模糊。

 2、CNR與成像質量的關系
CNR與改善血管可視化中的噪聲衰減和提高動靜態(tài)區(qū)域間的對比度呈現(xiàn)高度正相關。當血管區(qū)域與背景組織區(qū)域的襯比值差異越大，圖像噪聲越小，CNR越大，因此CNR可有效評價awsdK方法處理后圖像質量的提升效果。

成像系統(tǒng)
一、光源輸出模塊
該模塊由激光驅動器和激光二極管組成。激光器通過模塊化半導體激光二極管驅動器（美國，ILlightwava，LDC-3908）控制激光二極管（美國，Photodigm，PH785DBR）輸出光源，中心波長為785nm。

二、光學系統(tǒng)模塊
包括雙凸透鏡（美國，Thorlabs，LB1630-B）、平凹柱面透鏡（中國，Golden Way Scientific，GL16）和平面反射鏡（美國，Thorlabs，ME2S-M01）。雙凸透鏡將發(fā)出的激光進行聚焦，平凹柱面透鏡將聚焦后的激光進行擴束，最后經(jīng)平面反射鏡反射到待測物體上，照明區(qū)域大小設置為5cm×4cm。

 三、成像采集模塊
由顯微物鏡（日本，Nikon，S Fluor）、CMOS相機（英國，Andor，Zyla-4.2）和計算機組成。反射光經(jīng)物鏡被CMOS相機采集。顯微物鏡放大倍數(shù)為4X，數(shù)字孔徑NA為0.2，工作距離為15.5mm，相機最大分辨率為2048（W）×2048（H），像素尺寸為6.5×6.5。實驗中設置激光功率為20mW，曝光時間為5ms，當波長為785nm時，量子效率為62%。

 動物實驗驗證
 一、實驗動物與準備
實驗選用新西蘭白色、2kg的兔子，實驗遵循動物人道關懷準則，并經(jīng)過中國醫(yī)學科學院放射醫(yī)學研究所實驗動物倫理委員會批準。在實驗期間，使用烏拉坦（氨基甲酸乙酯）對兔子進行麻醉，且為保證皮膚完整性，不對其進行脫毛處理。

二、實驗過程
皮膚血管成像實驗：利用R-LSCI系統(tǒng)，設置圖像分辨率為2048×2048，采集兔耳原始散斑圖像，以觀測兔耳血管分布情況。 

血流流速監(jiān)測實驗：設置圖像分辨率為300×300，相機幀率為200fps，連續(xù)拍攝6000幀，成像持續(xù)時間30秒，用于監(jiān)測兔耳血流流速變化情況。

為更好地監(jiān)測連續(xù)血流的相對變化，選擇空間域的三種方法（sK、sdK、awK）與awsdK方法進行對比。四種方法采用的空間滑動分析窗口的大小分別設置為3×3、5×5、9×9、9×9。

分析與討論
一、成像質量對比
對四種空間域襯比方法（sK、awK、sdK、awsdK）處理后的襯比圖像進行觀察。sK圖像噪聲較高，成像質量較差，血管與背景組織邊緣區(qū)域劃分不明顯。awK和sdK圖像相較于sK圖像降低了圖像噪聲，血管與背景組織的邊緣區(qū)域存在一定區(qū)分度，但區(qū)分效果不明顯，邊緣信息及微小血管的信息被弱化。而awsdK圖像相較于以上三種方法，明顯增強了血管與組織背景之間的區(qū)分度，尤其在邊緣區(qū)域通過分割圖像等處理后分割效果較好，降低了圖像噪聲的同時保留了微小血管的信息，血管形態(tài)結構清晰可辨。

二、血流流速檢測能力對比
紅細胞等粒子在血液中運動速度影響血管區(qū)域與背景組織之間的襯比值之差，運動越快，差值越大，越易區(qū)分血流與背景組織，但微小血管血流流速較慢，不易與背景組織區(qū)分，常導致處理后的圖像丟失微小血管運動信息。根據(jù)相對血流指數(shù)公式估計血液相對流速，對比四種方法對微小血管細節(jié)的保留能力發(fā)現(xiàn)，awsdK方法不僅在常規(guī)血管結構成像方面具有優(yōu)勢，而且對于小速度血流功能信息的檢測具有較強的敏感性，能夠顯示出更多微小血管的運動信息，繪制出更為全面的血流分布圖。

三、CNR對比
對四種空間域襯比方法處理后的襯比圖像選取5處相同動態(tài)區(qū)域（ROI-1~5）與固定靜態(tài)區(qū)域，通過公式計算得到CNR對比圖。結果顯示，awsdK圖像的CNR值較其他三種方法（sK、awK、sdK）處理后的襯比圖像有著顯著的提升，噪聲衰減效果優(yōu)于awK圖像和sdK圖像。這表明awsdK方法不僅可以獲得更高質量的襯比圖像，而且在保留更多的血管結構信息和功能信息的同時，可以將血管和皮膚組織劃分得更為細致，進一步提高了血管可視化能力。

四、血流相對流速監(jiān)測可行性驗證
通過公式估計血管的部分血液相對流速變化并監(jiān)測一段時間內血流相對流速變化情況。結果顯示，30秒內整體血流相對流速變化趨于平穩(wěn)，sK、awK、sdK和awsdK四種方法在監(jiān)測血流相對速度的變化趨于一致，在監(jiān)測相對速度方面沒有較大差異，符合實驗預期（實驗體健康正常，血流速度穩(wěn)定）。這驗證了awsdK方法在系統(tǒng)的有效檢測范圍內可以較為準確地估計出血管內血液運動的相對流速信息。

總結與展望
通過動物在體實驗驗證，awsdK方法在R-LSCI系統(tǒng)中的成像效果優(yōu)于sK、awK、sdK方法。經(jīng)awsdK方法處理后的襯比圖像在實現(xiàn)噪聲高度衰減的同時，能夠顯著提高血管與組織背景之間的差異度，并且可保留更多微小血管結構信息和功能信息。

在體實驗中，awsdK方法仍具有高分辨率的血流測繪能力，進一步提高了血管可視化能力和血流檢測敏感性，可推廣至其他激光散斑成像系統(tǒng)，在深層血流監(jiān)測方面具備明顯優(yōu)勢。

然而，受R-LSCI檢測原理影響，其探測深層血流信息能力有限，導致襯比圖像成像質量提高存在一定局限性。因此，課題組將進一步研究透射式LSCI以及透反共用式LSCI成像方法，以提高該技術探測深層血流信息的準確性及提升其臨床應用價值。

聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于：張博, 李德, 郭皓寧, 王慧泉, 王璇, 韓廣. 基于自適應窗口空間方向襯比方法的血管成像方法研究[J]. 激光與光電子學進展, 2024, 61(24): 04.