激光散斑襯比成像在腦血流檢測中的應用

傅雪年，吳思進，司娟寧，李偉仙

（北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

根據世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）更新于2020 年年末的數據顯示，人類死亡原因排名第一位是缺血性心臟病，占世界總死亡人數的16%，排名第二位的是中風，占死亡人數的11%。這些疾病在發(fā)作時均表現為血流及灌注異常，因此血管血流及其生理參數的研究對于研究心腦血管疾病的病理學來說十分重要。同樣的，在對心腦血管疾病的治療過程中，新生血管及血液灌注水平等是判斷病情及治療效果的重要指標。因此，在心腦血管疾病患者的診斷、治療、康復過程及相關研究中，血管及血流成像檢測技術必不可少[1-3]。除了血管系統相關的疾病外，一些疾病的病理特征可通過血流或微循環(huán)來反映，因此在其他疾病中血流成像檢測技術同樣發(fā)揮著重要作用。例如，Qin 等[4]通過康復患者與健康志愿者的腦血流等參數探究了COVID-19 對大腦的潛在影響。An[5]等人分析了糖尿病患者皮膚中的血流參數，發(fā)現糖尿病患者的外周微循環(huán)與正常人相比具有獨特特性。因此，實現血流的可靠監(jiān)測在對致病機理的研究以及臨床診斷、治療和康復過程中都具有重大意義，因此血流檢測手段備受關注。

激光散斑襯比成像技術（Laser Speckle Contrast Imaging，LSCI）具有全場、非接觸的特點，是近幾年發(fā)展較為迅速的血流檢測手段之一。相比于激光多普勒、光學相干層析等光學成像技術，其不需要掃描電鏡等結構，可以直接通過相機獲取全場的二維血流分布圖像，結合高速工業(yè)相機和高性能圖形處理器，該技術的時間分辨率可達到毫秒量級，空間分辨率可達到微米量級，實現實時高分辨血流成像，同時激光散斑襯比成像系統結構簡單、集成度高，易于與其他成像技術相結合，實現多參數多模態(tài)成像[6]。

醫(yī)學上將28～35 ℃的溫度范圍稱為亞低溫。臨床發(fā)現亞低溫能夠明顯降低腦部的氧代謝率，該作用超過其對腦血流的降低作用，因此其可用于改善重癥患者的腦部缺血癥狀。由于亞低溫療法具有很好的腦保護機制以及良好的神經保護作用（抑制神經元的凋亡），因此該療法可顯著降低重型顱腦損傷患者的病死率。由于以上原因，亞低溫作為一種治療腦損傷的輔助方法被廣泛應用于重癥監(jiān)護中[7]。在亞低溫腦保護的治療機制中，腦血流特征反映了腦組織的代謝情況，因此獲得高分辨率，高質量的腦皮層血流分布圖像對亞低溫腦保護機制的研究等具有臨床意義。

針對心腦血管疾病及亞低溫腦保護機制研究對血流流速及組織微循環(huán)灌注檢測的需求，本文利用激光散斑襯比成像技術實現了對不同血流速度的檢測，并將該技術應用于研究亞低溫對大鼠腦血流的影響中，結果表明，亞低溫時的腦血流灌注明顯低于正常體溫時腦血流灌注，這對于分析和研究亞低溫腦保護機制具有重要意義。

1 研究方法

1.1 激光散斑襯比成像技術原理

激光散斑襯比成像技術利用稱為“襯比度”的散斑統計參數來反應出空間中流動粒子（血管中的紅細胞等）的統計特性，從而分辨出血流區(qū)域與非血流區(qū)域，進而實現全場血流成像。當激光照射在生物組織上時，其后向散射光將在空間中發(fā)生隨機干涉并形成散斑圖樣，散斑圖樣取決于照明源、成像系統和成像樣品。當照明源和成像系統都處于穩(wěn)定狀態(tài)時，成像樣品中的移動散射體將導致散斑光強隨時間變化，當在有限的曝光時間內進行成像時，存在移動散射體的地方在散斑圖樣中會變得模糊，散射體運動越快，則散斑圖樣中相應位置就會變得越模糊，對這種模糊效應的分析就是激光散斑襯比成像技術應用于生物醫(yī)學的基礎。研究用襯比度來描述這種模糊效應，襯比度定義為散斑光強I 的標準差σI與其均值〈I〉的比值

根據Goodman 的分析[8]，理想情況下襯比度分布于0到1 之間，對于沒有模糊、完全發(fā)展的散斑圖案（完全由靜態(tài)散射體引起的散斑圖案），襯比度的值為1。當存在動態(tài)散射時且相機曝光時間一定時，其移動速度越快，模糊程度就越大，同時光強分布的標準差也越小，在光強均值保持不變的情況下，襯比度越接近0。

當粒子運動的運動類型符合洛倫茲速度模型時，根據動態(tài)光散射理論，可得襯比度K 與去相關時間τc的關系

式中：β 是用于解釋系統缺陷的系統因子，其與光源的偏振特性以及散斑尺寸有關；T 為相機的曝光時間，一般認為流速ν 和去相關時間τc成反比，并將x=T/τc作為式（1）的求解對象，其近似解為x=1/K2，也就是相對血流速度ν與K2成反比。研究用血流指數（Blood Flow Index，BFI）來表征血流速度，即BFI=1/K2，本文中將計算得到的BFI圖像稱為血流分布圖像。

1.2 改進的時間襯比分析方法

襯比度的估計方法有空間襯比分析方法、時間襯比分析方法、時空襯比分析方法。由于時間襯比分析方法對靜態(tài)散射不敏感，因此實際測量中常用該方法進行襯比度計算[9]。對于圖像中的任意一個像素點，使用連續(xù)圖像幀中相同像素位置處的所有像素點來計算得到散斑光強的均值和標準差，這樣就得到了該像素點位置處的時間襯比度。將圖像中所有像素位置按照上述方法計算后就得到了表征血流速度的時間襯比圖像，研究表明[9]，當計算襯比度使用的最小幀數為15 個以上時，可以保證獲得有效的統計數據。由于噪聲影響較大，本文通過50 幀圖像進行計算。

如圖1 所示，為了進一步保證血流分布圖像的時間分辨率，本文對傳統時間襯比分析方法做了一些改建，首先通過第1 幀圖像f1 到第50 幀圖像f50 這50 幀圖像計算得到第一個時刻的襯比圖像C1，然后通過第2 幀圖像f2 到第51 幀圖像f51 計算襯比圖像C2，以此類推。為了降低環(huán)境噪聲及統計噪聲等多種噪聲的影響，對襯比圖像進行窗口為5×5 像素大小的空間均值濾波，濾波并經過計算1/K2得到各時刻的血流分布圖像。通常襯比度K的動態(tài)范圍很小，過小的襯比度將導致十分巨大的1/K2，嚴重影響血流分布圖像的可視化，因此在上述過程的基礎上采用窗口為3×3 像素大小的中值濾波濾除血流分布像中的異常值。

圖1 改進的時間襯比分析方法流程圖

2 實驗設計及結果分析

激光散斑襯比成像系統由激光器、相機和計算設備等組成。本文根據LSCI 的技術原理搭建了LSCI 系統并應用于仿體及在體實驗。系統中激光器采用波長為671 nm的單縱模固體激光器（MSL-FN-671，長春新產業(yè)光電技術有限公司），相機為CMOS 相機（MU3V130M（CGYYO），北京凱視佳光電設備有限公司），最大分辨率為1 280×1 024。鏡頭使用焦距10 mm 的定焦鏡頭。

2.1 仿體實驗

為驗證激光散斑襯比成像系統對不同速度的分辨能力，本文使用內徑為0.5 mm 的毛細玻璃管和瓊脂模擬血管及生物組織，使用1%的內酯溶液模擬血液。血流速度由蠕動泵（蘭格恒流泵有限公司，BQ50-1J）控制，平均流速范圍為0～17 mm/s，以1.7 mm/s 為間隔設置。相機的幀速率設置為30 Hz，曝光時間設置為15 ms，每個流速設置下的采集時間為1 min。用于仿體實驗的激光散斑成像系統示意圖如圖2 所示。

圖2 仿體實驗系統示意圖

如上所述，由于光源不均勻照明及環(huán)境背景光的影響導致襯比度的動態(tài)范圍遠低于理論范圍，存在很小并接近于0 的襯比度，在進行數值計算時將會出現INF 異常值，即無限大值，這會導致如圖3（a）所示的可視化問題。如圖3（b）所示，通過犧牲部分空間分辨率，改進的時間襯比分析方法可以很好地解決上述可視化問題，這極大方便了對感興趣區(qū)域（ROI 區(qū)域，即圖3（b）中間血管血流區(qū)域）的提取，為接下來的血流速度的分析提供了條件。

圖3 傳統和改進的時間襯比分析方法得到的血流分布圖

提取不同速度條件下所有時刻血流分布圖像中的ROI 區(qū)域，并計算平均BFI 值。通過統計不同速度中所有血流分布圖像的BFI 值，得到了如圖4 所示的條形圖，其中實線為不同速度下BFI 均值的連線，虛線為血流指數大小在25%、75%處的百分位連接線。由圖4 可以看出，BFI 值整體上隨速度增大呈上升趨勢，可通過血流量指數均值簡單地分辨出不同的流速。由于不同的曝光時間對不同的流速敏感，在15 ms 的曝光時間下，可以明顯看出速度在1.7～6.8 mm/s 時，其血流指數波動較小，數據分布較為集中。而8.5～17 mm/s 數據分布范圍變廣，數據波動較大。1.7～6.8 mm/s 的速度區(qū)間涵蓋大鼠腦血流的速度范圍，因此使用15 ms 的曝光時間對于研究大鼠腦血流是適用的。

圖4 不同流速下ROI 區(qū)域平均BFI 的統計數據

2.2 在體實驗

本研究中的實驗動物由北京維通利華實驗動物技術有限公司提供。隨機選取6 只體重為300 g 左右的雄性SD 大鼠用于研究亞低溫條件對大鼠腦皮層血流的影響實驗。研究方案通過了北京維通利華實驗動物技術有限公司實驗動物管理和使用委員會審閱批準。動物實驗示意圖如圖5 所示。

圖5 動物實驗示意圖

實驗及數據記錄過程：首先對大鼠進行腹腔注射麻醉，麻醉后的大鼠被固定在動物立體定位儀中，使用高速牙科鉆頭（1.6 mm）在大鼠頭骨右側磨薄一個3 mm×7 mm的觀察窗口。期間通過動物體溫維持儀維持大鼠體溫在37±0.2℃范圍內。大鼠開顱手術結束后，將其靜置20 min左右，待大鼠的生理狀態(tài)穩(wěn)定后，每間隔5 min 就通過構建的激光散斑襯比成像系統記錄大鼠在正常體溫下（37 ℃）的腦皮層血流圖像，記錄20 min，共5 組數據，為了減少鏡面反射的影響，采集過程中使用生理鹽水浸潤窗口區(qū)域。記錄完成后，通過對大鼠全身涂抹酒精引發(fā)大鼠的亞低溫狀態(tài)，降溫期間通過增加大鼠皮膚表面的空氣流動減少降溫時間。待大鼠體溫降低到32 ℃后，設置動物體溫維持儀并維持大鼠體溫在32±0.5 ℃并持續(xù)20 min，期間每間隔5 min 記錄1 次大鼠在亞低溫狀態(tài)下的腦皮層血流數據。

為了便于比較，將正常體溫與亞低溫條件下得到的血流分布圖像進行歸一化處理。動物實驗結果如圖6 所示，正常體溫情況下，大鼠腦血流流速較快，當大鼠處于亞低溫時，腦血流流速減緩，血管周圍的組織灌注也相應減少。對大鼠腦血流分布圖像中的血流數據進行隨機采樣，采樣數據見表1，通過計算，亞低溫狀態(tài)下大鼠腦血流流速相較于正常體溫下降了約37.98%。實驗結果表明，激光散斑襯比成像可對大鼠腦血流進行高分辨率、高質量的腦皮層血流成像，能有效檢測出亞低溫對大鼠腦血流的影響，可作為研究亞低溫腦保護機制的有效工具。

圖6 不同體溫條件下的大鼠腦血流歸一化分布圖像

表1 大鼠腦血流分布圖像血流指數的隨機采樣數據

3 結論

本文應用激光散斑襯比成像技術檢測腦血管血流及組織灌注量的變化情況。通過仿體實驗驗證了激光散斑襯比成像對不同速度分辨能力。結果表明，在15 ms 曝光時間下，血流指數在平均流速為1.7～6.8 mm/s 這個流速區(qū)間數據較為集中，數據可靠性高，適用于研究大鼠腦血流成像。通過動物實驗驗證了亞低溫具有的腦血流抑制能力，亞低溫狀態(tài)下大鼠腦血流指數相較于正常體溫下降了約37.98%，因此，激光散斑襯比成像技術可作為研究其腦保護機制的重要技術手段。