激光散斑襯比成像(LSCI)技術(shù)廣泛應用于大視場的組織表層血流成像,當需要實時在體監(jiān)測生物體深層組織或腔內(nèi)組織的血流分布及變化時,將LSCI與內(nèi)鏡成像技術(shù)結(jié)合是解決LSCI成像深度問題的有效途徑。
中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所的吳瓊團隊搭建了腹腔鏡LSCI成像系統(tǒng),并對微流體仿體和兔子大腸進行成像。實驗結(jié)果表明,所搭建的系統(tǒng)可以校正靜態(tài)散射以及消除系統(tǒng)噪聲對散斑襯比度的影響,利用單次曝光下的散斑襯比測量值可以實現(xiàn)血流的定量監(jiān)測,該腹腔鏡LSCI成像系統(tǒng)將具有重要的臨床應用潛力。
研究背景
血管遍布我們的身體,任何一處血管出現(xiàn)問題都可能誘發(fā)疾病,像缺血性中風和腫瘤等。因此,實現(xiàn)在體血流監(jiān)測對早期疾病診斷以及揭示疾病的發(fā)病機理意義重大。
目前現(xiàn)有的血流監(jiān)測手段都存在一些局限性。比如核磁共振成像設備和正電子發(fā)射斷層成像設備,價格昂貴且時空分辨率較低X射線血管造影技術(shù)和熒光技術(shù)無法區(qū)分不同的流速差異,還需要向人體注入造影劑;傳統(tǒng)激光多普勒成像技術(shù)屬于單點測量技術(shù),提高空間分辨率需結(jié)合機械掃描裝置,這又會降低時間分辨率。
而激光散斑襯比成像(LSCI)技術(shù)以其較高的時空分辨率、系統(tǒng)簡單以及全場實時成像的優(yōu)勢被廣泛應用于在體血流監(jiān)測。然而,LSCI技術(shù)的成像特點限制了光在組織中的穿透深度,局限于表層組織成像。當需要監(jiān)測生物體深層組織或腔內(nèi)組織的血流時,將LSCI與內(nèi)窺成像技術(shù)結(jié)合就成為了解決問題的有效途徑,這也是LSCI發(fā)展的一個重要方向。
腹腔鏡LSCI系統(tǒng)原理
1、系統(tǒng)構(gòu)成
該腹腔鏡LSCI系統(tǒng)使用波長為785nm的激光,激光經(jīng)過商用腹腔鏡的照射通道后照射到被測樣品表面,這里的被測樣品可以是組織仿體,比如體積分數(shù)為1%的脂肪乳劑溶液,也可以是兔子大腸組織。溶液的流速通過注射泵來控制。后向散射光再經(jīng)過腹腔鏡和焦距為75mm的消色差透鏡,最后被色深位數(shù)為12bit的CMOS相機采集。相機的曝光時間設置為5ms,圖像的最大分辨率為2048pixel×2044pixel。為了保證較高的信噪比以及散斑大小,腹腔鏡與被測樣品間的工作距離限制在1.0-2.5cm之間,整個成像系統(tǒng)被放置在光學隔離平臺上。
2、血流定量測量原理
在這個系統(tǒng)中,血流定量測量的原理是基于散斑襯比度的。散斑源于相干光被散射后的隨機相干疊加過程,當散射顆粒運動時,相機接收到的散斑圖樣會出現(xiàn)改變,其模糊程度用襯比度來量化,也就是散斑光強的標準差與均值的比值。通過特定的公式,我們可以知道散斑的襯比度是關(guān)于曝光時間的函數(shù),且與散斑光強相關(guān)函數(shù)的相關(guān)時間有關(guān),被認為與散射顆粒的運動速度成正比。
但是,我們還需要考慮靜態(tài)散射對襯比度的影響。通過一系列復雜的公式推導和計算,我們可以獲得動態(tài)散射參數(shù),最終基于單次曝光下獲得的襯比度測量值來定量獲得。
3、校正噪聲
在激光散斑襯比成像中,噪聲因素眾多,像相機暗噪聲和光散粒噪聲等都會影響散斑襯比度動態(tài)測量范圍。這里采用了特定的方法來校正這些噪聲對散斑襯比度的影響,確保測量的準確性。
實驗方案與結(jié)果
1、仿體實驗
為了驗證基于單曝光LSCI的血流定量測量的準確性,研究人員設計了脂肪乳溶液流體模型。將一定體積分數(shù)的脂肪乳溶液用注射泵推進毛細玻璃管中,通過設定直徑和體積流,注射泵以不同的速度推動溶液流動,照射于溶液的激光被后向散射經(jīng)腹腔鏡和相機采集后形成動態(tài)散斑圖像。
這個運動模型不僅有溶液的定向流動,還有其自身散射粒子的布朗運動,更接近血流的流速分布。實驗中使用了三組不同直徑的毛細玻璃管,腹腔鏡與毛細玻璃管間的工作距離為1.2cm,成像視野的大小為10.4mm×10.4mm。
2、動物實驗5、動物實驗結(jié)果
在動物實驗中,以作為流速指標,清晰地展示了兔子腹腔內(nèi)大腸分叉血管阻斷再灌注的過程。從結(jié)果可以看到,系統(tǒng)對監(jiān)測流速變化非常敏感,能夠準確反映血管阻斷和再灌注過程中血流的動態(tài)變化。
技術(shù)優(yōu)勢與應用前景
1、技術(shù)優(yōu)勢
總結(jié)與展望
盡管腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)具有諸多優(yōu)勢和廣闊的應用前景,但在實際應用中仍然面臨一些挑戰(zhàn):
成像深度的進一步提高:雖然該技術(shù)在一定程度上解決了LSCI成像深度有限的問題,但對于一些深層組織的血流成像,仍然需要進一步提高成像深度。這可能需要在激光技術(shù)、光學系統(tǒng)設計以及圖像處理算法等方面進行進一步的研究和創(chuàng)新。
復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性:在臨床應用中,成像系統(tǒng)往往需要在復雜的環(huán)境下工作,如手術(shù)室中的電磁干擾、患者的身體運動等。這些因素可能會影響成像的質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此,需要研究如何提高系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的抗干擾能力和穩(wěn)定性,確保成像結(jié)果的準確性和可靠性。
多模態(tài)成像融合:為了更全面地了解組織的生理和病理狀態(tài),將腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)與其他成像技術(shù)進行融合是一個重要的發(fā)展方向。例如,與超聲成像、磁共振成像等技術(shù)相結(jié)合,可以實現(xiàn)多模態(tài)成像,提供更豐富的信息。但這也帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn),如何實現(xiàn)不同成像模態(tài)之間的準確融合和信息互補是需要解決的問題。
腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)作為一種新興的醫(yī)學成像技術(shù),具有巨大的潛力和廣闊的應用前景。盡管目前還面臨一些挑戰(zhàn),但隨著科學技術(shù)的不斷進步,我們有理由相信這些問題將逐步得到解決。未來,該技術(shù)有望在疾病診斷、治療和藥物研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用,為人類健康事業(yè)做出更大的貢獻。
聲明:本文僅用作學術(shù)目的。文章來源于:吳瓊,周偉,徐寶騰,劉家林,楊西斌,王馳,熊大曦.腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)[J].光學學報,2022,42(7): 0717001.Qiong Wu,Wei Zhou,Baoteng Xu,Jialin Liu,Xibin Yang, Chi Wang,Daxi Xiong.Laparoscopic Laser Speckle Blood Flow Imaging Technology[J].Acta Optica Sinica,2022,42(7):0717001.