激光散斑成像技術(shù)在血管可視化和血流監(jiān)測中的應(yīng)用
為提高深層血管成像質(zhì)量，天津工業(yè)大學(xué)張博團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)在體實(shí)驗(yàn)，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(jìn)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(jié)果表明，自適應(yīng)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(yīng)窗口襯比方法）。在體實(shí)驗(yàn)中自適應(yīng)窗口空間方向襯比方法仍能保持高質(zhì)量高分辨率的血流測繪能力，可保留更多微小血管結(jié)構(gòu)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(xué)領(lǐng)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(jī)制的理解具有關(guān)鍵意義。它能夠提供關(guān)于組織和器官微循環(huán)系統(tǒng)功能狀態(tài)的重要信息，因?yàn)樵S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(shù)成為研究血流速度、血管系統(tǒng)形態(tài)學(xué)以及監(jiān)測疾病進(jìn)展的重要手段。
傳統(tǒng)的血管成像技術(shù)，如光學(xué)相干斷層成像、多普勒血流成像、血管造影等，雖然在各自領(lǐng)域發(fā)揮作用，但均存在局限性。光學(xué)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(fù)雜性和成本，還可能對患者造成一定風(fēng)險(xiǎn)，并且成像結(jié)果不夠直觀。
激光散斑成像（LSCI）技術(shù)以其實(shí)時(shí)、無需掃描、非侵入性和高時(shí)空分辨率的寬視場成像特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，反射式激光散斑成像（R-LSCI）系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但它在探測深層血管信息時(shí)面臨挑戰(zhàn)。由于生物組織的高散射特性，當(dāng)探測深度超過300μm時(shí)，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(dǎo)致分辨率降低，噪聲增加，成像質(zhì)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(shí)驗(yàn)，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(shí)間或空間分辨率的算法，這也凸顯了本研究中自適應(yīng)窗口空間方向襯比（awsdK）方法的重要性和潛在價(jià)值。
基本原理
一、理論基礎(chǔ)
1、原始散斑圖案與區(qū)域劃分
當(dāng)散射相干光在給定曝光時(shí)間下進(jìn)行隨機(jī)相干疊加時(shí)，會形成積分光強(qiáng)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(yīng)血管）和靜態(tài)區(qū)域（對應(yīng)背景組織）。生物組織內(nèi)運(yùn)動粒子的散射會使散斑圖案模糊，且運(yùn)動粒子速度越快，在積分時(shí)間內(nèi)散斑圖案越模糊。
散斑襯比值K定義為空間或時(shí)間分析窗口內(nèi)光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)方差σ與平均值的比值（K=σ/），其取值范圍在[0,1]之間。當(dāng)K趨近于0時(shí)，表明該區(qū)域光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)方差小，運(yùn)動粒子運(yùn)動速度快，屬于動態(tài)區(qū)域（如血管）；當(dāng)K趨近于1時(shí)，區(qū)域光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)方差大，運(yùn)動粒子無運(yùn)動，屬于靜態(tài)區(qū)域（如背景組織）。由于血管區(qū)域光強(qiáng)值相對接近，其標(biāo)準(zhǔn)方差小于背景組織，襯比值更低。
3、襯比值K與相對血流指數(shù)BFI的關(guān)系
散斑圖案模糊程度的波動能反映血流流速變化，通過計(jì)算襯比值K可得到相對血流指數(shù)BFI（BFI=1/K²），BFI可用于觀察血流趨勢的相對變化，從而實(shí)現(xiàn)對血流速度及血管系統(tǒng)形態(tài)學(xué)的研究。
二、襯比值計(jì)算方法
1、空間襯比方法（sK）
使用N×N（通常N=3,5,7,9）的分析滑動窗口，根據(jù)像素點(diǎn) (i,j)其空間鄰域的值來計(jì)算空間襯比值K。具體公式為，其中表示空間分析窗口內(nèi)光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)方差，表示空間分析窗口內(nèi)光強(qiáng)的平均值，表示空間窗長度，表示分析窗口內(nèi)像素點(diǎn)處的光強(qiáng)值�？臻g滑動窗口順著水平和豎直方向移動遍歷整個原始散斑圖像，即可得到空間襯比圖像。
2、空間方向襯比方法（sdK）
在空間襯比方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置方差準(zhǔn)則，其中d是分析窗口內(nèi)選定方向的索引，，對應(yīng)分析窗口內(nèi)的四個方向，var表示方向上對應(yīng)像素點(diǎn)的方差，。選取K中方差最大方向的像素點(diǎn)計(jì)算襯比值，然后利用多幀圖像平均得到處理圖像。
3、自適應(yīng)窗口襯比方法（awK）
考慮襯比值計(jì)算過程中噪聲的影響，在空間襯比方法的基礎(chǔ)上通過濾波和分割處理后，根據(jù)分析窗口內(nèi)中心像素點(diǎn)與其鄰域像素之間的相似程度，引入0-1變量來判斷像素點(diǎn)是否被考慮計(jì)算襯比值，以此調(diào)整分析窗口的大小和形狀。具體通過判斷，其中表示空間窗長度為N，中心像素點(diǎn)為q，簇標(biāo)簽為k的卷積矩陣，表示中心像素所在簇標(biāo)簽，表示需要判斷的相鄰像素點(diǎn)所在簇標(biāo)簽，設(shè)置像素相鄰點(diǎn)的判定標(biāo)準(zhǔn)為，將分析窗口內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)的相鄰像素點(diǎn)賦值為1，然后再次進(jìn)行襯比值計(jì)算。
4、自適應(yīng)窗口空間方向襯比方法（awsdK）
在自適應(yīng)窗口襯比方法的基礎(chǔ)上結(jié)合空間方向襯比方法進(jìn)一步改進(jìn)。首先將激光散斑襯比圖像劃分為不同的區(qū)域，改變血管邊界區(qū)域分析窗口的形狀和大小，并將靜態(tài)區(qū)域方差最大、動態(tài)區(qū)域方差最小、過渡區(qū)域選取方差中值設(shè)置為方差準(zhǔn)則，其中，對應(yīng)滑動窗口內(nèi)的五個方向（360°指全局變量），以此選取更適合分析區(qū)域的像素進(jìn)行襯比計(jì)算。
三、對比噪聲比（CNR）
1、CNR的定義與計(jì)算
引入對比噪聲比（CNR）來量化襯比圖像的成像質(zhì)量，其定義為血管（動態(tài)）區(qū)域與背景組織（靜態(tài)）區(qū)域的平均襯比值之差與背景組織（靜態(tài)）襯比值標(biāo)準(zhǔn)差的比值，公式為，其中表示對比噪聲比，為血管區(qū)域的平均襯比值，為背景皮膚組織區(qū)域的平均襯比值，為背景皮膚組織區(qū)域襯比值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，可表示圖像噪聲。
2、CNR與成像質(zhì)量的關(guān)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(guān)。當(dāng)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(jià)awsdK方法處理后圖像質(zhì)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(qū)動器和激光二極管組成。激光器通過模塊化半導(dǎo)體激光二極管驅(qū)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(xué)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(jìn)行聚焦，平凹柱面透鏡將聚焦后的激光進(jìn)行擴(kuò)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(shè)置為5cm×4cm。
三、成像采集模塊
由顯微物鏡（日本，Nikon，S Fluor）、CMOS相機(jī)（英國，Andor，Zyla-4.2）和計(jì)算機(jī)組成。反射光經(jīng)物鏡被CMOS相機(jī)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(jī)最大分辨率為2048（W）×2048（H），像素尺寸為6.5×6.5。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置激光功率為20mW，曝光時(shí)間為5ms，當(dāng)波長為785nm時(shí)，量子效率為62%。
動物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
一、實(shí)驗(yàn)動物與準(zhǔn)備
實(shí)驗(yàn)選用新西蘭白色、2kg的兔子，實(shí)驗(yàn)遵循動物人道關(guān)懷準(zhǔn)則，并經(jīng)過中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)動物倫理委員會批準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)期間，使用烏拉坦（氨基甲酸乙酯）對兔子進(jìn)行麻醉，且為保證皮膚完整性，不對其進(jìn)行脫毛處理。
二、實(shí)驗(yàn)過程
皮膚血管成像實(shí)驗(yàn)：利用R-LSCI系統(tǒng)，設(shè)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(shí)驗(yàn)：設(shè)置圖像分辨率為300×300，相機(jī)幀率為200fps，連續(xù)拍攝6000幀，成像持續(xù)時(shí)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(jìn)行對比。四種方法采用的空間滑動分析窗口的大小分別設(shè)置為3×3、5×5、9×9、9×9。
分析與討論
一、成像質(zhì)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(jìn)行觀察。sK圖像噪聲較高，成像質(zhì)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(qiáng)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(shí)保留了微小血管的信息，血管形態(tài)結(jié)構(gòu)清晰可辨。
二、血流流速檢測能力對比
紅細(xì)胞等粒子在血液中運(yùn)動速度影響血管區(qū)域與背景組織之間的襯比值之差，運(yùn)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(dǎo)致處理后的圖像丟失微小血管運(yùn)動信息。根據(jù)相對血流指數(shù)公式估計(jì)血液相對流速，對比四種方法對微小血管細(xì)節(jié)的保留能力發(fā)現(xiàn)，awsdK方法不僅在常規(guī)血管結(jié)構(gòu)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(qiáng)的敏感性，能夠顯示出更多微小血管的運(yùn)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(jì)算得到CNR對比圖。結(jié)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(zhì)量的襯比圖像，而且在保留更多的血管結(jié)構(gòu)信息和功能信息的同時(shí)，可以將血管和皮膚組織劃分得更為細(xì)致，進(jìn)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(yàn)證
通過公式估計(jì)血管的部分血液相對流速變化并監(jiān)測一段時(shí)間內(nèi)血流相對流速變化情況。結(jié)果顯示，30秒內(nèi)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(shí)驗(yàn)預(yù)期（實(shí)驗(yàn)體健康正常，血流速度穩(wěn)定）。這驗(yàn)證了awsdK方法在系統(tǒng)的有效檢測范圍內(nèi)可以較為準(zhǔn)確地估計(jì)出血管內(nèi)血液運(yùn)動的相對流速信息。
總結(jié)與展望
通過動物在體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)噪聲高度衰減的同時(shí)，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(jié)構(gòu)信息和功能信息。
在體實(shí)驗(yàn)中，awsdK方法仍具有高分辨率的血流測繪能力，進(jìn)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(dǎo)致襯比圖像成像質(zhì)量提高存在一定局限性。因此，課題組將進(jìn)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(shù)探測深層血流信息的準(zhǔn)確性及提升其臨床應(yīng)用價(jià)值。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)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(yīng)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(xué)進(jìn)展, 2024, 61(24): 04.
