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腹腔镜激光散斑血流成像技术.docx
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腹腔镜激光散斑血流成像技术.docx
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摘要
激光散斑衬比成像(LSCI)技术广泛应用于大视场的组织表层血流成像,当需要实时在体监测
生物体深层组织或腔内组织的血流分布及变化时,将 LSCI 与内镜成像技术结合是解决 LSCI
成像深度问题的有效途径。为此,搭建了商用腹腔镜 LSCI 成像系统,并对微流体仿体和兔子
大肠进行成像。实验结果表明,所搭建的系统可以校正静态散射以及消除系统噪声对散斑衬
比度的影响,利用单次曝光下的散斑衬比测量值可以实现血流的定量监测,该商用腹腔镜
LSCI 成像系统将具有重要的临床应用潜力。
Abstract
Laser speckle contrast imaging (LSCI) technology is widely used in tissue surface blood
flow imaging with large field of view. When real-time in vivo monitoring of blood flow
distribution and changes in deep tissue or lumen tissue is needed, the combination of
LSCI and endoscopic imaging is an effective way to solve the problem of LSCI imaging
depth. For this reason, a commercial laparoscopic LSCI imaging system is built to image
microfluidic replicas and rabbit large intestine. The experimental results show that the
system can correct the static scattering and eliminate the influence of system noise on
speckle contrast, and the quantitative monitoring of blood flow can be realized by using
the speckle contrast measurement under single exposure. The commercial laparoscopic
LSCI imaging system will have important clinical application potential.
1 引言
直径从几微米到几十毫米的血管遍布整个人体,任何血管出现问题都会诱发相关疾病,例如
缺血性中风(局部脑灌注量不足)和肿瘤(血流动力学表现为异常增高的组织血流),故实现在
体血流监测对早期疾病诊断以及揭示疾病的发病机理具有重要意义。现有的血流监测手段
和技术:1)核磁共振成像设备和正电子发射断层成像设备,但它们价格昂贵,而且受限于较低
的时空分辨率;2)X 射线血管造影技术和荧光技术,但它们无法区分不同的流速差异,而且需
向人体注入造影剂;3)传统激光多普勒成像技术,其属于单点测量技术,若要提高空间分辨率,
则需结合机械扫描装置,但这会降低其时间分辨率
[1]
。相比于传统成像方法,激光散斑衬比成
像(LSCI)
[2-3]
以其较高的时空分辨率、系统简单以及全场实时成像的优势而广泛应用于在体
血流监测,尤其是在脑认知功能成像
[4]
、评估视网膜功能、早期视网膜病变诊断
[5]
以及皮肤表
层血管分布和功能监测
[6]
等方面起到越来越重要的作用。1981 年,Fercher 等
[7]
首次提出了
基于激光散斑强度方差统计特征的散斑衬比度算法,并将 LSCI 应用于在体眼底视网膜血流
成像。LSCI 借助于图像采集设备 CCD 相机并结合散斑衬比度信息,可实现微米量级空间分
辨率和毫秒量级时间分辨率的血流监测。
国内外很多学者对 LSCI 的关键技术及其在生物医学方面的应用开展了大量的研究工作。
Parthasarathy 等
[8]
提出了多曝光散斑成像(MESI)方法,利用衬比度与曝光时间的函数关系确
定电场自相关函数的相关时间,从而实现血流速率的定量测量,该方法克服了单次曝光成像
动态范围小和定量分析能力差的缺点,被广泛应用于各种研究和临床应用。Kazmi 等
[9]
从理
论分析和蒙特卡洛模拟方面出发,进一步确定 MESI 的相关时间测量值与血流速率和血管直
径的乘积成反比,从而提高了血流速率测量的准确性。在图像处理方面,基于现场可编程逻
辑门阵列(FPGA)的相机实时图像处理方案
[10]
极大地提高了 MESI 的工作效率。华中科技大
学 Cheng 等
[11]
提出了散斑图像时间统计分析方法,该方法可以使 LSCI 的空间分辨率提高
5~7 倍,并从理论方面研究了图像帧数对时间域散斑衬比度的影响。南开大学 Song 等
[12]
提
出的基于各向异性扩散滤波的衬比度校正算法、上海大学 Miao 等
[13]
提出的基于配准的散
斑衬比成像方法以及天津大学 Li 等
[14]
提出的基于特征矩阵分解的动态散斑信号提取方法,都
可以有效提高成像的信噪比和分辨率。在生物医学应用方面,上海理工大学贾亚威等
[15]
、武
汉市第三医院蒋梅君等
[16]
和解放军总医院任杰等
[17]
将 LSCI 应用于中医理疗、皮肤烧伤治
疗和鲜红斑痣治疗等领域。
上述研究成果推动 LSCI 朝着定量监测能力更强、成像速度更快、分辨率更高、信噪比更
高和应用范围更广等方向发展,但其成像特点限制了光在组织中的穿透深度,故 LSCI 仍局限
于表层组织成像。当在体监测生物体深层组织或腔内组织(肠壁和胃壁等)的血流分布及变
化时,将 LSCI 与内窥成像技术结合是解决该问题行之有效的方法,也是 LSCI 发展的一个重
要方向。近年来,内窥镜与 LSCI 的结合在人类膝盖
[18]
、小鼠的视网膜
[19]
、老鼠的内耳
[20]
、
大肠
[21]
和胰腺
[22]
等组织实现了在体血流监测。内窥镜成像可对人体组织进行微创可视化和
评估,LSCI 可分析组织中微血管的灌注状态,从而实现多模态成像。Zheng 等
[23]
研发了腹腔
镜 LSCI 双显示成像系统,并将其用于监测微创手术环境中猪肠道的血流变化,实现了组织的
结构和功能成像,进一步推广了 LSCI 技术的应用范围。然而,目前对于腹腔镜 LSCI 技术的
研究较少,且其血流测量值源于传统的单次曝光成像技术,故研究局限于血流速率的定性测
量。前期工作通过 MESI 方法
[24]
来解决该问题,在不同的曝光时间下得到了原始散斑图并分
别计算其衬比度值,然后利用衬比度与曝光时间的函数关系来确定相关时间,从而实现血流
速率的定量测量。然而 MESI 方法存在采样时间长和时间分辨率低等问题,为此本文校正静
态散射和系统噪声对散斑衬比度的影响,利用单次曝光下的散斑衬比度值来获得血流速率的
定量测量,从而实现血流速率的实时监测,这为临床应用提供参考。
2 基本原理
2.1 腹腔镜 LSCI 系统
腹腔镜 LSCI 系统如图 1 所示,波长为 785 nm 的激光经商用腹腔镜的照射通道后照射到被
测样品表面(图 1 的微流体仿体),后向散射光经腹腔镜和消色差透镜(焦距 f=75 mm)后被色
深位数为 12 bit 的 CMOS 相机采集。腹腔镜 LSCI 系统利用腹腔镜来传导照射激光和传输
组织的散斑图像,这也是与自由空间散斑血流成像系统最大的区别。相机的曝光时间设置为
5 ms,图像的最大分辨率为 2048 pixel×2044 pixel。为了保证较高的信噪比以及散斑大小,
将腹腔镜与被测样品间的工作距离限制在 1.0~2.5 cm 之间。整个成像系统被放置在光学隔
离平台上,被测样品为组织仿体或兔子大肠组织。组织仿体是体积分数为 1%的脂肪乳剂溶
液,其流速通过注射泵来控制。
图 1. 腹腔镜 LSCI 系统。(a)实验装置示意图;(b)实验装置实物图
Fig. 1. Laparoscopic LSCI system. (a) Schematic of experimental device; (b) physical
drawings of experimental device
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2.2 单曝光 LSCI 血流定量测量
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