如何进行血流监测一直是生物医学领域研究的热点,研究一种能对区域性血流速度进行实时监测的技术是这个领域的发展趋势。现有的血流监测手段,如功能核磁共振成像和正电子发射断层成像,受限于较低的时间分辨率(秒量级)和空间分辨率(毫米量级),并且设备价格昂贵。X射线血管造影和荧光血管造影技术均需向被测者体内注射造影剂,不利于其推广。目前应用相对广泛的激光多普勒血流测量技术属单点测量,若要进一步实现二维血流成像则需要结合机械扫描装置,这会降低时间分辨率和空间分辨率^[1]。相比传统的血流监测技术,激光散斑血流成像技术能够实现对区域性血流速度分布信息进行实时监测,并且具有较高的时间分辨率(几十毫秒)和空间分辨率(数微米)的特点,近年来日益受到人们的重视^[2]。 1 激光散斑血流成像技术基本原理

激光散斑血流成像(laser speckle flowgraphy,LSFG)技术也称激光散斑衬比分析(laser speckle contrast analysis,LSCA)技术,该技术的原理是利用血管中红细胞运动产生的后向动态散斑对比度值来获取血流速度信息。通过散斑成像的方式就可获得全场的二维血流分布图像,可进行长时间连续的血流监测,真正实现了实时高分辨率血流成像。

在1960年早期,伴随激光器的发明和使用,人们发现,当激光照射在粗糙物体表面时,在接收面会观察到光强随机分布的高对比度颗粒状图像，这种现象被称为“散斑”。散射粒子的运动会引起散斑图案的模糊,并且随着散射粒子运动速率的增大,模糊程度越显著。为描述散斑图像的统计特性和模糊程度,Goodman利用散斑强度的一阶统计特性引入“衬比”^[4]的概念,其定义为散斑图像灰度变化的标准偏差与其均值之比

根据Fercher等的工作,散斑衬比与散射粒子运动速率之间的关系^[5]为

激光散斑血流成像技术是利用激光散斑图像提取被观测物体的二维流速分布信息。在数据分析过程中,现有散斑图像的衬比计算方法主要有空间衬比分析(laser speckle spatial contrast analysis,LSSCA)方法、时间衬比分析(laser speckle temporal contrast analysis,LSTCA)方法以及在此基础上衍生出的时空联合衬比分析(laser speckle spatial-temporal contrast analysis,LSSTCA)方法。如图 1(a)所示,LSSCA方法是通过计算N_s×N_s(其中N_s为空间滑动窗口的像素数)大小的空间滑动窗内的像素衬比,将其作为中心像素衬比,利用此方法绘制整幅图像的空间衬比图。图中R、C为CCD接收面长宽方向上的像素数。如图 1(b)所示,LSTCA方法是通过连续采集多帧图像,计算它们相同位置处像素灰度的衬比并将其赋值给相应位置,得到整幅图像的时间衬比图。两种衬比计算方法各有优劣:LSSCA方法对单帧散斑图像进行计算,保留了原始图像的时间分辨率,但由于采用N_s×N_s空间滑动窗,因此导致空间分辨率下降;而LSTCA方法未使用空间滑动窗,具有很高的空间分辨率,但由于需要采集多帧图像,因此导致时间分辨率下降。如图 1(c)所示,LSSTCA方法是利用计算N_s×N_s×N_t(其中N_t为时间滑动窗口的图像帧数)的时空窗内像素灰度的衬比,绘制整幅图像的时空衬比图。由于LSSTCA方法所用的滑动窗维数小于单纯空间域上分析的LSSCA方法,时间轴上的帧数小于单纯时间域上LSTCA方法,所以具有较好的时间分辨率与空间分辨率^[3]。

图 1

Fig. 1

图 1 激光散斑血流成像衬比分析方法 Fig. 1 Laser speckle flowgraphy contrast analysis

本实验针对3种不同分析方法进行了分析对比,采用含有TiO₂的悬浮颗粒的液体流经软管实验模型模拟生物体血液流动的变化。通过观察实验模型中不同流速处的衬比结果之间的关系,验证激光散斑血流成像3种不同衬比分析方法的应用范围及处理结果的准确性。

虽然Fercher等通过推导建立了散斑衬比与散射粒子运动速率之间的联系,但是在生物样品中,我们无法准确判断血流的速率,因此,我们无法利用生物样品进行判断散斑衬比与散射粒子运动速率之间的联系。本文通过测试含有TiO₂悬浮颗粒的溶液在不同速率下流动的实验来模拟生物血流的变化,验证散斑衬比与散射粒子运动速率之间的关系^[6]。 2 实验装置及方法 2.1 实验装置

典型的激光散斑衬比成像系统如图 2所示,主要包括激光光源模块、成像模块与图像采集模块3个组成部分。本实验系统采用含有TiO₂悬浮颗粒的液体流经透明软管搭建的实验模型,测试装置3D模型图如图 3所示,其中a、b两处软管分叉部分表示软管由一支管分成两个大小、直径均相同的分支,目的是使流经几处软管的颗粒数量相同,保证图中C₁与C₂以及C₂与C₃之间的颗粒速度为倍数关系。通过监测不同区域血流的变化,并重点对图中选取的成倍速率C₁、C₂及C₃处的衬比值进行分析,以此来验证不同激光散斑衬比分析方法的准确性。曝光时间固定为10 ms,通过采集不同速度区域内的图像进行衬比计算,判断激光散斑衬比计算方法与流速的关系。

图 2

Fig. 2

图 2 系统组成结构图 Fig. 2 The system structure diagram

图 3

Fig. 3

图 3 实验测试装置3D模型图 Fig. 3 Schematic diagram of the experiment equipment

在每种流速下采集30幅原始序列散斑图像。分别选取C₁、C₂和C₃处区域,并利用空间、时间以及时空联合衬比方法计算散斑衬比图像。

Parthasarathy等^[7]给出散斑衬比K和τ_c的方程关系式为

当CCD曝光时间T固定且Tτc时,1/τ_c与散射粒子的平均速率v呈正比。LSFG中散斑衬比可以近似为

图 4

Fig. 4

颗粒流速/（mm·s-1）图 4 不同颗粒大小情况下,激光散斑衬 Fig. 4 Laser speckle contrast with the variation of particle velocity for different particle sizes

图 4为不同N值下C₁处激光散斑衬比值与实际流速的关系,N为散斑像素大小。本实验主要针对动态散斑进行衬比分析计算,对实验数据分析可得,激光散斑衬比取决于散斑图的空间抽样。式(5)适用于所有N值进行的激光散斑衬比分析。

实验数据证明,在一定范围内的N值(0.39~6.25)和流动速度(20 mm·s^-1)下,LSFG的相对变化是一致的(见图 5)。不同N值下C₁和C₂处之间的LSFG方法的比值接近2,这一结果与两处流速的相对比值是一致的。

图 5

Fig. 5

图 5 固定散斑大小时对应C1与C3处衬比比值与颗粒流动速度的关系 Fig. 5 The values of contrast at C1 and C3 with respect to the relative flow speed when the speckle size is fixed

值得注意的是,使用时空联合衬比分析(图 5(c))比单纯的时间衬比分析(图 5(a))或单纯的空间衬比分析(图 5(b))所得C₁和C₂处的K值之比更接近2。利用时间衬比分析方法在低速下比值偏差比较大,利用空间衬比方法时在高速下相对速度比值要小于2,而利用时空联合衬比分析方法时相对流速一直保持在2左右。
同样在C₁与C₃处所得结果相同,利用时间衬比分析方法时相对衬比比值仍然保持在一个略低于4的值,而空间衬比方法却呈线性衰减。这一结果在不同滑动窗大小(5 pixel×5 pixel,7 pixel×7 pixel和9 pixel×9 pixel)下观察时均得到相同的体现。 4 结 论

通过观察TiO₂悬浊液的动态散斑实验,可以证明散斑衬比值随着像素与散斑大小的比值的增大而增大。使用时空联合衬比分析方法要比单纯的时间衬比分析方法或单纯的空间衬比分析方法更准确,可以很好地评估相对血流量的变化,尤其是在较快或较慢的流速条件下。