基于激光散斑和光谱的小鼠血流血氧监测系统研制

【作 者】赵月梅，薛彦柏，张 言，李韪韬，钱志余

南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系，南京市，211106

0 引言

血供反映了生物体的机能状态，是维持生物体正常生理机能的重要环节[1]。氧是生命新陈代谢的基础，血液中含氧量是否充分，对维持生命体进行正常的新陈代谢至关重要。脑血管疾病的发生通常都伴随着脑血流速度的变化，而由于身体内部的调控机制，血流速度的变化将引起供氧的改变，造成血液中氧合血红蛋白含量的变化（ΔHbO2）。因此本文选择了脑血流和脑血氧两个生理参数作为监测对象，它们都描述了和脑神经代谢相关的生理信息。两者的联合检测在生理研究、临床应用等方面具有重大的意义。

在针对活体生物组织尤其是血管方面的测量中，常用的方式有磁共振灌注成像、荧光血管造影成像及多普勒血流仪，但鉴于各技术的成像原理等方面的不足，在进行小动物脑血流成像时都存在或多或少的缺点[2]。激光散斑衬比成像能够提供实时无扫描区域整体功能性成像，并且获得的图像具有高分辨率、快速、非侵入等诸多优点[3]。常用于脑血氧检测的技术手段有血气分析仪、光声成像技术、光谱分析等。其中光谱分析相对于其他手段而言原理基础，便与实现，能够提供实时在体检测[4-5]。

本文基于激光散斑衬比成像和光谱分析技术，构建了一套能够在同一生理过程中，实时检测脑血流和ΔHbO2两个生理参数的小鼠颅脑损伤监测系统。

1 激光散斑与光谱分析原理

1.1 激光散斑成像原理

当激光照射的物体表面有粒子运动时（主要是血液中的红细胞），在成像平面会产生散斑颗粒的模糊，当粒子运动速度越快，运动模糊也就在感官上表现得更加严重，研究人员提出“衬比度”对携带有运动信息的模糊进行量化分析。

研究人员将衬比度定义为光强的标准方差和平均光强的比值[6]，如式（1）所示：

其中σs表示强度波动的标准偏差，表示强度波动的均值。当散斑衬比值为1时，也就是表示在成像物体表面没有任何模糊，即处于静止的状态；相反当散斑衬比值为0时，说明运动粒子速度足够快。

本系统采用目前最常用的激光散斑成像算法时空联合衬比分析[7]。该方法所选取的数据源来自时间轴上每张图片中的一块正方形区域，通过计算该单元内的均值和方差得到黑色像素点的衬比值，依次滑过整张图片得到衬比图。通过增加单次计算时的计算单元大小，兼顾了空间分辨率和时间分辨率，在不需要提供系统硬件升级的情况下提高了图像质量。

1.2 光谱检测原理

光谱分析中常用的模型是朗伯-比尔定律，它主要描述的是光在穿过组织前后的光强变化。它的表达式为：

式中Ii和I0分别表示光在通过样品前后的光强，A通常被称作吸光度，c为样品的浓度，L为光程，ε为摩尔消光系数。

得到的光强除了与各组织的吸收有关，还和组织的散射相关[8-9]。在光谱分析时，将散射视作另一个伪色团。考虑组织吸收和散射最终得到组织吸光度差值如下：

其中，Δci表示生色团的浓度变化，Da(λ)表示差分路径因子，不同波长的光在组织中的光路径不尽相同[10]，μs(λ)是与色团摩尔消光系数类似的约化散射系数，Δs表示散射的变化，Ds(λ)是伪色团的差分路径因子。通过式（3），可以推算出组织中氧合血红蛋白的浓度变化和光散射的变化。

2 系统整体结构

2.1 系统整体构成

小鼠颅脑损伤监测系统整体设计原理如图1所示。系统主要包括两个子系统（图1中虚线框所示）：激光散斑衬比成像子系统和光谱分析子系统。激光散斑衬比成像子系统主要由He-Ne激光器、扩束镜、反光镜、光学镜筒、CCD相机组成。光谱分析子系统包括宽带光源、光谱仪、双光纤探头。两套子系统分别通过各自USB数据接口将采集到的数据传输到计算机中。

2.2 激光散斑衬比成像子系统

激光散斑成像系统中He-Ne激光器（HNL150LEC，Thorlabs，美国）发出632. 8 nm的激光，由扩束镜（GBE15-A，Thorlabs，美国）扩束之后，经反射镜反射后对样本进行照射。通过光学镜筒（12X Zoom，Navitar，美国）然后由一个12 位CCD相机（GS3-U3-51S5M-C，PointGrey，加拿大）采集并保存在电脑中。

图1 系统原理框图Fig.1 System principle block diagram

光学镜筒是系统的关键部件，前端对小鼠脑部感兴趣区域进行成像，后端和CCD相机相连。此外，选择了Navitar公司所提供的前端12倍放大，中部适配镜匹配视野，后端适配器匹配相机的方案。

图2给出了系统的实物图。其中图2（a）为激光散斑衬比成像系统实物图，从右到左按照光路方向依次为激光器、光栅、扩束镜、光学镜筒、反光镜、CCD相机。

图2 系统整体实物图Fig.2 Overall physical map of the system

2.3 光谱分析子系统

用于光谱分析的光源、光谱仪以及双光纤实物图如图2（b）和（c）所示。光谱分析子系统中宽带光源采用的是海洋光学HL-2000 型光源，可提供300～1 000 nm的宽带光。检测器为海洋光学USB-2000型光谱仪，采样稳定，传输速度快，可满足系统设计的时间和空间采样频率[11]。连接在光源和光谱仪上的光纤集成到一个直径为2 mm的铝管内，方便在实验时进行照明和采集反射光谱信号。双光纤探头由南京玻璃纤维研究院定制，能够稳定采集所需光谱的完整范围。

3 系统软件设计

程序流程图如图3所示。软件启动时，首先加载硬件部分驱动。通过接口检查硬件是否连接，连接成功则继续，否则提示未连接。之后进行初始化操作，加载默认值、启动相机等，此时软件会按照前面板上的参数对激光散斑图像和光谱进行采集。程序通过Labview中的属性节点对相机或光谱仪的参数进行调整，将采集的图像、光谱进行处理和保存。本系统上位机采用Labview和Matlab的方式进行编程。Labview负责对与计算机相连的设备进行数据采集，Matlab负责对采集到的数据进行处理、分析。

图3 软件流程图Fig.3 Software flow chart

按照软件功能的分析，分别设计并实现了激光散斑衬比成像和光谱分析的程序，如图4所示。其中激光散斑成像软件界面如图4（a）所示，功能主要包括：① 散斑成像系统的参数设置，包括曝光时间，曝光补偿等常用参数设置；② CCD相机实时采集到的图像信息，即显示窗口；③ 通过激光散斑衬比成像算法重建后的流速图的显示；④ 保存图像到硬盘的功能。

光谱分析界面如图4（b）所示，主要分成四个部分：① 积分时间设置；② 光谱时域和空域平滑窗口参数设置；③ 保存路径设置；④ 光谱实时显示。

图4 散斑衬比成像和光谱分析软件界面Fig.4 The interface of speckle contrast imaging and spectral analysis software

4 实验验证

为了充分验证系统的有效性，设计了血流速度和光谱分析离体定标实验。首先利用Intralipid溶液，模拟血液的流动情况，通过调节溶液速度体现衬比值与速度之间的变化关系，结果发现，两者满足一定的函数关系，从而验证了激光散斑成像系统的有效性。接下来进行了光谱分析离体定标实验，主要通过该系统与标准系统进行比较验证，通过酵母菌的氮氧实验，验证了光谱分析系统的有效性。

实现了仿体实验有效验证后，设计了小鼠脑血流血氧实验，验证系统在体测试的有效性。用脂多糖试剂对小鼠进行腹腔注射，得到在脂多糖药物的作用下，小鼠的脑血流和脑血氧变化结果。脂多糖是一种内毒素，能够造成小鼠脑水肿，从而引起小鼠脑血流和脑血氧的变化[12]。分别进行激光散斑血流成像实验和光谱血氧分析实验，记录分析脂多糖注射后小鼠脑血流和血氧的变化，结果见图5。

本实验相机采用的曝光时间为20 ms。实验中，在脂多糖注射6 h后，每20 min采集一组小鼠脑血流图像，最终实验结果如图5(a)所示。通过获得的伪彩图像，可以清晰地看到在脂多糖注射后，小鼠脑血流的变化情况，其中颜色越深代表血流速度越快，从而充分验证了激光散斑采集软件的有效性。

图5(b)为在体血氧检测结果，在脂多糖注射6 h后，每隔20 min采集小鼠脑部血氧变化，从图中可以清晰地看到血氧变化趋势，从而充分验证了血氧采集系统的有效性。

图5 在体血流血氧实验结果图Fig.5 The results of blood oxygen experiment in body blood

通过在体血流血氧实验，可以得到更加准确清晰的实验结果，从而进一步验证了本系统的准确性和有效性。

5 总结

本文利用激光散斑衬比成像技术和光谱分析技术，构建了一套小鼠颅脑损伤检测系统，能够在同一生理过程中，实时检测脑血流和ΔHbO2两个生理参数。设计并实现了激光散斑衬比血流成像系统和光谱分析系统的硬件组成，同时基于Labview和Matlab环境开发了上位机控制软件。最后设计了两个离体实验对本系统设计的两个部分分别进行了定标，同时进行了在体血流血氧实验，充分验证了系统的准确性。