新型甲襞微循环成像装置的研制

谢卫华，陈大强，黄二亮，庄楚君

1 广州市妇女儿童医疗中心 设备部，广州市，510623

2 广州医软智能科技有限公司，广州市，510000

3 中山大学新华学院 生物医学工程学院，广州市，510520

0 引言

微循环是指血管网络的微动脉和微静脉之间的血液循环，微循环系统是内脏器官的重要构成部分，也是人体新陈代谢必要的物质交换和能量传递的重要场所[1]。正常情况下，微循环的血流量与人体组织器官的新陈代谢水平相适应，如果组织器官的代谢功能出现异常，微循环会相应地发生一定程度的改变[2]。如糖尿病、高血压和冠心病等部分慢性疾病，会导致微循环系统出现形态改变或造成机体损伤，引起特殊的微循环异常。可见微循环的成像研究对于多种疾病的诊断和评估能够发挥重大作用并具有重要意义。

甲襞是覆盖在指甲根部的皮肤皱褶，内有皮肤真皮突起形成乳头，各个乳头区对应一支呈袢状的毛细血管，形成毛细血管袢，鳞状上皮覆盖形成表面。甲襞位于皮下约200 μm处，平行于皮肤表面生长，因所处位置较浅，且周围组织的吸收、散射性较低，是观察微循环的良好部位[2]。甲襞所显示的微循环清晰度、流速、流态及其微血管周围状态等，都是反映微循环灌流状态的重要指标，并在一定程度上反映大循环状态[3]。微循环病变在重症患者脓毒血症、多器官衰竭、心源性休克等病程中有重要影响，因此在重症患者监护和治疗过程中，微循环的检测与管理有着重要意义[4]，医生可以通过观察甲襞微循环图像及时了解病人的病情。

近年来微循环检测技术不断发展，成为许多学者的研究重点，其中能够实现微循环无损伤成像的方法包括非光学方法和光学方法。非光学成像方法包括核磁共振成像、正电子发射断层成像、超声波成像等；光学成像方法包括毛细管显微镜（nailfold capillaroscopy,NVC）、反射式共焦显微镜、光学相干断层摄影、旁流暗视野成像（sidestream dark-field imaging,SDF）、正交偏振谱（orthogonal polarization spectral,OPS）以及激光多普勒成像等[5]。微循环成像技术发展虽然很快，且微循环成像装置的研发也越来越多。但总体看来，微循环成像装置研制主要集中在舌下和眼科类的应用，甲襞微循环装置很少，类似装置的体积非常大，不便于携带，且图像质量很差。在使用时，由于患者的移动，成像镜头的对焦等容易导致图像抖动，因此系统的对焦非常困难。

我们研制出一款尺寸小、重量轻且便携的床旁甲襞微循环成像装置，主要解决了甲襞微循环装置尺寸大，不便于携带问题，实现装置在床旁使用时的便利性；良好的结构设计使得装置在采集图像过程中能保持图像稳定，避免了因患者的身体或手的移动导致图像晃动的现象。采用液体镜片对焦技术，有效提高了装置的调焦速度和调焦便利性。该研究进一步地推广了甲襞微循环装置在床旁的使用，为医护人员实时无创地观察患者的甲襞微循环状况提供了更有效的手段。

1 系统方案设计

1.1 系统总体方案描述

本研究基于工程设计的思想对新型甲襞微循环成像装置进行总体设计，根据装置功能要求进行了模块化划分。如图1所示为新型甲襞微循环成像装置总体方案框图，其主要由探头主体和图像显示器两大部分组成，其中探头主体主要包括了照明装置、成像探头、图像接收器、控制器、手指夹持结构及相关连接线等。探头主体实现了对甲襞的高亮照明，并对甲襞微循环进行成像放大和图像的采集，采集完成后传输至计算机进行图像处理分析和显示。控制器主要对照明装置工作、成像探头和图像接收装置工作进行控制。

图1 系统总体框图Fig.1 The block diagram of the system

1.2 系统工作原理

新型甲襞微循环成像装置以旁流暗视野成像为核心技术[6]，其基本原理如图2所示，由多个特定单波长LED灯珠组成的环形照明装置安装在探头的前端，其直接照明的范围不在成像探头的观察视场范围内，即成像视场内的微血管并没有被直接照明，而是靠视场外的光线穿过皮肤后经散射和反射间接照明，从而实现暗视场成像。

操作时，医护人员选择患者任意一手指，并在手指的甲襞上涂上适当的香柏油，用透明隔膜将手指包裹，防止交叉感染。将患者手指放置于手指夹持结构中，移动夹持结构对准甲襞位置，固定好夹持装置。环形照明装置发出光线照射在甲襞上，成像探头接收带有甲襞微循环信息的光线，通过光学调焦将收集的光线投射至图像接收装置，图像接收装置完成光电转换，并通过USB数据线将信号传输至计算机进行图像处理和显示。

图2 SDF成像原理示意图Fig.2 Schematic diagram of SDF imaging principle

2 探头主体设计

2.1 成像镜头

甲襞毛细血管直径通常在6～12 μm之间，红细胞直径在6～8 μm之间[7]。现要求对毛细血管成像，因此光学的分辨率尺寸应小于6 μm，同时要求镜头尺寸要小，使用时能快速调焦，便于医护人员操作使用，因此成像光路的设计或选型非常重要。在保证成像质量和调焦快速的前提下，保证装置轻便，控制简单，最终选定了康定的Varioptic Lenses中一款显微镜模组如图3(a)所示，该显微模组集成了一片液体镜片，液体镜片采用电湿润法的工作原理。如图3(b)所示，在两种液体表面施加不同的电压可以改变油溶液和水溶液交界面的形状，从而改变透镜的形状。该镜头模组尺寸小，响应时间快，变焦范围广，功耗低且价格便宜[8]，其中镜头直径为13 mm，长度为14.45 mm。同时，该模组内置了FPC线缆与驱动器进行连接，便于对液体镜头与其它模块进行结合以及工作时能快速驱动液体镜片进行对焦[9]。

如表1所示为系统成像的基本性能，放大倍率为-5X（由于系统成的是倒立的像，所以放大倍率为负数）。工作距离为5 mm，可调工作距离为±0.65 mm。镜头F#为2.9，计算可得其物方数值孔径为0.17。因此当采用波长为415 nm的蓝光作为照明光源时，根据式（1）[10]可计算其分辨率大小为1.26 μm。该分辨率值小于红细胞直径，因此理论分辨率符合装置要求。

其中：μ为系统光学分辨率，λ为照明光源波长，NA为系统的数值孔径。

图3 自动聚焦显微模组Fig.3 Autofocus microscope module

表1 显微模组性能Tab.1 Performance of the microscope module

2.2 图像接收装置

通过成像镜头将甲襞微循环图像放大-5倍，需通过传感器对图像进行采集。现采用CCD工业相机对图像进行接收，将光信号转换为数字信号后，通过USB数据线将接收的图像信息传输至计算机进行处理和显示。

本研究选用了一款匹配成像镜头的面阵工业数字相机，大恒图像的水星USB2.0系列MER-030-120UM相机。该相机采用坚固的全金属机身并配备线缆锁紧装置，尺寸为29 mm×29 mm×29 mm，约41 g，结构尺寸小，传输性能稳定，具体参数如表2所示。

2.3 照明系统设计

如图4为氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱图[11]，从图4中可知氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在波长为415 nm时具有最强吸收峰；因此选择中心波长为415 nm的LED贴片灯珠，其规格为0603。

表2 CCD参数Tab.2 Parameters of the CCD

图4 细胞内氧合和脱氧血红蛋白的吸收光谱Fig.4 The absorption spectra of intracellular oxygenation and deoxyhemoglobin

为了实现对甲襞暗场照明[12]，现设计一可布置6个0603规格LED灯珠的环形PCB，焊接灯珠后将其用UV胶固定于照明装置内。考虑照明装置结构的紧凑性和微型特点，同时为防止PCBA对反射光线的遮挡，提高光能利用率，要求环形PCB内径r=2.6 mm，外径R=7.6 mm；厚度h=1.5 mm，其设计图和实物图如图5所示。

图5 环形PCB实物图Fig.5 The practicality picture of annular PCB

2.4 控制方案设计

蓝光LED工作时转换效率低，长时间工作容易发热，影响整体产品的寿命，因此设计LED频闪工作，其频闪工作的频率远高于相机工作时的采集帧率。系统主控芯片采用液体镜头厂家推荐的PIC16LF1827，此芯片自带PWM端口，可直接使用内部寄存器配置配合外部电路实现PWM调频调光。同时USB-HUB芯片采用与主控芯片品牌相同(Microchip)的USB2512B，方便元器件的采购，控制原理如图6所示[13]。

图6 控制器原理图Fig.6 Schematic diagram of controller

2.5 结构设计

为了便于床旁使用，将装置设计成夹持结构，如图7所示，将成像镜头和图像接收装置集成在夹持状的结构中，减小甲襞微循环成像装置的体积；甲襞微循环成像装置在使用时只需要将待观察手指用该装置按要求夹住即可，医护人员能快速将装置固定在患者的手指上，提高了在床旁观察甲襞微循环的便利性，且减小了采集过程中由于患者晃动导致图像质量下降的影响。

图7 甲襞微循环图像采集装置Fig.7 Image acquisition device of nail-fold microcirculation

3 实验验证

利用研制出的甲襞微循环图像采集装置进行实验，可采集甲襞微循环视频。在上位机预安装图像采集软件，并调试软件的对比度、曝光模式、信噪比等。采集甲襞微循环时的场景图如图8所示，采集过程分为：①开启装置电源，同时启动肢端微循环成像软件；②在待观察手指的甲襞上涂上适量香柏油，用透明隔膜将手指包裹起来（防止油滴污染镜片），将手指按要求放置于装置本体的手指夹持器内；③旋转调焦按钮，找到对焦位置；④点击“开始”按键，开始进行录像；⑤点击“停止”，录像停止。

图8 甲襞微循环图像采集实验Fig.8 Experimental of collecting nail-fold microcirculation image

采集完视频后可在储存盘内调取视频进行观察。图9是用甲襞微循环采集装置采集的甲襞微循环图像。由实验结果可知，研制出的甲襞微循环图像采集装置获得的微循环图像具有较高的图像对比度，操作方便，成像速度快，且可以对甲襞微循环状况实时录像，进行连续性监测。

图9 甲襞微循环装置显示的图像Fig.9 The display image of nail-fold microcirculation device

4 结论

本研究基于旁流暗视野成像技术对甲襞微循环成像装置进行模块化设计，实现了该类装置的小型化，利用液体镜头技术提高了装置的操作便利性以及成像速度，同时采用夹持式的结构减小了装置成像时由于患者晃动产生的图像不良的影响，实现了产品可以在床旁对患者的甲襞微循环状况进行长时间连续采集。采集的数据可帮助相关医务人员了解患者的甲襞微循环状况，现阶段采集的图像数据可以为医护人员对患者病情诊断提供参考。下阶段我团队将进一步研究，计算微循环多种指标，并对产品及相应的参数进行临床评价，实现对患者病情的定量诊断。同时该装置可推动对甲襞微循环与其他脏器微循环关系的研究，进一步完善微循环检测技术。