激光散斑衬比成像在脑血流检测中的应用

傅雪年，吴思进，司娟宁，李伟仙

（北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100192）

根据世界卫生组织（World Health Organization，WHO）更新于2020 年年末的数据显示，人类死亡原因排名第一位是缺血性心脏病，占世界总死亡人数的16%，排名第二位的是中风，占死亡人数的11%。这些疾病在发作时均表现为血流及灌注异常，因此血管血流及其生理参数的研究对于研究心脑血管疾病的病理学来说十分重要。同样的，在对心脑血管疾病的治疗过程中，新生血管及血液灌注水平等是判断病情及治疗效果的重要指标。因此，在心脑血管疾病患者的诊断、治疗、康复过程及相关研究中，血管及血流成像检测技术必不可少[1-3]。除了血管系统相关的疾病外，一些疾病的病理特征可通过血流或微循环来反映，因此在其他疾病中血流成像检测技术同样发挥着重要作用。例如，Qin 等[4]通过康复患者与健康志愿者的脑血流等参数探究了COVID-19 对大脑的潜在影响。An[5]等人分析了糖尿病患者皮肤中的血流参数，发现糖尿病患者的外周微循环与正常人相比具有独特特性。因此，实现血流的可靠监测在对致病机理的研究以及临床诊断、治疗和康复过程中都具有重大意义，因此血流检测手段备受关注。

激光散斑衬比成像技术（Laser Speckle Contrast Imaging，LSCI）具有全场、非接触的特点，是近几年发展较为迅速的血流检测手段之一。相比于激光多普勒、光学相干层析等光学成像技术，其不需要扫描电镜等结构，可以直接通过相机获取全场的二维血流分布图像，结合高速工业相机和高性能图形处理器，该技术的时间分辨率可达到毫秒量级，空间分辨率可达到微米量级，实现实时高分辨血流成像，同时激光散斑衬比成像系统结构简单、集成度高，易于与其他成像技术相结合，实现多参数多模态成像[6]。

医学上将28～35 ℃的温度范围称为亚低温。临床发现亚低温能够明显降低脑部的氧代谢率，该作用超过其对脑血流的降低作用，因此其可用于改善重症患者的脑部缺血症状。由于亚低温疗法具有很好的脑保护机制以及良好的神经保护作用（抑制神经元的凋亡），因此该疗法可显著降低重型颅脑损伤患者的病死率。由于以上原因，亚低温作为一种治疗脑损伤的辅助方法被广泛应用于重症监护中[7]。在亚低温脑保护的治疗机制中，脑血流特征反映了脑组织的代谢情况，因此获得高分辨率，高质量的脑皮层血流分布图像对亚低温脑保护机制的研究等具有临床意义。

针对心脑血管疾病及亚低温脑保护机制研究对血流流速及组织微循环灌注检测的需求，本文利用激光散斑衬比成像技术实现了对不同血流速度的检测，并将该技术应用于研究亚低温对大鼠脑血流的影响中，结果表明，亚低温时的脑血流灌注明显低于正常体温时脑血流灌注，这对于分析和研究亚低温脑保护机制具有重要意义。

1 研究方法

1.1 激光散斑衬比成像技术原理

激光散斑衬比成像技术利用称为“衬比度”的散斑统计参数来反应出空间中流动粒子（血管中的红细胞等）的统计特性，从而分辨出血流区域与非血流区域，进而实现全场血流成像。当激光照射在生物组织上时，其后向散射光将在空间中发生随机干涉并形成散斑图样，散斑图样取决于照明源、成像系统和成像样品。当照明源和成像系统都处于稳定状态时，成像样品中的移动散射体将导致散斑光强随时间变化，当在有限的曝光时间内进行成像时，存在移动散射体的地方在散斑图样中会变得模糊，散射体运动越快，则散斑图样中相应位置就会变得越模糊，对这种模糊效应的分析就是激光散斑衬比成像技术应用于生物医学的基础。研究用衬比度来描述这种模糊效应，衬比度定义为散斑光强I 的标准差σI与其均值〈I〉的比值

根据Goodman 的分析[8]，理想情况下衬比度分布于0到1 之间，对于没有模糊、完全发展的散斑图案（完全由静态散射体引起的散斑图案），衬比度的值为1。当存在动态散射时且相机曝光时间一定时，其移动速度越快，模糊程度就越大，同时光强分布的标准差也越小，在光强均值保持不变的情况下，衬比度越接近0。

当粒子运动的运动类型符合洛伦兹速度模型时，根据动态光散射理论，可得衬比度K 与去相关时间τc的关系

式中：β 是用于解释系统缺陷的系统因子，其与光源的偏振特性以及散斑尺寸有关；T 为相机的曝光时间，一般认为流速ν 和去相关时间τc成反比，并将x=T/τc作为式（1）的求解对象，其近似解为x=1/K2，也就是相对血流速度ν与K2成反比。研究用血流指数（Blood Flow Index，BFI）来表征血流速度，即BFI=1/K2，本文中将计算得到的BFI图像称为血流分布图像。

1.2 改进的时间衬比分析方法

衬比度的估计方法有空间衬比分析方法、时间衬比分析方法、时空衬比分析方法。由于时间衬比分析方法对静态散射不敏感，因此实际测量中常用该方法进行衬比度计算[9]。对于图像中的任意一个像素点，使用连续图像帧中相同像素位置处的所有像素点来计算得到散斑光强的均值和标准差，这样就得到了该像素点位置处的时间衬比度。将图像中所有像素位置按照上述方法计算后就得到了表征血流速度的时间衬比图像，研究表明[9]，当计算衬比度使用的最小帧数为15 个以上时，可以保证获得有效的统计数据。由于噪声影响较大，本文通过50 帧图像进行计算。

如图1 所示，为了进一步保证血流分布图像的时间分辨率，本文对传统时间衬比分析方法做了一些改建，首先通过第1 帧图像f1 到第50 帧图像f50 这50 帧图像计算得到第一个时刻的衬比图像C1，然后通过第2 帧图像f2 到第51 帧图像f51 计算衬比图像C2，以此类推。为了降低环境噪声及统计噪声等多种噪声的影响，对衬比图像进行窗口为5×5 像素大小的空间均值滤波，滤波并经过计算1/K2得到各时刻的血流分布图像。通常衬比度K的动态范围很小，过小的衬比度将导致十分巨大的1/K2，严重影响血流分布图像的可视化，因此在上述过程的基础上采用窗口为3×3 像素大小的中值滤波滤除血流分布像中的异常值。

图1 改进的时间衬比分析方法流程图

2 实验设计及结果分析

激光散斑衬比成像系统由激光器、相机和计算设备等组成。本文根据LSCI 的技术原理搭建了LSCI 系统并应用于仿体及在体实验。系统中激光器采用波长为671 nm的单纵模固体激光器（MSL-FN-671，长春新产业光电技术有限公司），相机为CMOS 相机（MU3V130M（CGYYO），北京凯视佳光电设备有限公司），最大分辨率为1 280×1 024。镜头使用焦距10 mm 的定焦镜头。

2.1 仿体实验

为验证激光散斑衬比成像系统对不同速度的分辨能力，本文使用内径为0.5 mm 的毛细玻璃管和琼脂模拟血管及生物组织，使用1%的内酯溶液模拟血液。血流速度由蠕动泵（兰格恒流泵有限公司，BQ50-1J）控制，平均流速范围为0～17 mm/s，以1.7 mm/s 为间隔设置。相机的帧速率设置为30 Hz，曝光时间设置为15 ms，每个流速设置下的采集时间为1 min。用于仿体实验的激光散斑成像系统示意图如图2 所示。

图2 仿体实验系统示意图

如上所述，由于光源不均匀照明及环境背景光的影响导致衬比度的动态范围远低于理论范围，存在很小并接近于0 的衬比度，在进行数值计算时将会出现INF 异常值，即无限大值，这会导致如图3（a）所示的可视化问题。如图3（b）所示，通过牺牲部分空间分辨率，改进的时间衬比分析方法可以很好地解决上述可视化问题，这极大方便了对感兴趣区域（ROI 区域，即图3（b）中间血管血流区域）的提取，为接下来的血流速度的分析提供了条件。

图3 传统和改进的时间衬比分析方法得到的血流分布图

提取不同速度条件下所有时刻血流分布图像中的ROI 区域，并计算平均BFI 值。通过统计不同速度中所有血流分布图像的BFI 值，得到了如图4 所示的条形图，其中实线为不同速度下BFI 均值的连线，虚线为血流指数大小在25%、75%处的百分位连接线。由图4 可以看出，BFI 值整体上随速度增大呈上升趋势，可通过血流量指数均值简单地分辨出不同的流速。由于不同的曝光时间对不同的流速敏感，在15 ms 的曝光时间下，可以明显看出速度在1.7～6.8 mm/s 时，其血流指数波动较小，数据分布较为集中。而8.5～17 mm/s 数据分布范围变广，数据波动较大。1.7～6.8 mm/s 的速度区间涵盖大鼠脑血流的速度范围，因此使用15 ms 的曝光时间对于研究大鼠脑血流是适用的。

图4 不同流速下ROI 区域平均BFI 的统计数据

2.2 在体实验

本研究中的实验动物由北京维通利华实验动物技术有限公司提供。随机选取6 只体重为300 g 左右的雄性SD 大鼠用于研究亚低温条件对大鼠脑皮层血流的影响实验。研究方案通过了北京维通利华实验动物技术有限公司实验动物管理和使用委员会审阅批准。动物实验示意图如图5 所示。

图5 动物实验示意图

实验及数据记录过程：首先对大鼠进行腹腔注射麻醉，麻醉后的大鼠被固定在动物立体定位仪中，使用高速牙科钻头（1.6 mm）在大鼠头骨右侧磨薄一个3 mm×7 mm的观察窗口。期间通过动物体温维持仪维持大鼠体温在37±0.2℃范围内。大鼠开颅手术结束后，将其静置20 min左右，待大鼠的生理状态稳定后，每间隔5 min 就通过构建的激光散斑衬比成像系统记录大鼠在正常体温下（37 ℃）的脑皮层血流图像，记录20 min，共5 组数据，为了减少镜面反射的影响，采集过程中使用生理盐水浸润窗口区域。记录完成后，通过对大鼠全身涂抹酒精引发大鼠的亚低温状态，降温期间通过增加大鼠皮肤表面的空气流动减少降温时间。待大鼠体温降低到32 ℃后，设置动物体温维持仪并维持大鼠体温在32±0.5 ℃并持续20 min，期间每间隔5 min 记录1 次大鼠在亚低温状态下的脑皮层血流数据。

为了便于比较，将正常体温与亚低温条件下得到的血流分布图像进行归一化处理。动物实验结果如图6 所示，正常体温情况下，大鼠脑血流流速较快，当大鼠处于亚低温时，脑血流流速减缓，血管周围的组织灌注也相应减少。对大鼠脑血流分布图像中的血流数据进行随机采样，采样数据见表1，通过计算，亚低温状态下大鼠脑血流流速相较于正常体温下降了约37.98%。实验结果表明，激光散斑衬比成像可对大鼠脑血流进行高分辨率、高质量的脑皮层血流成像，能有效检测出亚低温对大鼠脑血流的影响，可作为研究亚低温脑保护机制的有效工具。

图6 不同体温条件下的大鼠脑血流归一化分布图像

表1 大鼠脑血流分布图像血流指数的随机采样数据

3 结论

本文应用激光散斑衬比成像技术检测脑血管血流及组织灌注量的变化情况。通过仿体实验验证了激光散斑衬比成像对不同速度分辨能力。结果表明，在15 ms 曝光时间下，血流指数在平均流速为1.7～6.8 mm/s 这个流速区间数据较为集中，数据可靠性高，适用于研究大鼠脑血流成像。通过动物实验验证了亚低温具有的脑血流抑制能力，亚低温状态下大鼠脑血流指数相较于正常体温下降了约37.98%，因此，激光散斑衬比成像技术可作为研究其脑保护机制的重要技术手段。