激光散斑襯比成像(LSCI)技術(shù)廣泛應(yīng)用于大視場的組織表層血流成像，當(dāng)需要實(shí)時(shí)在體監(jiān)測生物體深層組織或腔內(nèi)組織的血流分布及變化時(shí)，將LSCI與內(nèi)鏡成像技術(shù)結(jié)合是解決LSCI成像深度問題的有效途徑。

科學(xué)蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所的吳瓊團(tuán)隊(duì)搭建了腹腔鏡LSCI成像系統(tǒng)，并對微流體仿體和兔子大腸進(jìn)行成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所搭建的系統(tǒng)可以校正靜態(tài)散射以及消除系統(tǒng)噪聲對散斑襯比度的影響，利用單次曝光下的散斑襯比測量值可以實(shí)現(xiàn)血流的定量監(jiān)測，該腹腔鏡LSCI成像系統(tǒng)將具有重要的臨床應(yīng)用潛力。

研究背景

血管遍布我們的身體，任何一處血管出現(xiàn)問題都可能誘發(fā)疾病，像缺血性中風(fēng)和腫瘤等。因此，實(shí)現(xiàn)在體血流監(jiān)測對早期疾病診斷以及揭示疾病的發(fā)病機(jī)理意義重大。

目前現(xiàn)有的血流監(jiān)測手段都存在一些局限性。比如核磁共振成像設(shè)備和正電子發(fā)射斷層成像設(shè)備，價(jià)格昂貴且時(shí)空分辨率較低X射線血管造影技術(shù)和熒光技術(shù)無法區(qū)分不同的流速差異，還需要向人體注入造影劑；傳統(tǒng)激光多普勒成像技術(shù)屬于單點(diǎn)測量技術(shù)，提高空間分辨率需結(jié)合機(jī)械掃描裝置，這又會降低時(shí)間分辨率。

而激光散斑襯比成像（LSCI）技術(shù)以其較高的時(shí)空分辨率、系統(tǒng)簡單以及全場實(shí)時(shí)成像的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于在體血流監(jiān)測。然而，LSCI技術(shù)的成像特點(diǎn)限制了光在組織中的穿透深度，局限于表層組織成像。當(dāng)需要監(jiān)測生物體深層組織或腔內(nèi)組織的血流時(shí)，將LSCI與內(nèi)窺成像技術(shù)結(jié)合就成為了解決問題的有效途徑，這也是LSCI發(fā)展的一個(gè)重要方向。

腹腔鏡LSCI系統(tǒng)原理

1、系統(tǒng)構(gòu)成

該腹腔鏡LSCI系統(tǒng)使用波長為785nm的激光，激光經(jīng)過商用腹腔鏡的照射通道后照射到被測樣品表面，這里的被測樣品可以是組織仿體，比如體積分?jǐn)?shù)為1%的脂肪乳劑溶液，也可以是兔子大腸組織。溶液的流速通過注射泵來控制。后向散射光再經(jīng)過腹腔鏡和焦距為75mm的消色差透鏡，*被色深位數(shù)為12bit的CMOS相機(jī)采集。相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置為5ms，圖像的*分辨率為2048pixel×2044pixel。為了保證較高的信噪比以及散斑大小，腹腔鏡與被測樣品間的工作距離限制在1.0-2.5cm之間，整個(gè)成像系統(tǒng)被放置在光學(xué)隔離平臺上。

腹腔鏡LSCI系統(tǒng)。(a)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖;(b)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2、血流定量測量原理

在這個(gè)系統(tǒng)中，血流定量測量的原理是基于散斑襯比度的。散斑源于相干光被散射后的隨機(jī)相干疊加過程，當(dāng)散射顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，相機(jī)接收到的散斑圖樣會出現(xiàn)改變，其模糊程度用襯比度來量化，也就是散斑光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值。通過特定的公式，我們可以知道散斑的襯比度是關(guān)于曝光時(shí)間的函數(shù)，且與散斑光強(qiáng)相關(guān)函數(shù)的相關(guān)時(shí)間有關(guān)，被認(rèn)為與散射顆粒的運(yùn)動(dòng)速度成正比。

但是，我們還需要考慮靜態(tài)散射對襯比度的影響。通過一系列復(fù)雜的公式推導(dǎo)和計(jì)算，我們可以獲得動(dòng)態(tài)散射參數(shù)，*終基于單次曝光下獲得的襯比度測量值來定量獲得。

3、校正噪聲

在激光散斑襯比成像中，噪聲因素眾多，像相機(jī)暗噪聲和光散粒噪聲等都會影響散斑襯比度動(dòng)態(tài)測量范圍。這里采用了特定的方法來校正這些噪聲對散斑襯比度的影響，確保測量的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

1、仿體實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于單曝光LSCI的血流定量測量的準(zhǔn)確性，研究人員設(shè)計(jì)了脂肪乳溶液流體模型。將一定體積分?jǐn)?shù)的脂肪乳溶液用注射泵推進(jìn)毛細(xì)玻璃管中，通過設(shè)定直徑和體積流，注射泵以不同的速度推動(dòng)溶液流動(dòng)，照射于溶液的激光被后向散射經(jīng)腹腔鏡和相機(jī)采集后形成動(dòng)態(tài)散斑圖像。

這個(gè)運(yùn)動(dòng)模型不僅有溶液的定向流動(dòng)，還有其自身散射粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，更接近血流的流速分布。實(shí)驗(yàn)中使用了三組不同直徑的毛細(xì)玻璃管，腹腔鏡與毛細(xì)玻璃管間的工作距離為1.2cm，成像視野的大小為10.4mm×10.4mm。

2、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對象是隨機(jī)選取的雄性健康成年兔子，質(zhì)量為1.6kg。實(shí)驗(yàn)前對兔子進(jìn)行肌肉注射麻醉并使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的異氟烷持續(xù)麻醉。在麻醉狀態(tài)下對兔子進(jìn)行手術(shù)，在其腹部清理出約4cm×4cm大小的代表區(qū)域，然后進(jìn)行腹腔內(nèi)血管阻斷再灌注實(shí)驗(yàn)。具體操作是將兔子以仰臥姿勢固定在實(shí)驗(yàn)操作臺上，切開腹部約3cm長的創(chuàng)口，用手術(shù)鑷子夾持兩側(cè)創(chuàng)口以暴露腹腔內(nèi)區(qū)域，觀察到兔子腹腔內(nèi)大腸血管后使用血管鉗阻斷，阻斷時(shí)間約為10s。實(shí)驗(yàn)過程中，腹腔鏡*置于距被測區(qū)域約1.5cm處進(jìn)行圖像采集。

3、數(shù)據(jù)處理

在仿體和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，相機(jī)曝光時(shí)間均設(shè)置為5ms。仿體實(shí)驗(yàn)中，相機(jī)記錄不同直徑毛細(xì)玻璃管內(nèi)不同速率下的散斑圖像，每個(gè)速率下拍攝30散斑圖像。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，相機(jī)記錄腹腔內(nèi)血管阻斷再灌注整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，記錄時(shí)間為30s。然后對圖像進(jìn)行一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，包括計(jì)算空間襯比度和時(shí)間襯比度，校正測量值，計(jì)算動(dòng)態(tài)散射參數(shù)和，并將單曝光下獲得的與其他方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

單曝光LSCI下血流定量測量的流程圖

4、仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過噪聲校正處理后的散斑襯比度圖像顯示出了明顯的“血管”結(jié)構(gòu)。在相同體積流量下，隨著通道直徑的增大，襯比度測量值也隨之增加，同時(shí)同一通道內(nèi)的散斑襯比度隨著體積流量的增加而降低。與實(shí)際體積流量之間保持較好的線性關(guān)系，能夠定量響應(yīng)不同通道中流體實(shí)際速度的變化。而且單曝光LSCI與其他方法一樣能夠提供近似的定量血流測量結(jié)果，并且單曝光 LSCI還能夠在保證一定準(zhǔn)確率的同時(shí)提高運(yùn)算效率。

不同體積流量下三個(gè)通道空間散斑襯比度的測量結(jié)果

三個(gè)通道的ICTD和動(dòng)態(tài)散射參數(shù)ρ在體積流量為50 μL/min情況下的測量結(jié)果

三個(gè)通道在不同體積流量下的ICTD測量結(jié)果及其線性擬合曲線

不同通道下單曝光LSCI與MESI的ICTD測量對比結(jié)果。(a) 0.4 mm;(b) 0.8 mm;(c) 1.2 mm

5、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，以作為流速指標(biāo)，清晰地展示了兔子腹腔內(nèi)大腸分叉血管阻斷再灌注的過程。從結(jié)果可以看到，系統(tǒng)對監(jiān)測流速變化非常敏感，能夠準(zhǔn)確反映血管阻斷和再灌注過程中血流的動(dòng)態(tài)變化。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)阻斷前圖像;(b)阻斷后圖像;(c)再灌注圖像;(d)相對流速變化曲線

技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用前景

1、技術(shù)優(yōu)勢

• 高分辨率成像：腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)結(jié)合了LSCI的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)微米量級空間分辨率和毫秒量級時(shí)間分辨率的血流監(jiān)測。這意味著醫(yī)生可以更清晰地觀察到微小血管中的血流情況，對于一些微小病變的早期發(fā)現(xiàn)和診斷具有重要意義。例如，在視網(wǎng)膜病變的診斷中，這種高分辨率的成像能力可以幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地檢測到視網(wǎng)膜微血管的異常血流，從而及時(shí)采取治療措施。

• 實(shí)時(shí)定量監(jiān)測：通過對系統(tǒng)的優(yōu)化和算法的改進(jìn)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)血流的實(shí)時(shí)定量監(jiān)測。在手術(shù)過程中，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)了解組織的血流灌注情況，這對于評估手術(shù)效果、避免手術(shù)并發(fā)癥以及指導(dǎo)后續(xù)治療都具有重要價(jià)值。比如在肝臟手術(shù)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測肝臟組織的血流變化，可以幫助醫(yī)生判斷手術(shù)是否影響了肝臟的血液供應(yīng)，及時(shí)調(diào)整手術(shù)方案，提高手術(shù)的安全性和*率。

• 非侵入性或微創(chuàng)性：與一些傳統(tǒng)的血流監(jiān)測技術(shù)相比，腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)具有非侵入性或微創(chuàng)性的特點(diǎn)。在進(jìn)行檢測時(shí)，不需要對患者進(jìn)行大規(guī)模的手術(shù)或注入大量的造影劑，減少了患者的痛苦和風(fēng)險(xiǎn)。特別是在一些需要多次進(jìn)行血流監(jiān)測的疾病治療過程中，這種微創(chuàng)性的檢測方式更容易被患者接受，也有利于患者的康復(fù)。

2、應(yīng)用前景

• 疾病診斷和早期篩查：隨著人們對健康的重視程度不斷提高，疾病的早期篩查變得越來越重要。腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)有望應(yīng)用于多種疾病的早期篩查，如心血管疾病、腫瘤等。通過對身體不同部位的血流成像分析，可以發(fā)現(xiàn)一些早期的血流異常變化，為疾病的早期診斷提供線索。例如，在心血管疾病的早期篩查中，可以觀察到冠狀動(dòng)脈的血流變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的心血管風(fēng)險(xiǎn)。

• 手術(shù)導(dǎo)航和術(shù)中監(jiān)測：在手術(shù)過程中，準(zhǔn)確的手術(shù)導(dǎo)航和實(shí)時(shí)的術(shù)中監(jiān)測是確保手術(shù)*的關(guān)鍵。腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)可以為手術(shù)提供實(shí)時(shí)的血流信息，幫助醫(yī)生更好地定位病變組織，避免損傷重要的血管和神經(jīng)。同時(shí)，在手術(shù)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測組織的血流灌注情況，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)手術(shù)可能導(dǎo)致的血流異常，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)救，提高手術(shù)的質(zhì)量和安全性。例如，在神經(jīng)外科手術(shù)中，該技術(shù)可以幫助醫(yī)生避免損傷腦部的血管，確保手術(shù)的順利進(jìn)行。

• 藥物研發(fā)和治療效果評估：在藥物研發(fā)過程中，了解藥物對組織血流的影響是評估藥物療效的重要指標(biāo)。腹腔鏡激光散斑血流蒼老成像技術(shù)可以用于觀察藥物對組織血流的作用，為藥物研發(fā)提供有力的支持。在治療過程中，通過對治療前后組織血流變化的監(jiān)測，可以評估治療效果，及時(shí)調(diào)整治療方案。例如，在腫瘤治療中，可以觀察到化療藥物對腫瘤組織血流的影響，判斷藥物是否有效，為后續(xù)治療提供參考。

結(jié)與展望

盡管腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)具有諸多優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨一些挑戰(zhàn)：

• 成像深度的進(jìn)一步提高：雖然該技術(shù)在一定程度上解決了LSCI成像深度有限的問題，但對于一些深層組織的血流成像，仍然需要進(jìn)一步提高成像深度。這可能需要在激光技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及圖像處理算法等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究和創(chuàng)新。

• 復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性：在臨床應(yīng)用中，成像系統(tǒng)往往需要在復(fù)雜的環(huán)境下工作，如手術(shù)室中的電磁干擾、患者的身體運(yùn)動(dòng)等。這些因素可能會影響成像的質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，需要研究如何提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的抗干擾能力和穩(wěn)定性，確保成像結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

• 多模態(tài)成像融合：為了更全面地了解組織的生理和病理狀態(tài)，將腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)與其他成像技術(shù)進(jìn)行融合是一個(gè)重要的發(fā)展方向。例如，與超聲成像、磁共振成像等技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像，提供更豐富的信息。但這也帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn)，如何實(shí)現(xiàn)不同成像模態(tài)之間的準(zhǔn)確融合和信息互補(bǔ)是需要解決的問題。

腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)作為一種新興的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，具有巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。盡管目前還面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們有理由相信這些問題將逐步得到解決。未來，該技術(shù)有望在疾病診斷、治療和藥物研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為人類健康事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于:吳瓊,周偉,徐寶騰,劉家林,楊西斌,王馳,熊大曦.腹腔鏡激光散斑血流成像技術(shù)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2022,42(7): 0717001.Qiong Wu,Wei Zhou,Baoteng Xu,Jialin Liu,Xibin Yang, Chi Wang,Daxi Xiong.Laparoscopic Laser Speckle Blood Flow Imaging Technology[J].Acta Optica Sinica,2022,42(7):0717001.