3、襯比值K與相對血流指數(shù)BFI的關(guān)系

散斑圖案模糊程度的波動能反映血流流速變化，通過計算襯比值K可得到相對血流指數(shù)BFI（BFI=1/K2），BFI可用于觀察血流趨勢的相對變化，從而實現(xiàn)對血流速度及血管系統(tǒng)形態(tài)學(xué)的研究。

二、襯比值計算方法

1、空間襯比方法（sK）

使用N×N（通常N=3,5,7,9）的分析滑動窗口，根據(jù)像素點 (i,j)其空間鄰域的值來計算空間襯比值K。具體公式為，其中表示空間分析窗口內(nèi)光強的標準方差，表示空間分析窗口內(nèi)光強的平均值，表示空間窗長度，表示分析窗口內(nèi)像素點處的光強值。空間滑動窗口順著水平和豎直方向移動遍歷整個原始散斑圖像，即可得到空間襯比圖像。

2、空間方向襯比方法（sdK）

在空間襯比方法的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)置方差準則，其中d是分析窗口內(nèi)選定方向的索引，，對應(yīng)分析窗口內(nèi)的四個方向，var表示方向上對應(yīng)像素點的方差，。選取K中方差*方向的像素點計算襯比值，然后利用多幀圖像平均得到處理圖像。

3、自適應(yīng)窗口襯比方法（awK）

考慮襯比值計算過程中噪聲的影響，在空間襯比方法的基礎(chǔ)上通過濾波和分割處理后，根據(jù)分析窗口內(nèi)中心像素點與其鄰域像素之間的相似程度，引入0-1變量來判斷像素點是否被考慮計算襯比值，以此調(diào)整分析窗口的大小和形狀。具體通過判斷，其中表示空間窗長度為N，中心像素點為q，簇標簽為k的卷積矩陣，表示中心像素所在簇標簽，表示需要判斷的相鄰像素點所在簇標簽，設(shè)置像素相鄰點的判定標準為，將分析窗口內(nèi)符合標準的相鄰像素點賦值為1，然后再次進行襯比值計算。

4、自適應(yīng)窗口空間方向襯比方法（awsdK）

在自適應(yīng)窗口襯比方法的基礎(chǔ)上結(jié)合空間方向襯比方法進一步改進。首先將激光散斑襯比圖像劃分為不同的區(qū)域，改變血管邊界區(qū)域分析窗口的形狀和大小，并將靜態(tài)區(qū)域方差*、動態(tài)區(qū)域方差*小、過渡區(qū)域選取方差中值設(shè)置為方差準則，即

，

，

，

其中，對應(yīng)滑動窗口內(nèi)的五個方向（360°指全局變量），，以此選取更適合分析區(qū)域的像素進行襯比計算。

四種空間域激光散斑襯比成像方法示意圖

三、對比噪聲比（CNR）

1、CNR的定義與計算

引入對比噪聲比（CNR）來量化襯比圖像的成像質(zhì)量，其定義為血管（動態(tài)）區(qū)域與背景組織（靜態(tài)）區(qū)域的平均襯比值之差與背景組織（靜態(tài)）襯比值標準差的比值，公式為，其中表示對比噪聲比，為血管區(qū)域的平均襯比值，為背景皮膚組織區(qū)域的平均襯比值，為背景皮膚組織區(qū)域襯比值的標準偏差，可表示圖像噪聲。

2、CNR與成像質(zhì)量的關(guān)系

CNR與改善血管可視化中的噪聲衰減和提高動靜態(tài)區(qū)域間的對比度呈現(xiàn)高度正相關(guān)。當(dāng)血管區(qū)域與背景組織區(qū)域的襯比值差異越大，圖像噪聲越小，CNR越大，因此CNR可有效評價awsdK方法處理后圖像質(zhì)量的提升效果。

成像系統(tǒng)

反射式激光散斑成像示意圖

一、光源輸出模塊

該模塊由激光驅(qū)動器和激光二極管組成。激光器通過模塊化半導(dǎo)體激光二極管驅(qū)動器（美國，ILlightwava，LDC-3908）控制激光二極管（美國，Photodigm，PH785DBR）輸出光源，中心波長為785nm。

二、光學(xué)系統(tǒng)模塊

包括雙凸透鏡（美國，Thorlabs，LB1630-B）、平凹柱面透鏡（，Golden Way Scientific，GL16）和平面反射鏡（美國，Thorlabs，ME2S-M01）。雙凸透鏡將發(fā)出的激光進行聚焦，平凹柱面透鏡將聚焦后的激光進行擴束，*經(jīng)平面反射鏡反射到待測物體上，照明區(qū)域大小設(shè)置為5cm×4cm。

三、成像采集模塊

由顯微物鏡（日本，Nikon，S Fluor）、CMOS相機（英國，Andor，Zyla-4.2）和計算機組成。反射光經(jīng)物鏡被CMOS相機采集。顯微物鏡放大倍數(shù)為4X，數(shù)字孔徑NA為0.2，工作距離為15.5mm，相機*分辨率為2048（W）×2048（H），像素尺寸為6.5×6.5。實驗中設(shè)置激光功率為20mW，曝光時間為5ms，當(dāng)波長為785nm時，量子效率為62%。

動物實驗驗證

一、實驗動物與準備

實驗選用新西蘭白色、2kg的兔子，實驗遵循動物人道關(guān)懷準則，并經(jīng)過醫(yī)學(xué)科學(xué)放射醫(yī)學(xué)研究所實驗動物倫理委員會批準。在實驗期間，使用烏拉坦（氨基甲酸乙酯）對兔子進行麻醉，且為保證皮膚完整性，不對其進行脫毛處理。

二、實驗過程

皮膚血管成像實驗：利用R-LSCI系統(tǒng)，設(shè)置圖像分辨率為2048×2048，采集兔耳原始散斑圖像，以觀測兔耳血管分布情況。

血流流速監(jiān)測實驗：設(shè)置圖像分辨率為300×300，相機幀率為200fps，連續(xù)拍攝6000幀，成像持續(xù)時間30秒，用于監(jiān)測兔耳血流流速變化情況。

為更好地監(jiān)測連續(xù)血流的相對變化，選擇空間域的三種方法（sK、sdK、awK）與awsdK方法進行對比。四種方法采用的空間滑動分析窗口的大小分別設(shè)置為3×3、5×5、9×9、9×9。

分析與討論

一、成像質(zhì)量對比

對四種空間域襯比方法（sK、awK、sdK、awsdK）處理后的襯比圖像進行觀察。sK圖像噪聲較高，成像質(zhì)量較差，血管與背景組織邊緣區(qū)域劃分不明顯。awK和sdK圖像相較于sK圖像降低了圖像噪聲，血管與背景組織的邊緣區(qū)域存在一定區(qū)分度，但區(qū)分效果不明顯，邊緣信息及微小血管的信息被弱化。而awsdK圖像相較于以上三種方法，明顯增強了血管與組織背景之間的區(qū)分度，尤其在邊緣區(qū)域通過分割圖像等處理后分割效果較好，降低了圖像噪聲的同時保留了微小血管的信息，血管形態(tài)結(jié)構(gòu)清晰可辨。

四種空間域襯比方法處理后的皮膚成像實驗結(jié)果

二、血流流速檢測能力對比

紅細胞等粒子在血液中運動速度影響血管區(qū)域與背景組織之間的襯比值之差，運動越快，差值越大，越易區(qū)分血流與背景組織，但微小血管血流流速較慢，不易與背景組織區(qū)分，常導(dǎo)致處理后的圖像丟失微小血管運動信息。根據(jù)相對血流指數(shù)公式估計血液相對流速，對比四種方法對微小血管細節(jié)的保留能力發(fā)現(xiàn)，awsdK方法不僅在常規(guī)血管結(jié)構(gòu)成像方面具有優(yōu)勢，而且對于小速度血流功能信息的檢測具有較強的敏感性，能夠顯示出更多微小血管的運動信息，繪制出更為全面的血流分布圖。

三、CNR對比

對四種空間域襯比方法處理后的襯比圖像選取5處相同動態(tài)區(qū)域（ROI-1~5）與固定靜態(tài)區(qū)域，通過公式計算得到CNR對比圖。結(jié)果顯示，awsdK圖像的CNR值較其他三種方法（sK、awK、sdK）處理后的襯比圖像有著顯著的提升，噪聲衰減效果優(yōu)于awK圖像和sdK圖像。這表明awsdK方法不僅可以獲得更高質(zhì)量的襯比圖像，而且在保留更多的血管結(jié)構(gòu)信息和功能信息的同時，可以將血管和皮膚組織劃分得更為細致，進一步提高了血管可視化能力。

四、血流相對流速監(jiān)測可行性驗證

通過公式估計血管的部分血液相對流速變化并監(jiān)測一段時間內(nèi)血流相對流速變化情況。結(jié)果顯示，30秒內(nèi)整體血流相對流速變化趨于平穩(wěn)，sK、awK、sdK和awsdK四種方法在監(jiān)測血流相對速度的變化趨于一致，在監(jiān)測相對速度方面沒有較大差異，符合實驗預(yù)期（實驗體健康正常，血流速度穩(wěn)定）。這驗證了awsdK方法在系統(tǒng)的有效檢測范圍內(nèi)可以較為準確地估計出血管內(nèi)血液運動的相對流速信息。

四種空間域襯比方法處理后的流速監(jiān)測實驗結(jié)果

結(jié)與展望

通過動物在體實驗驗證，awsdK方法在R-LSCI系統(tǒng)中的成像效果優(yōu)于sK、awK、sdK方法。經(jīng)awsdK方法處理后的襯比圖像在實現(xiàn)噪聲高度衰減的同時，能夠顯著提高血管與組織背景之間的差異度，并且可保留更多微小血管結(jié)構(gòu)信息和功能信息。

在體實驗中，awsdK方法仍具有高分辨率的血流測繪能力，進一步提高了血管可視化能力和血流檢測敏感性，可推廣至其他激光散斑成像系統(tǒng)，在深層血流監(jiān)測方面具備明顯優(yōu)勢。

然而，受R-LSCI檢測原理影響，其探測深層血流信息能力有限，導(dǎo)致襯比圖像成像質(zhì)量提高存在一定局限性。因此，課題組將進一步研究透射式LSCI以及透反共用式LSCI成像方法，以提高該技術(shù)探測深層血流信息的準確性及提升其臨床應(yīng)用價值。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于：張博, 李德, 郭皓寧, 王慧泉, 王璇, 韓廣. 基于自適應(yīng)窗口空間方向襯比方法的血管成像方法研究[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 2024, 61(24): 04.