3、襯比值K與相對(duì)血流指數(shù)BFI的關(guān)系

散斑圖案模糊程度的波動(dòng)能反映血流流速變化，通過(guò)計(jì)算襯比值K可得到相對(duì)血流指數(shù)BFI（BFI=1/K2），BFI可用于觀察血流趨勢(shì)的相對(duì)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)血流速度及血管系統(tǒng)形態(tài)學(xué)的研究。

二、襯比值計(jì)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(dòng)窗口，根據(jù)像素點(diǎn) (i,j)其空間鄰域的值來(lái)計(jì)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(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)方差，表示空間分析窗口內(nèi)光強(qiáng)的平均值，表示空間窗長(zhǎng)度，表示分析窗口內(nèi)像素點(diǎn)處的光強(qiáng)值?？臻g滑動(dòng)窗口順著水平和豎直方向移動(dòng)遍歷整個(gè)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(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置方差準(zhǔn)則，其中d是分析窗口內(nèi)選定方向的索引，，對(duì)應(yīng)分析窗口內(nèi)的四個(gè)方向，var表示方向上對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的方差，。選取K中方差*方向的像素點(diǎn)計(jì)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(jì)算過(guò)程中噪聲的影響，在空間襯比方法的基礎(chǔ)上通過(guò)濾波和分割處理后，根據(jù)分析窗口內(nèi)中心像素點(diǎn)與其鄰域像素之間的相似程度，引入0-1變量來(lái)判斷像素點(diǎn)是否被考慮計(jì)算襯比值，以此調(diào)整分析窗口的大小和形狀。具體通過(guò)判斷，其中表示空間窗長(zhǎng)度為N，中心像素點(diǎn)為q，簇標(biāo)簽為k的卷積矩陣，表示中心像素所在簇標(biāo)簽，表示需要判斷的相鄰像素點(diǎn)所在簇標(biāo)簽，設(shè)置像素相鄰點(diǎn)的判定標(biāo)準(zhǔn)為，將分析窗口內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)的相鄰像素點(diǎn)賦值為1，然后再次進(jìn)行襯比值計(jì)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(jìn)一步改進(jìn)。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(dòng)態(tài)區(qū)域方差*小、過(guò)渡區(qū)域選取方差中值設(shè)置為方差準(zhǔn)則，即

，

，

，

其中，對(duì)應(yīng)滑動(dòng)窗口內(nèi)的五個(gè)方向（360°指全局變量），，以此選取更適合分析區(qū)域的像素進(jìn)行襯比計(jì)算。

四種空間域激光散斑襯比成像方法示意圖

三、對(duì)比噪聲比（CNR）

1、CNR的定義與計(jì)算

引入對(duì)比噪聲比（CNR）來(lái)量化襯比圖像的成像質(zhì)量，其定義為血管（動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)差的比值，公式為，其中表示對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)靜態(tài)區(qū)域間的對(duì)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(píng)價(jià)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(dòng)器和激光二極管組成。激光器通過(guò)模塊化半導(dǎo)體激光二極管驅(qū)動(dòng)器（美國(guó)，ILlightwava，LDC-3908）控制激光二極管（美國(guó)，Photodigm，PH785DBR）輸出光源，中心波長(zhǎng)為785nm。

二、光學(xué)系統(tǒng)模塊

包括雙凸透鏡（美國(guó)，Thorlabs，LB1630-B）、平凹柱面透鏡（，Golden Way Scientific，GL16）和平面反射鏡（美國(guó)，Thorlabs，ME2S-M01）。雙凸透鏡將發(fā)出的激光進(jìn)行聚焦，平凹柱面透鏡將聚焦后的激光進(jìn)行擴(kuò)束，*經(jīng)平面反射鏡反射到待測(cè)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(jī)（英國(guó)，Andor，Zyla-4.2）和計(jì)算機(jī)組成。反射光經(jīng)物鏡被CMOS相機(jī)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(jī)*分辨率為2048（W）×2048（H），像素尺寸為6.5×6.5。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置激光功率為20mW，曝光時(shí)間為5ms，當(dāng)波長(zhǎng)為785nm時(shí)，量子效率為62%。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

一、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選用新西蘭白色、2kg的兔子，實(shí)驗(yàn)遵循動(dòng)物人道關(guān)懷準(zhǔn)則，并經(jīng)過(guò)醫(yī)學(xué)科學(xué)放射醫(yī)學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)期間，使用烏拉坦（氨基甲酸乙酯）對(duì)兔子進(jìn)行麻醉，且為保證皮膚完整性，不對(duì)其進(jìn)行脫毛處理。

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

皮膚血管成像實(shí)驗(yàn)：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(cè)兔耳血管分布情況。

血流流速監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)：設(shè)置圖像分辨率為300×300，相機(jī)幀率為200fps，連續(xù)拍攝6000幀，成像持續(xù)時(shí)間30秒，用于監(jiān)測(cè)兔耳血流流速變化情況。

為更好地監(jiān)測(cè)連續(xù)血流的相對(duì)變化，選擇空間域的三種方法（sK、sdK、awK）與awsdK方法進(jìn)行對(duì)比。四種方法采用的空間滑動(dòng)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(duì)比

對(duì)四種空間域襯比方法（sK、awK、sdK、awsdK）處理后的襯比圖像進(jìn)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(qiáng)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(guò)分割圖像等處理后分割效果較好，降低了圖像噪聲的同時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

二、血流流速檢測(cè)能力對(duì)比

紅細(xì)胞等粒子在血液中運(yùn)動(dòng)速度影響血管區(qū)域與背景組織之間的襯比值之差，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)信息。根據(jù)相對(duì)血流指數(shù)公式估計(jì)血液相對(duì)流速，對(duì)比四種方法對(duì)微小血管細(xì)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(shì)，而且對(duì)于小速度血流功能信息的檢測(cè)具有較強(qiáng)的敏感性，能夠顯示出更多微小血管的運(yùn)動(dòng)信息，繪制出更為全面的血流分布圖。

三、CNR對(duì)比

對(duì)四種空間域襯比方法處理后的襯比圖像選取5處相同動(dòng)態(tài)區(qū)域（ROI-1~5）與固定靜態(tài)區(qū)域，通過(guò)公式計(jì)算得到CNR對(duì)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(shí)，可以將血管和皮膚組織劃分得更為細(xì)致，進(jìn)一步提高了血管可視化能力。

四、血流相對(duì)流速監(jiān)測(cè)可行性驗(yàn)證

通過(guò)公式估計(jì)血管的部分血液相對(duì)流速變化并監(jiān)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)血流相對(duì)流速變化情況。結(jié)果顯示，30秒內(nèi)整體血流相對(duì)流速變化趨于平穩(wěn)，sK、awK、sdK和awsdK四種方法在監(jiān)測(cè)血流相對(duì)速度的變化趨于一致，在監(jiān)測(cè)相對(duì)速度方面沒(méi)有較大差異，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期（實(shí)驗(yàn)體健康正常，血流速度穩(wěn)定）。這驗(yàn)證了awsdK方法在系統(tǒng)的有效檢測(cè)范圍內(nèi)可以較為準(zhǔn)確地估計(jì)出血管內(nèi)血液運(yùn)動(dòng)的相對(duì)流速信息。

四種空間域襯比方法處理后的流速監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)與展望

通過(guò)動(dòng)物在體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)噪聲高度衰減的同時(shí)，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(shí)驗(yàn)中，awsdK方法仍具有高分辨率的血流測(cè)繪能力，進(jìn)一步提高了血管可視化能力和血流檢測(cè)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(cè)方面具備明顯優(yōu)勢(shì)。

然而，受R-LSCI檢測(cè)原理影響，其探測(cè)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(jìn)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(cè)深層血流信息的準(zhǔn)確性及提升其臨床應(yīng)用價(jià)值。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來(lái)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(jìn)展, 2024, 61(24): 04.

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