一種用于研究激光散斑血流成像方法的測(cè)試系統(tǒng)

宋磊磊　孔平　于小強(qiáng)　等

摘要： 激光散斑血流成像（laser speckle flowgraphy，LSFG）技術(shù)也稱(chēng)激光散斑襯比分析（laser speckle contrast analysis，LSCA）技術(shù)，該技術(shù)采用一種無(wú)需掃描的全場(chǎng)光學(xué)成像方法，可對(duì)血流變化進(jìn)行定量分析。激光散斑襯比分析方法可分為空間襯比、時(shí)間襯比及時(shí)空聯(lián)合襯比三種分析方法，但已有研究中缺乏對(duì)三種不同襯比分析方法的應(yīng)用范圍及處理結(jié)果準(zhǔn)確性等因素的綜合分析。通過(guò)采用含有TiO2懸浮顆粒的液體流經(jīng)軟管模擬生物體血液流動(dòng)變化的實(shí)驗(yàn)，介紹了激光散斑成像技術(shù)原理，并對(duì)空間、時(shí)間及時(shí)空聯(lián)合襯比分析方法進(jìn)行了對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同速度之間各種襯比運(yùn)算結(jié)果的比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，時(shí)空聯(lián)合襯比分析方法相比于單純的空間襯比或單純的時(shí)間襯比測(cè)試范圍廣，在保證較高的時(shí)間分辨率和空間分辨率的同時(shí)，減少了數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量，提高了散斑襯比的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： 激光散斑； 血流成像； 時(shí)空聯(lián)合； 襯比分析

中圖分類(lèi)號(hào)： O 436文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.004

A measurement system to study the technique of

laser speckle flowgraphy

SONG Leilei1， KONG Ping2， YU Xiaoqiang1， LI Ran1， YANG Hui1

（1.School of OpticalElectrical and Computer Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China；

2.Foundation Department， Shanghai Medical Instrumentation College， Shanghai 200093， China）

Abstract： Laser speckle flowgraphy （LSFG） technique， also known as laser speckle contrast analysis （LSCA）， is a full field optical imaging method without scanning， which can quantitatively analyze the change of blood flow. LSCA method is commonly used in space， time and the ratio of contrast lining spatialtemporal speckle contrast analysis method. We analyze the applications and the accuracy of the previous researches， in which the analysis methods lack of three different contrast factors. Through the use of TiO2 containing suspended particles in the fluid through a hose simulated biological changes in the blood flow， we introduce the principle of LSFG technique， and compare the methods of space， time and spatial and temporal contrast analysis. We implement the various different speeds to compare the results of various contrast analysis methods. The experimental results show that the spatialtemporal contrast analysis method compared to the simple spatial contrast or the simple time contrast test range can guarantee the time resolution and high spatial resolution at the same time， reduce the computation of data processing， and improve the accuracy of the speckle contrast.

Keywords： laser speckle； flowgraphy； spatialtemporal； contrast analysis

引言如何進(jìn)行血流監(jiān)測(cè)一直是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，研究一種能對(duì)區(qū)域性血流速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)是這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)有的血流監(jiān)測(cè)手段，如功能核磁共振成像和正電子發(fā)射斷層成像，受限于較低的時(shí)間分辨率（秒量級(jí)）和空間分辨率（毫米量級(jí)），并且設(shè)備價(jià)格昂貴。X射線(xiàn)血管造影和熒光血管造影技術(shù)均需向被測(cè)者體內(nèi)注射造影劑，不利于其推廣。目前應(yīng)用相對(duì)廣泛的激光多普勒血流測(cè)量技術(shù)屬單點(diǎn)測(cè)量，若要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二維血流成像則需要結(jié)合機(jī)械掃描裝置，這會(huì)降低時(shí)間分辨率和空間分辨率[1]。相比傳統(tǒng)的血流監(jiān)測(cè)技術(shù)，激光散斑血流成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)區(qū)域性血流速度分布信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且具有較高的時(shí)間分辨率（幾十毫秒）和空間分辨率（數(shù)微米）的特點(diǎn)，近年來(lái)日益受到人們的重視[2]。光學(xué)儀器第37卷

第2期宋磊磊，等：一種用于研究激光散斑血流成像方法的測(cè)試系統(tǒng)

1激光散斑血流成像技術(shù)基本原理激光散斑血流成像（laser speckle flowgraphy，LSFG）技術(shù)也稱(chēng)激光散斑襯比分析（laser speckle contrast analysis，LSCA）技術(shù)，該技術(shù)的原理是利用血管中紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的后向動(dòng)態(tài)散斑對(duì)比度值來(lái)獲取血流速度信息。通過(guò)散斑成像的方式就可獲得全場(chǎng)的二維血流分布圖像，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的血流監(jiān)測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高分辨率血流成像。在1960年早期，伴隨激光器的發(fā)明和使用，人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光照射在粗糙物體表面時(shí)，在接收面會(huì)觀察到光強(qiáng)隨機(jī)分布的高對(duì)比度顆粒狀圖像，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“散斑”。散射粒子的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起散斑圖案的模糊，并且隨著散射粒子運(yùn)動(dòng)速率的增大，模糊程度越顯著。為描述散斑圖像的統(tǒng)計(jì)特性和模糊程度，Goodman利用散斑強(qiáng)度的一階統(tǒng)計(jì)特性引入“襯比”[4]的概念，其定義為散斑圖像灰度變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差與其均值之比K=σII—（1）式中：K為散斑襯比；σI為散斑圖像灰度變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差；I—為其灰度均值。根據(jù)Fercher等的工作，散斑襯比與散射粒子運(yùn)動(dòng)速率之間的關(guān)系[5]為K=e-2x-1+2x2x2（2）式中x為散射粒子運(yùn)動(dòng)速率，x=T/τc，其中T為CCD相機(jī)的曝光時(shí)間，τc為電場(chǎng)去相關(guān)時(shí)間。τc反映了電場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)的快慢，而散射粒子的運(yùn)動(dòng)速度決定了電場(chǎng)的波動(dòng)。綜上可知，通過(guò)計(jì)算散斑圖像的襯比可以得到散射粒子的運(yùn)動(dòng)信息。激光散斑血流成像技術(shù)是利用激光散斑圖像提取被觀測(cè)物體的二維流速分布信息。在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，現(xiàn)有散斑圖像的襯比計(jì)算方法主要有空間襯比分析（laser speckle spatial contrast analysis，LSSCA）方法、時(shí)間襯比分析（laser speckle temporal contrast analysis，LSTCA）方法以及在此基礎(chǔ)上衍生出的時(shí)空聯(lián)合襯比分析（laser speckle spatialtemporal contrast analysis，LSSTCA）方法。如圖1（a）所示，LSSCA方法是通過(guò)計(jì)算Ns×Ns（其中Ns為空間滑動(dòng)窗口的像素?cái)?shù)）大小的空間滑動(dòng)窗內(nèi)的像素襯比，將其作為中心像素襯比，利用此方法繪制整幅圖像的空間襯比圖。圖中R、C為CCD接收面長(zhǎng)寬方向上的像素?cái)?shù)。如圖1（b）所示，LSTCA方法是通過(guò)連續(xù)采集多幀圖像，計(jì)算它們相同位置處像素灰度的襯比并將其賦值給相應(yīng)位置，得到整幅圖像的時(shí)間襯比圖。兩種襯比計(jì)算方法各有優(yōu)劣：LSSCA方法對(duì)單幀散斑圖像進(jìn)行計(jì)算，保留了原始圖像的時(shí)間分辨率，但由于采用Ns×Ns空間滑動(dòng)窗，因此導(dǎo)致空間分辨率下降；而LSTCA方法未使用空間滑動(dòng)窗，具有很高的空間分辨率，但由于需要采集多幀圖像，因此導(dǎo)致時(shí)間分辨率下降。如圖1（c）所示，LSSTCA方法是利用計(jì)算Ns×Ns×Nt（其中Nt為時(shí)間滑動(dòng)窗口的圖像幀數(shù)）的時(shí)空窗內(nèi)像素灰度的襯比，繪制整幅圖像的時(shí)空襯比圖。由于LSSTCA方法所用的滑動(dòng)窗維數(shù)小于單純空間域上分析的LSSCA方法，時(shí)間軸上的幀數(shù)小于單純時(shí)間域上LSTCA方法，所以具有較好的時(shí)間分辨率與空間分辨率[3]。

圖1激光散斑血流成像襯比分析方法

Fig.1Laser speckle flowgraphy contrast analysis

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)3種不同分析方法進(jìn)行了分析對(duì)比，采用含有TiO2的懸浮顆粒的液體流經(jīng)軟管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M生物體血液流動(dòng)的變化。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁煌魉偬幍囊r比結(jié)果之間的關(guān)系，驗(yàn)證激光散斑血流成像3種不同襯比分析方法的應(yīng)用范圍及處理結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然Fercher等通過(guò)推導(dǎo)建立了散斑襯比與散射粒子運(yùn)動(dòng)速率之間的聯(lián)系，但是在生物樣品中，我們無(wú)法準(zhǔn)確判斷血流的速率，因此，我們無(wú)法利用生物樣品進(jìn)行判斷散斑襯比與散射粒子運(yùn)動(dòng)速率之間的聯(lián)系。本文通過(guò)測(cè)試含有TiO2懸浮顆粒的溶液在不同速率下流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬生物血流的變化，驗(yàn)證散斑襯比與散射粒子運(yùn)動(dòng)速率之間的關(guān)系[6]。2實(shí)驗(yàn)裝置及方法

2.1實(shí)驗(yàn)裝置典型的激光散斑襯比成像系統(tǒng)如圖2所示，主要包括激光光源模塊、成像模塊與圖像采集模塊3個(gè)組成部分。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用含有TiO2懸浮顆粒的液體流經(jīng)透明軟管搭建的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑴y(cè)試裝置3D模型圖如圖3所示，其中a、b兩處軟管分叉部分表示軟管由一支管分成兩個(gè)大小、直徑均相同的分支，目的是使流經(jīng)幾處軟管的顆粒數(shù)量相同，保證圖中C1與C2以及C2與C3之間的顆粒速度為倍數(shù)關(guān)系。通過(guò)監(jiān)測(cè)不同區(qū)域血流的變化，并重點(diǎn)對(duì)圖中選取的成倍速率C1、C2及C3處的襯比值進(jìn)行分析，以此來(lái)驗(yàn)證不同激光散斑襯比分析方法的準(zhǔn)確性。曝光時(shí)間固定為10 ms，通過(guò)采集不同速度區(qū)域內(nèi)的圖像進(jìn)行襯比計(jì)算，判斷激光散斑襯比計(jì)算方法與流速的關(guān)系。

圖2系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

Fig.2The system structure diagram

圖3實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置3D模型圖

Fig.3Schematic diagram of the experiment equipment2.2實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)分析在每種流速下采集30幅原始序列散斑圖像。分別選取C1、C2和C3處區(qū)域，并利用空間、時(shí)間以及時(shí)空聯(lián)合襯比方法計(jì)算散斑襯比圖像。Parthasarathy等[7]給出散斑襯比K和τc的方程關(guān)系式為K（T，τc）=βρ2e-2x-1+2x2x2+4βρ（1-ρ）e-x-1+xx2+（1-ρ）21/2+Cnoise（3）式中：ρ為經(jīng)過(guò)移動(dòng)光學(xué)散射的激光分量；Cnoise為常數(shù)代表噪聲；β為與散斑大小、偏振、光源相干性等系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)的系統(tǒng)因子。在忽略靜態(tài)光散射（ρ→1）和噪聲（Cnoise→0）的情況下，式（3）可簡(jiǎn)化為K（T，τc）=βe-2x-1+2x2x21/2（4）當(dāng)CCD曝光時(shí)間T固定且Tτc時(shí)，1/τc與散射粒子的平均速率v呈正比。LSFG中散斑襯比可以近似為K=av-1/2（5）式中a為比例常數(shù)。在文獻(xiàn)[8]中作者提出τc為微秒量級(jí)，本實(shí)驗(yàn)中，曝光時(shí)間固定采用10 ms，遠(yuǎn)大于τc，因此可以滿(mǎn)足式（5）近似條件。圖4不同顆粒大小情況下，激光散斑襯

比值隨顆粒流速的變化情況

Fig.4Laser speckle contrast with the

variation of particle velocity for

different particle sizes3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析圖4為不同N值下C1處激光散斑襯比值與實(shí)際流速的關(guān)系，N為散斑像素大小。本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)動(dòng)態(tài)散斑進(jìn)行襯比分析計(jì)算，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，激光散斑襯比取決于散斑圖的空間抽樣。式（5）適用于所有N值進(jìn)行的激光散斑襯比分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在一定范圍內(nèi)的N值（0.39～6.25）和流動(dòng)速度（20 mm·s-1）下，LSFG的相對(duì)變化是一致的（見(jiàn)圖5）。不同N值下C1和C2處之間的LSFG方法的比值接近2，這一結(jié)果與兩處流速的相對(duì)比值是一致的。

圖5固定散斑大小時(shí)對(duì)應(yīng)C1與C3處襯比比值與顆粒流動(dòng)速度

值得注意的是，使用時(shí)空聯(lián)合襯比分析（圖5（c））比單純的時(shí)間襯比分析（圖5（a））或單純的空間襯比分析（圖5（b））所得C1和C2處的K值之比更接近2。利用時(shí)間襯比分析方法在低速下比值偏差比較大，利用空間襯比方法時(shí)在高速下相對(duì)速度比值要小于2，而利用時(shí)空聯(lián)合襯比分析方法時(shí)相對(duì)流速一直保持在2左右。同樣在C1與C3處所得結(jié)果相同，利用時(shí)間襯比分析方法時(shí)相對(duì)襯比比值仍然保持在一個(gè)略低于4的值，而空間襯比方法卻呈線(xiàn)性衰減。這一結(jié)果在不同滑動(dòng)窗大小（5 pixel×5 pixel，7 pixel×7 pixel和9 pixel×9 pixel）下觀察時(shí)均得到相同的體現(xiàn)。4結(jié)論通過(guò)觀察TiO2懸濁液的動(dòng)態(tài)散斑實(shí)驗(yàn)，可以證明散斑襯比值隨著像素與散斑大小的比值的增大而增大。使用時(shí)空聯(lián)合襯比分析方法要比單純的時(shí)間襯比分析方法或單純的空間襯比分析方法更準(zhǔn)確，可以很好地評(píng)估相對(duì)血流量的變化，尤其是在較快或較慢的流速條件下。參考文獻(xiàn)：

[1]王珍，劉慶瑩.高時(shí)空分辨的腦功能光學(xué)成像研究進(jìn)展[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2008，35（5）：488495.

[2]鄭剛，申晉，孫國(guó)強(qiáng)，等.對(duì)動(dòng)態(tài)光散射顆粒測(cè)量技術(shù)中幾個(gè)問(wèn)題的討論[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（4）：313318.

[3]張紅艷.面向臨床應(yīng)用的激光散斑血流成像系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[4]GOODMAN J W.Speckle phenomena in optics：theory and application[M].Berlin：Roberts and Company，2006.

[5]FERCHER A F，BRIERS J D.Flow visualization by means of singleexposure speckle photography[J].Optics Communications，1981，37（5）：326330.

[6]孔平，楊暉，鄭剛，等.激光散斑血流成像技術(shù)研究新進(jìn)展[J].光學(xué)技術(shù)，2014，40（1）：2124.

[7]PARTHASARATHY A B，TOM W J.GOPAL A，et al.Robust flow measurement with multiexposure speckle imaging[J].Optics Express，2008，16（3）：19751989.

[8]杜述松，王詠梅，王英鑒.空間應(yīng)用干涉成像光譜儀的研究[J].光學(xué)儀器，2008，30（3）：7782.

（編輯：程愛(ài)婕）