基于掃頻激光光源的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)研制與應用

李奇原，任天慧，李易陸，王立偉，李躍杰

（中國醫(yī)學科學院北京協和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所，天津300192）

0 引言

皮膚是人體的第一道生理防線和最大的器官，且皮膚病種類繁多。近年來，由于環(huán)境惡化和不良生活習慣，皮膚病的患病率呈逐年上升趨勢[1]。目前，皮膚病的診斷主要依賴組織病理學活檢，而創(chuàng)傷性活檢易引起患者疼痛、皮損部位感染，且僅能提供活檢部位的即時信息[2]。此外，由冠心病、糖尿病等引起的外周動脈疾病（peripheral arterial disease，PAD）發(fā)病率顯著提升，而嚴重肢體缺血則是外周動脈疾病最嚴重的臨床表現，會導致肢體氧氣與營養(yǎng)物質長期供應不足[3]。因此，皮膚病與肢體缺血早期臨床診斷亟須一種無創(chuàng)、實時、高分辨力的檢測手段，這就促進了皮膚影像學的產生和發(fā)展[4]。

現有的皮膚影像學成像技術主要包括皮膚鏡、皮膚超聲、皮膚CT、皮膚光學相干斷層掃描（optical coherence tomography，OCT）等。其中，皮膚鏡是主要針對色素性皮膚疾病的無創(chuàng)性輔助診斷儀器，可在體觀察皮膚表層微細結構，但依賴診斷者主觀經驗且無法獲得深層皮膚結構[5]；皮膚超聲可無損檢測皮膚深層結構，尤其是高頻超聲對黑色素瘤、血管瘤等疾病診斷有重要指導意義，但其分辨力低，無法辨別皮膚腫瘤的良惡性，且易受探頭壓力等因素影響；皮膚CT 可實現實時、高分辨力三維皮膚成像，在銀屑病、皮膚腫瘤等方面是一種可靠的診斷手段，但傳統(tǒng)皮膚CT 無法提供微血管血流信息；皮膚OCT 技術基于低相干光干涉原理，具有無損、非接觸、高靈敏度、高分辨力、實時動態(tài)成像等特點[6-8]，可實現微血管血流成像，克服了以上幾種成像技術的局限性，是具有廣闊發(fā)展前景的無損皮膚影像學診斷技術。

本文設計并搭建了一套基于掃頻激光光源的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)，通過對采集到的光相干掃描信號進行信號處理與圖像重建，從而獲得皮膚組織結構與微細血管血流圖像。

1 設計方法

1.1 系統(tǒng)設計

基于掃頻激光光源的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)由掃頻激光光源及干涉儀組成的光學系統(tǒng)模塊、平衡光電探測器及數據采集卡組成的信號采集模塊、計算機及控制卡組成的系統(tǒng)控制模塊以及圖像處理模塊構成。光學系統(tǒng)模塊中樣品返回的干涉光信號經信號采集模塊采集并傳輸至計算機，經圖像處理模塊處理實現顯示與存儲；系統(tǒng)控制模塊總體控制系統(tǒng)中相干信號的掃描、傳輸與采集?；趻哳l激光光源的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 基于掃頻激光光源的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)原理圖

1.1.1 光學系統(tǒng)模塊

選擇Axsun 公司中心波長1 310 nm、掃頻范圍140 nm、平均功率15 mW、掃頻頻率100 kHz 的掃頻激光光源作為系統(tǒng)光源。對于高斯分布光源，系統(tǒng)縱向分辨力lc表達式為

其中，λ0為光源中心波長，Δλ 為光源帶寬。根據Axsun 光源參數計算系統(tǒng)縱向分辨力可達6 μm。

掃頻激光器發(fā)出的掃頻激光經光纖分束器1將輸入光分為2 路：一路送入光環(huán)行器1 的端口a，經光環(huán)行器1 的端口b 輸出，送入參考臂；經延遲處理后的參考臂光環(huán)行器1 的端口b 和端口c 進入光纖分束器2 的端口1。另一路送入光環(huán)行器2 的端口a，經光環(huán)行器2 的端口b 輸出，送入樣品臂中的光纖準直鏡CL2；光纖準直鏡CL2 發(fā)出的準直光經掃描振鏡X 和掃描振鏡Y 投射到系統(tǒng)物鏡L2。經系統(tǒng)物鏡L2 輸出的掃描成像光線投射到被測皮膚組織進行掃描成像。由被測組織反射回來的帶有被測組織結構信息的掃描光線經系統(tǒng)物鏡L2、掃描振鏡X 和掃描振鏡Y 返回到光纖準直鏡CL2，并經光環(huán)行器2 的端口b 和端口c 進入光纖分束器2 的端口，在光纖分束器2 內與由光延遲線返回的參考臂光線進行匯聚干涉，輸出匯聚光線，匯聚光線經光纖分束器2 的端口3 和端口4 輸出到平衡光電探測器的差動輸入端；平衡光電探測器的輸出信號傳輸到數據采集卡，經計算機進行信號處理與血流信息提取，得到被照組織的2D/3D 層析圖像及組織微血管血流圖像。與計算機相連的控制卡控制樣品臂中的掃描振鏡X 和掃描振鏡Y，實現掃描光線的X 方向與Y 方向掃描。

1.1.2 信號采集模塊

信號采集模塊由平衡探測器和DAQ 數據采集卡組成，其功能為將參考光與被測組織返回的樣品光干涉形成的干涉光信號經平衡探測器轉換為相應電信號，DAQ 數據采集卡采集電信號并傳輸至計算機，以便后續(xù)進行數據處理。本設計中DAQ 數據采集卡采用Axsun DAQ 數據采集卡，其包括小型微控制器與大型現場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，FPGA）處理器，微控制器負責處理鏈接數據庫與激光驅動板的雙向通信，加載FPGA相關程序；而FPGA 處理器負責計算密集型任務，如數據的采集與傳輸，并為計算機提供Enthernet/PCIe數據接口，以實現DAQ 數據采集卡對計算機的數據傳輸及計算機對DAQ 數據采集卡的控制。

1.1.3 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊由計算機、DAQ 數據采集卡與同步控制卡組成，其功能為同步系統(tǒng)時鐘、控制系統(tǒng)掃描與采集。DAQ 數據采集卡將同步時鐘k-clock 輸入同步控制卡，同步控制卡接收k-clock 信號并作為外部時鐘源，以k-clock 為時鐘基準編寫并發(fā)出X 和Y 2 路三角波驅動振鏡做3D 掃描，實現線同步。同時在每一個三角波波形開始時，反饋一個Image_sync信號給DAQ 數據采集卡作為幀刷新同步信號，實現幀同步。

本文針對系統(tǒng)控制模塊功能進行人機交互界面設計，如圖2 所示，包括X 和Y 2 路三角波的占空比與幅值的實時設置與刷新、3D 掃描中X 和Y方向線數設置、血流提取需求中重復幀數設置、時鐘頻率選擇功能。

圖2 系統(tǒng)控制模塊界面

控制流程如下：（1）點擊“開始”運行程序后，首先對系統(tǒng)進行初始化，包括同步控制卡管腳功能設置，并讀取控制界面內的參數設置值。（2）接收掃描觸發(fā)信號后，同步控制卡輸出X 和Y 2 路三角波信號，控制振鏡做平面內二維掃描，其中幅值決定掃描范圍，線數決定掃描密度，Y 方向重復數決定單幀重復掃描次數，用于后期血流提取算法提取血流信息；同時發(fā)出一路同步信號Image_sync 反饋給DAQ 數據采集卡，開始同步采集。（3）每次掃描結束后，檢測停止鍵狀態(tài)（保證每次掃描均完整），直至檢測到按下狀態(tài)結束循環(huán)。

1.1.4 圖像處理模塊

計算機收到被測組織相關干涉信號后，經數據處理模塊處理，得到皮膚組織結構與皮下微血流圖像。數據處理流程如下：（1）樣品深度信息原始數據經模數轉換得到16 位二進制數據；（2）對數據進行窗口補零，將每個掃描線填充至2 048 個樣本，便于后續(xù)逆傅里葉變換操作；（3）對采樣的光譜數據進行相位校正，補償色散，以提高分辨力；（4）對采樣數據做逆傅里葉變換，將二進制數據轉化為信號強度值；（5）減除未放置樣品時采集的背景噪聲；（6）圖像數據經對數壓縮后轉化為8 位數據，并寫入bmp 文件，實現皮膚組織結構圖像的顯示與存儲。數據處理過程如圖3 所示。

圖3 數據處理流程圖

1.2 皮膚血流信息提取

OCT 技術作為一種光學檢測手段，可無創(chuàng)獲得組織深層高分辨力圖像[9]。本設計采用去相關標準差算法，通過對連續(xù)采集的皮膚組織OCT 結構圖像進行去相關處理，然后對去相關圖像計算標準差，從而獲取血流信息。

1.2.1 去相關算法

去相關算法是利用去相關處理從組織結構圖像中獲取微血流信息并成像[10]。去相關算法能有效去除靜態(tài)組織信息，保留動態(tài)組織信息，其中去相關度較大的為動態(tài)組織，去相關度較小的為靜態(tài)組織。

Jia 等[11]提出一種運用于光學相干層析微血流成像技術的全頻譜去相關算法。該算法在保證去相關水平的基礎上，提高了去相關算法的運算速率。去相關運算公式如下：

其中，Ri（x，y）為去相關圖像，Ii（x，y）為第i幀同一位置OCT 圖像，Ii+1（x，y）為第i+1 幀同一位置OCT圖像。為了提取二維結構皮膚OCT 圖像中的運動血流信息，本文對同一位置N幀OCT 圖像中連續(xù)相鄰圖像分別進行去相關處理，去除靜態(tài)組織信息并提取動態(tài)微血流信息，獲得同一位置N-1 幀去相關圖像。

1.2.2 標準差運算

同一位置采集的OCT 圖像中，被測組織運動速度越快，相鄰幀圖像中差異值越大，運動組織的標準差越大，在微血流圖中表現為明亮；相反，靜態(tài)組織保持靜止，相鄰幀圖像中差異小，標準差運算后值也小，在微血流圖中表現為暗。因此，本研究對同一位置的N-1 幀去相關圖像Ri（x，y）做標準差運算，增強動態(tài)組織運動信號并抑制靜態(tài)組織信號，以實現微血管血流信息提取。標準差運算公式如下：

2 實驗驗證

2.1 皮膚組織二維結構與三維重建

應用本文設計的成像系統(tǒng)對人體手背皮膚進行檢測試驗，驗證系統(tǒng)對皮膚組織成像的可行性。其中，X 方向A-line 設定為1 024，Y 方向設定1 024個掃描位置，掃描范圍8 mm× 8 mm，相鄰幀間隔7.8 μm，掃描頻率100 kHz，采集時間11.66 s。實驗結果如圖4 所示。

圖4 手背皮膚二維結構與三維重建結果

結果顯示，皮膚組織二維結構圖像中表皮邊界清晰，探測深度可達1.5 mm；二維圖像序列經三維重建后可清晰重現掃描位置皮膚表面與皮下組織微細結構，包括皮膚表面紋路與汗毛，通過體數據旋轉與切面可清晰觀察掃描位置不同視角及深度信息。表明本文設計的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)可實現高分辨力二維結構成像與三維重建，具有一定的臨床應用潛力。

2.2 皮膚微血管血流成像

血流作為靜態(tài)皮膚組織中的動態(tài)信息，狀態(tài)隨時間變化而變化[12]。為提取運動微血流信號，本文在同一位置采集8 幀圖像，通過去除相鄰圖像保持不變的靜態(tài)組織信號來提取動態(tài)血流信息。采集位置選擇手部內側，該位置皮膚較薄且存在豐富的毛細血管網絡，采集時保持手部穩(wěn)定以減少運動影響，X方向A-line 設定為256，Y 方向設定256 個采集位置，相鄰位置間隔15.6 μm，每個位置采集8 幀圖像，掃描范圍4 mm×4 mm，掃描頻率100 kHz，采集時間6.06 s。原始數據與處理過程如圖5 所示。

圖5 皮膚血流提取過程圖

實驗結果顯示，二維結構圖像[如圖5（b）所示]中清晰可見3 層皮下組織，皮下血管信息豐富；去相關圖像[如圖5（c）所示]中表層靜態(tài)皮膚組織得到顯著抑制，動態(tài)血流信號得以保留（紅色箭頭所示）；去相關標準差圖像[如圖5（d）所示]中靜態(tài)組織信號被抑制，血流信號得到進一步增強。

對標準差圖像進行三維重建后提取en-face 微血流結果，如圖6 所示，圖中可見微血流網絡清晰，細節(jié)完整，背景噪聲低。

利用散斑方差OCT 算法[13]處理同組數據，以評估去相關標準差血流提取算法的有效性。散斑方差OCT 算法血流圖如圖7 所示，與圖6 對比可知，去相關標準差算法血流圖在較好地保留細微血管網絡細節(jié)的基礎上，有效抑制了背景噪聲與呼吸、心跳等運動造成的紋理噪聲，提高了信噪比。表明本文設計的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)通過去相關標準差血流提取算法可實現微血流信息的提取與成像，為OCT 在臨床微循環(huán)觀察與診斷上提供了實驗基礎。

圖6 去相關標準差算法血流圖

圖7 散斑方差OCT 算法血流圖

3 討論

近年來，皮膚病與外周動脈疾病的發(fā)病率逐年上升，而現有的皮膚影像學檢測手段如皮膚鏡、皮膚超聲等均存在分辨力低、無法獲得微血流圖像等局限性。本文設計并搭建的基于掃頻激光光源的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)克服了以上技術的局限性，具有二維結構高分辨力成像與微血流成像的技術能力。

目前國內常見的OCT 成像系統(tǒng)多為時域OCT或光譜域OCT，臨床上多應用于眼科相關檢測與成像[14]。關于掃頻激光光源OCT 成像系統(tǒng)的研究也多集中于皮膚組織結構成像系統(tǒng)的搭建與改進，如史偉松等[15]設計并搭建了一套掃頻激光光源OCT 成像系統(tǒng)對人體皮膚進行在體成像，重點對手持式探頭進行創(chuàng)新性設計以實現各個人體部位的皮膚組織結構在體成像。本文設計并搭建了基于1 310 nm 掃頻激光光源的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)，在高散射皮膚成像上有效探測深度可達1.5 mm，掃頻頻率100 kHz，成像速度較傳統(tǒng)時域OCT 和光譜域OCT 有顯著提升[16-17]，可對掃描部位進行三維重建，觀察其不同深度與角度的細微結構，并將去相關標準差血流提取算法應用于皮膚微血管血流提取上。經實驗驗證，該算法可利用OCT 圖像獲得高分辨力微血流圖像，對皮膚病與外周動脈疾病的早期診斷具有積極的臨床意義。

但本文的研究也存在一定局限性，如針對高散射皮膚組織探測深度較淺，無法對深層病變組織成像。今后的研究中，在保證分辨力的前提下，可通過改進光學成像系統(tǒng)或尋求與其他技術融合的功能性OCT 來提高OCT 的探測深度，如光聲OCT 成像[18]等。同時，由于呼吸、心跳造成的不自主運動，在圖像中會表現為圖像模糊，且使得靜態(tài)組織因運動而在血流信號提取過程中被保留，產生虛假血流信號。未來需進一步完善圖像處理過程，增加運動偽差校正與圖像配準處理過程，減小被測組織運動對圖像質量的影響。

4 結語

本文設計并搭建了基于1 310 nm 掃頻激光光源的皮膚血流OCT 成像系統(tǒng)，可對皮膚組織結構進行高分辨力成像和三維重建，且可通過去相關標準差算法處理實現皮下微血流成像，為淺表皮膚病與外周動脈疾病的臨床早期無創(chuàng)診斷奠定了實驗基礎。