激光散斑成像儀測量結(jié)果的影響因素

陳路苗，張賜楓，王小平

暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院疼痛科，廣東廣州510630

激光散斑襯比成像（LSCI）是一種新型的血流成像技術(shù)，具有全視場、非接觸、高時(shí)空分辨率等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。LSCI通過探測激光散斑的強(qiáng)度變化波來計(jì)算探測物體的納米級(jí)別的運(yùn)動(dòng)［3］，該技術(shù)使微循環(huán)功能評(píng)估變得可行，已被應(yīng)用于臨床：雷諾征患者的指端微循環(huán)評(píng)估［4-5］、燒傷患者創(chuàng)傷部位預(yù)后評(píng)估［6］、術(shù)中微循環(huán)及器官血流灌注監(jiān)測［7-8］，麻醉效果的客觀評(píng)估［9］等。LSCI技術(shù)具有實(shí)時(shí)顯示大區(qū)域血流灌注的能力，可以用于疼痛科對頭面部帶狀皰疹患者的病程監(jiān)測，但儀器的使用條件如曝光時(shí)間、光線條件、距離和角度等因素對結(jié)果的影響很大，其影響程度未知。國外研究分別報(bào)道了光線條件、探頭與被測物的距離和探頭激光束與被測物體夾角對散斑成像結(jié)果的影響［6］，但不同的研發(fā)團(tuán)隊(duì)有不同的散斑成像數(shù)據(jù)處理算法、激光發(fā)射器和采集相機(jī)硬件配置，這些研究的結(jié)論與本研究所觀察到的結(jié)果并不一致。值得一提的是，本研究觀察到被測物的表面顏色也對結(jié)果有影響，這也是以往研究未曾報(bào)道過的。為了獲得武漢迅微光電子技術(shù)有限公司的激光散斑成像儀（Laser Speckle Blood Flow ImagerⅡ）的穩(wěn)定可靠的血流灌注結(jié)果值，以便更好的應(yīng)用于臨床，我們需要在研究中模擬實(shí)際使用條件與參數(shù)，以找出影響所使用激光散斑成像儀器結(jié)果值的因素，總結(jié)獲得可靠結(jié)果輸出值的策略?，F(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

于暨南大學(xué)第一附屬醫(yī)院疼痛門診部對武漢迅微光電子技術(shù)有限公司的商用儀器（Laser Speckle Blood Flow Imager Ⅱ）進(jìn)行測試。該機(jī)器由一個(gè)激光散斑成像頭、一個(gè)可在特定范圍內(nèi)水平和垂直方向移動(dòng)的連接臂和一個(gè)裝有分析計(jì)算機(jī)的輪式工作臺(tái)組成（圖1）。激光散斑成像頭配備了一個(gè)785 nm波長的激光束發(fā)射器和一個(gè)12位電荷耦合器件攝像頭，它以101幀/s的速度捕捉原始散斑圖像。分析計(jì)算機(jī)使用其自主研發(fā)的計(jì)算軟件，可以計(jì)算感興趣區(qū)的平均血流灌注值，被測物體的結(jié)果值在本研究中被描述為偽血流灌注值（PBFV）。

圖1 激光散斑成像儀外觀Fig.1 Appearance of laser speckle blood flow imager Ⅱ.

1.2 數(shù)據(jù)采集

采用一個(gè)仿皮的硅膠模型來模擬使用條件。在每種模擬條件下，我們收集3張散斑圖像；在每個(gè)圖像中，我們選擇同顏色的3個(gè)區(qū)域，以獲得該顏色區(qū)域的平均PBFV（圖2A～B）。

1.2.1 不同曝光時(shí)間的結(jié)果采集 用膚色、綠、黃、藍(lán)、紅、黑6種顏色，在門診室無光線環(huán)境，激光探頭與被測物的距離為25 cm，探頭激光束與被測物的夾角為90°的情況下，對曝光條件進(jìn)行了測試。當(dāng)曝光時(shí)間設(shè)置太長時(shí)，淺色部分會(huì)發(fā)生過度曝光現(xiàn)象而產(chǎn)生明顯誤差，故選取了1～15 ms作為曝光時(shí)間范圍進(jìn)行測試。

1.2.2 不同光線條件的結(jié)果采集 在激光探頭與被測物的距離為25 cm，探頭激光束與被測物的夾角為90°時(shí)，使用2種顏色和2種曝光時(shí)間對光線條件進(jìn)行了測試。光線條件分別為：遮光，午后窗簾關(guān)閉的門診室；燈光，夜間開白色燈光的門診室；無額外光，夜間無額外照明的門診室。

1.2.3 不同激光探頭與被測物距離的結(jié)果采集 在無額外光照，探頭激光束與被測物的夾角為90°的情況下，使用2種顏色和2種曝光時(shí)間對激光探頭與被測物的距離條件進(jìn)行了試驗(yàn)。儀器設(shè)備說明書建議激光探頭距被測物12 cm以上，故選取測試的距離為：15、20、25、30、35、40、45、50 cm。

1.2.4 不同激光探頭與被測物角度的結(jié)果采集 在無額外光照、激光頭與物體的距離為25 cm時(shí)，使用2種顏色和2種曝光時(shí)間對激光探頭與被測物的所呈角度條件進(jìn)行了測試，測試的6個(gè)探頭激光束和被測物夾角為：90°、85°、80°、75°、70°、65°。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS Statistic 23.0統(tǒng)計(jì)軟件包對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，正態(tài)分布數(shù)據(jù)資料行方差分析，非正態(tài)分布資料行Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 曝光時(shí)間

在所有6個(gè)顏色的被測區(qū)域，PBFV隨著曝光時(shí)間的增加而呈減少。減少的幅度也隨著曝光時(shí)間增大而減小：當(dāng)曝光時(shí)間小于5 ms時(shí)，PBFV下降幅度較大；曝光時(shí)間大于5 ms后，PBFV下降的幅度逐漸減緩。

黑色區(qū)域與其他顏色區(qū)域的PBFV變化規(guī)律基本一致，但和其余5種顏色區(qū)域相比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義：在曝光時(shí)間少于3 ms時(shí)，黑色區(qū)域的PBFV低于其他顏色區(qū)域的PBFV；在曝光時(shí)間為3 ms時(shí)，黑色區(qū)域的PBFV與其他顏色區(qū)域的PBFV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；當(dāng)曝光時(shí)間大于3 ms時(shí)，黑色區(qū)域的PBFV高于其他顏色區(qū)域的PBFV（P<0.05，圖2C，表1）。

圖2 被測物彩色圖和散斑偽彩圖以及不同曝光時(shí)間下的PBFVFig.2 The color image,speckle pseudo color image and PBFV values under different exposure time

表1 不同顏色區(qū)域及曝光時(shí)間下的偽血流灌注值Tab.1 The PBFV of different color areas and exposure times(Mean±SD)

2.2 光線條件

紅色區(qū)域在曝光時(shí)間為5 ms和10 ms時(shí)，在遮光、燈光及無額外光等3種光線條件下的PBFV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖3A、C）。黑色區(qū)域在曝光時(shí)間為5 ms時(shí)，3種光線條件下的PBFV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖3B）；在曝光時(shí)間為10 ms 時(shí)，遮光光線條件下的PBFV高于燈光和無額外光光線條件下的PBFV，燈光和無額外光光線條件下的PBFV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖3D）。

圖3 不同光線條件下的PBFVFig.3 The PBFV of different light conditions

2.3 探頭距被測物距離

紅色區(qū)域在曝光時(shí)間為5 ms時(shí)，在20～40 cm范圍內(nèi)的PBFV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖4A）；在曝光時(shí)間為10 ms時(shí)，激光探頭與被測物的距離在15 cm的PBFV明顯高于其他距離的PBFV，激光探頭與被測物的距離為20～45 cm 范圍內(nèi)PBFV 差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖4C）。黑色區(qū)域在曝光時(shí)間為5 ms和10 ms時(shí)的PBFV結(jié)果一致，激光探頭與被測物的距離均在20～35 cm范圍內(nèi)的PBFV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖4B、D）。

圖4 不同探頭距被測物體距離下的PBFVFig.4 The PBFV of different distances of the device and object

2.4 探頭與被測物所呈角度

紅色區(qū)域在曝光時(shí)間為5 ms時(shí)，6個(gè)探頭激光束與被測物體夾角下的PBFV 差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖5A）；在曝光時(shí)間為10 ms時(shí)，探頭激光束與被測物體夾角在80°～90°和65°～85°兩個(gè)范圍內(nèi)的PBFV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖5C）。

黑色區(qū)域在曝光時(shí)間為5 ms時(shí)，角度在80°～90°及65°～75°范圍內(nèi)的PBFV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖5B）；在曝光時(shí)間為10 ms時(shí)，角度在85°～90°及65°～80°范圍內(nèi)的PBFV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05，圖5D）。

圖5 不同探頭距被測物體角度下的PBFVFig.5 The PBFV of different angles of the device and object

3 討論

微循環(huán)功能變化涉及各種人體生理病理癥狀的發(fā)展過程，如何準(zhǔn)確并有效地評(píng)估微循環(huán)功能變化是許多疾病治療過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)［10-13］。激光散斑成像分析具有無接觸、廣域、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測被測部位的血流灌注變化的特點(diǎn)，該技術(shù)在客觀評(píng)價(jià)皮膚創(chuàng)面和手術(shù)區(qū)域血流灌注變化的應(yīng)用前景廣泛［5,14-15］。

本研究在激光散斑成像分析（Laser Speckle Blood Flow Imager Ⅱ）應(yīng)用于急性期頭面部帶狀皰疹患者前，利用硅膠仿皮膚模型進(jìn)行測試，找出了影響散斑成像測量結(jié)果的可能因素。結(jié)果顯示，被測物的表面顏色、曝光時(shí)間、探頭與被測物距離、及探頭激光束與被測物體夾角對輸出結(jié)果值均有影響。各因素影響的程度與以往的文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果不完全一致。曝光時(shí)間在1～5 ms范圍內(nèi)時(shí)，散斑成像結(jié)果值的降低幅度很大；而5～10 ms范圍內(nèi)時(shí)，結(jié)果值的變化幅度逐漸降低；曝光時(shí)間控制在5～10 ms范圍內(nèi)時(shí)，曝光時(shí)間對散斑結(jié)果值的影響較小，這和研發(fā)團(tuán)隊(duì)的結(jié)論一致的［16］。

當(dāng)被測物表面為黑色時(shí)，在不同的曝光時(shí)間下的測量結(jié)果和其他顏色的測量結(jié)果不完全相同：當(dāng)曝光時(shí)間小于3 ms時(shí)，黑色區(qū)域的結(jié)果值高于其他顏色；當(dāng)曝光時(shí)間大于3 ms時(shí)，黑色區(qū)域的結(jié)果值小于其他顏色，結(jié)果均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這種現(xiàn)象是既往文獻(xiàn)中沒有報(bào)道過的，這提示不同患者的皮膚血流灌注值或許不應(yīng)直接進(jìn)行比較，因每個(gè)人的膚色并不一致，在皮膚創(chuàng)面恢復(fù)過程中的創(chuàng)面顏色也會(huì)有深淺變化。根據(jù)此結(jié)果，由于被測者膚色及創(chuàng)面顏色差異，適合的觀測策略是比較不同患者的治療前后血流灌注值的變化，以觀察變化幅度是否有差異。

既往有研究描述了探頭與被測物距離對輸出結(jié)果的影響，該兩項(xiàng)研究使用瑞典生產(chǎn)的散斑成像分析儀（Pericam PSI System,Perimed AB,J?rf?lla,Sweden）進(jìn)行監(jiān)測，其中一項(xiàng)研究的結(jié)論是在探頭與被測物距離為15～36 cm時(shí)，輸出結(jié)果值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；而另一項(xiàng)研究在10～30 cm的距離范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果值差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義［6,17］。這與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是一致的，考慮到被測區(qū)域的顏色差異，在一定的距離范圍內(nèi)（20～35 cm），無論曝光時(shí)間是5 ms還是10 ms，結(jié)果值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但具體的距離范圍可能因散斑成像系統(tǒng)的不同而有差異。

除此之外，有研究也描述了光照條件，及探頭激光束與被測物體夾角對輸出結(jié)果值的影響，其結(jié)論是在遮光、燈光、及無光的光線條件下，在90°～45°的探頭激光入射角度范圍內(nèi)的輸出結(jié)果值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義［6］。該研究的光線條件的結(jié)果和本研究的結(jié)果相似，除了曝光時(shí)間為10 ms時(shí)的黑色被測區(qū)域，遮光條件下所測的結(jié)果值與燈光、及無光的光線條件下的結(jié)果值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，余條件下的光線條件均不影響輸出結(jié)果值。但在我們的研究結(jié)果中，探頭激光束與被測物體夾角范圍在90°～85°內(nèi)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，考慮到研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用了不同的數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化算法，光線和激光入射角度的影響或許也因此不一致。

本研究存在一定的局限性，實(shí)驗(yàn)的被測物是靜態(tài)散射物質(zhì)，影響激光散斑成像儀的因素或和動(dòng)態(tài)散射物質(zhì)的影響因素是否一致需要我們進(jìn)一步探索。本研究的結(jié)論或也僅適用于使用了同樣硬件和軟件的儀器，在使用其他研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的激光散斑成像儀時(shí)需要重新評(píng)估影響結(jié)果的因素。

綜上，本研究結(jié)果提示：曝光時(shí)間、光線條件、探頭與被測者距離、探頭激光束與被測者夾角在不同程度上影響了使用時(shí)的測量結(jié)果，但在控制好這些影響因素后的結(jié)果值是可信任和可重復(fù)的。激光散斑成像分析仍具有其獨(dú)特優(yōu)勢：操作簡單，能實(shí)時(shí)監(jiān)測血流灌注的動(dòng)態(tài)變化，具有高敏感度和準(zhǔn)確度。