高分辨率激光散斑血流成像技術(shù)及其應(yīng)用.pdf

1、激光散斑襯比成像技術(shù)是通過分析運(yùn)動(dòng)顆粒對(duì)相干激光的散射特性來獲得顆粒運(yùn)動(dòng)速度的技術(shù)，可以提供二維血流分布圖像。它的出現(xiàn)，正逐步取代傳統(tǒng)激光多普勒技術(shù)，成為研究生物組織（比如腦皮層）血流功能響應(yīng)與病理機(jī)理的重要研究工具。激光散斑襯比成像技術(shù)使用CCD或CMOS攝像機(jī)對(duì)激光照射區(qū)域進(jìn)行連續(xù)拍照;并通過激光散斑襯比分析對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到襯比圖像，該圖像可以反映成像區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)顆粒的速度信息。根據(jù)速度分布與襯比度值關(guān)系的理論模型，散射顆粒

2、（如血細(xì)胞）的運(yùn)動(dòng)速度可由襯比度數(shù)據(jù)計(jì)算得到。
　　傳統(tǒng)的激光散斑襯比成像技術(shù)雖然能夠獲得較高分辨率的襯比圖像，但仍然存在各種問題，例如:成像系統(tǒng)噪聲和背景光影響使得襯比數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍過小，不利于數(shù)據(jù)的可視化及進(jìn)一步的速度分析和比較;照射光強(qiáng)不均勻分布和成像區(qū)域曲面效應(yīng)使得襯比圖像中存在不均勻性影響;在體實(shí)驗(yàn)中動(dòng)物自身呼吸心跳影響使得襯比圖像的分辨率下降;成像區(qū)域血流的時(shí)空分布不均勻使得傳統(tǒng)的空間和時(shí)間襯比分析方法存在較大的估計(jì)誤差

3、，從而影響了襯比度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這些問題使得傳統(tǒng)激光散斑襯比成像技術(shù)很難對(duì)感興趣區(qū)的血流進(jìn)行精確、高時(shí)空分辨率的成像。在應(yīng)用中，傳統(tǒng)的成像設(shè)備體積大，各個(gè)部件組裝繁瑣，不能夠方便的嵌入到不同的應(yīng)用場(chǎng)合，有一定局限性。此外，傳統(tǒng)成像設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)小動(dòng)物清醒狀態(tài)及自由活動(dòng)狀態(tài)的激光散斑襯比成像。
　　本論文針對(duì)傳統(tǒng)激光散斑襯比成像技術(shù)中存在的各種問題，在方法上分別提出了基于單調(diào)點(diǎn)變換的襯比數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)，基于模型的不均勻性影響校正，基

4、于配準(zhǔn)的空間分辨率增強(qiáng)，以及隨機(jī)過程估計(jì)子等一系列技術(shù)，可以得到高信噪比、高時(shí)空分辨率的激光散斑襯比圖像，并應(yīng)用成像新方法研究了裸鼠耳廓損傷修復(fù)中的血管再生。在硬件設(shè)計(jì)上，結(jié)合這些高分辨率成像技術(shù)，搭建了新的便攜式成像系統(tǒng)，并將新成像系統(tǒng)應(yīng)用于小鼠腦缺血和再灌注過程中腦皮層血流的變化;此外，設(shè)計(jì)出高度為3.1厘米、重量?jī)H為20克的微型激光散斑襯比成像頭，并從多角度測(cè)試了其性能及成像穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了大鼠自由活動(dòng)狀態(tài)的血流成像。本論文的主要研

5、究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果如下:
　?。ㄒ唬┽槍?duì)傳統(tǒng)激光散斑襯比成像技術(shù)存在的襯比度值及數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍太小的問題，提出了基于單調(diào)點(diǎn)變換的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，該方法能夠在保持?jǐn)?shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍的增強(qiáng)。通過嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明，我們得到了數(shù)據(jù)增強(qiáng)前后襯比度值與血流速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法能夠完成襯比數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)的自動(dòng)可視化，并能夠提高圖像自動(dòng)分割的質(zhì)量。使用該方法，我們研究了大鼠腦皮層血流在亞低溫及恢復(fù)體溫狀態(tài)下的組織區(qū)域微循環(huán)血流的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)

6、果表明亞低溫狀態(tài)與正常體溫的襯比度值之比平均為189％，而恢復(fù)體溫狀態(tài)與正常體溫的襯比度值之比平均為151％。使用配對(duì)t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)亞低溫和恢復(fù)體溫狀態(tài)下相對(duì)襯比度值的下降是顯著的，但新方法比傳統(tǒng)方法顯示了更高的統(tǒng)計(jì)顯著性:eLASCA(p=0.009)與LASCA(p=0.013)。
　?。ǘ┽槍?duì)傳統(tǒng)激光散斑襯比成像中激光光強(qiáng)的不均勻分布和成像區(qū)域的曲面效應(yīng)，提出了基于模型的不均勻性影響校正方法。我們首先建立了不均勻性影響的數(shù)學(xué)

7、模型，并提出了利用非線性擬合技術(shù)估計(jì)模型參數(shù)的方法，最后利用估計(jì)出的數(shù)學(xué)模型對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行重建校正。基于該方法，我們使用632nm激光作為照射光源，同時(shí)獲得了大鼠腦皮層相對(duì)血流速度和相對(duì)去氧血紅蛋白濃度的重建圖像，并使用模糊準(zhǔn)則判別方法實(shí)現(xiàn)腦皮層動(dòng)靜脈的識(shí)別。
　?。ㄈ┽槍?duì)傳統(tǒng)激光散斑襯比成像中實(shí)驗(yàn)動(dòng)物自身呼吸和心跳帶來的空間分辨率降低問題，提出了基于配準(zhǔn)的激光散斑襯比成像方法。首先利用卷積核、歸一化的相關(guān)度量和三次B樣條插值將

8、原始散斑圖像精確配準(zhǔn)，之后再進(jìn)行傳統(tǒng)的時(shí)間襯比分析，從而去除抖動(dòng)的影響，進(jìn)一步提高襯比圖像的分辨率。我們將該技術(shù)應(yīng)用于研究腦腫瘤引發(fā)大鼠腦皮層血管增生，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示腫瘤細(xì)胞注入10天后，大鼠腦皮層出現(xiàn)了明顯的血管新生，而部分新生的小血管只有通過基于配準(zhǔn)的新方法才能觀察到。
　?。ㄋ模┽槍?duì)傳統(tǒng)激光散斑襯比成像中存在統(tǒng)計(jì)計(jì)算誤差以及速度時(shí)空分布不均等問題，使用隨機(jī)過程理論對(duì)激光散斑襯比成像中襯比度的來源進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并建立了傳統(tǒng)空

9、間和時(shí)間襯比分析方法中的噪聲模型。基于對(duì)其噪聲特性的研究，發(fā)現(xiàn)了該噪聲的高斯特性，進(jìn)而提出了隨機(jī)過程估計(jì)子的方法來獲得高信噪比、高時(shí)空分辨率的襯比圖像。使用隨機(jī)過程估計(jì)子方法研究了電刺激誘發(fā)大鼠腦皮層體感區(qū)血流的功能性響應(yīng)。在單次刺激實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)過程估計(jì)子方法的平均誤差0.31±0.03（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）遠(yuǎn)小于時(shí)間襯比分析方法的1.36±0.09。在疊加平均了10組刺激的襯比度數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)體感區(qū)血流的功能性響應(yīng)與該區(qū)域的小血管存在對(duì)應(yīng)關(guān)系

10、，此外，還發(fā)現(xiàn)響應(yīng)區(qū)域中某些小血管在刺激過程中并未出現(xiàn)血流增強(qiáng)現(xiàn)象。
　?。ㄎ澹⒏鞣N新方法綜合在一起，形成高信噪比、高時(shí)空分辨率的激光散斑襯比成像新方法，并開發(fā)了集成的成像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件，研究了裸鼠耳廓損傷修復(fù)過程中耳廓血管血流的變化情況。在對(duì)裸鼠耳廓損傷修復(fù)的研究中，通過對(duì)7只裸鼠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，與耳廓損傷后的當(dāng)天（襯比度值0.8481±0.0888）相比，缺血區(qū)域在第三天只是部分恢復(fù)了血供（襯比度值0.5516±

11、0.0860，單邊配對(duì)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)差異顯著，p=0.00054＜0.01）。在第6天之后缺血區(qū)域的血供出現(xiàn)明顯的恢復(fù)（襯比度值0.1263±0.0839，與損傷當(dāng)天進(jìn)行單邊配對(duì)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)差異顯著，p=0.00005＜0.01）。在損傷后第12天，缺血區(qū)域的血供（襯比度值0.2992±0.0093）比損傷后第6天的有所下降（與損傷后第6天進(jìn)行單邊配對(duì)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)差異顯著，p=0.0041＜0.01），表明此時(shí)缺血區(qū)域的血供恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)。之后

12、構(gòu)建了一套便攜式成像系統(tǒng)，可方便的嵌入到各種研究環(huán)境中。利用便攜式成像系統(tǒng)研究了小鼠大腦中動(dòng)脈栓塞及再灌注中腦皮層血流的分布狀況。在基于小鼠大腦中動(dòng)脈栓塞模型的研究中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺血和再灌注過程腦皮層血流的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不同區(qū)域的腦皮層血流在缺血和再灌注過程中的響應(yīng)是不同的，而缺血核心區(qū)與半影區(qū)的形成過程也是動(dòng)態(tài)的。
　?。┽槍?duì)傳統(tǒng)激光散斑襯比成像裝置無法實(shí)現(xiàn)小動(dòng)物清醒狀態(tài)以及自由活動(dòng)狀態(tài)腦皮層血流成像，設(shè)計(jì)出高度為

13、3.1厘米、重量?jī)H為20克的微型激光散斑襯比成像裝置:使用多模光纖束將激光引導(dǎo)至成像頭處，在該處保持光纖束與成像區(qū)域成45度角;使用特殊設(shè)計(jì)的高分辨率小型微距鏡頭將散斑圖像成像在CMOS攝像芯片上;整個(gè)成像頭可通過底座方便的安裝到大鼠頭部，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由活動(dòng)大鼠腦皮層血流的高分辨率成像和穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。
　　本論文在激光散斑襯比成像的方法上提出了襯比數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)方法、不均勻性影響校正方法、基于配準(zhǔn)的高分辨率方法和隨機(jī)過程估計(jì)子方法。這些