高分辨率激光散斑血流成像技術及其應用.pdf

1、激光散斑襯比成像技術是通過分析運動顆粒對相干激光的散射特性來獲得顆粒運動速度的技術，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，成為研究生物組織（比如腦皮層）血流功能響應與病理機理的重要研究工具。激光散斑襯比成像技術使用CCD或CMOS攝像機對激光照射區(qū)域進行連續(xù)拍照;并通過激光散斑襯比分析對記錄的數據進行處理，得到襯比圖像，該圖像可以反映成像區(qū)域內運動顆粒的速度信息。根據速度分布與襯比度值關系的理論模型，散射顆粒

2、（如血細胞）的運動速度可由襯比度數據計算得到。
　　傳統(tǒng)的激光散斑襯比成像技術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據動態(tài)范圍過小，不利于數據的可視化及進一步的速度分析和比較;照射光強不均勻分布和成像區(qū)域曲面效應使得襯比圖像中存在不均勻性影響;在體實驗中動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)域血流的時空分布不均勻使得傳統(tǒng)的空間和時間襯比分析方法存在較大的估計誤差

3、，從而影響了襯比度數據的準確性。這些問題使得傳統(tǒng)激光散斑襯比成像技術很難對感興趣區(qū)的血流進行精確、高時空分辨率的成像。在應用中，傳統(tǒng)的成像設備體積大，各個部件組裝繁瑣，不能夠方便的嵌入到不同的應用場合，有一定局限性。此外，傳統(tǒng)成像設備無法實現(xiàn)小動物清醒狀態(tài)及自由活動狀態(tài)的激光散斑襯比成像。
　　本論文針對傳統(tǒng)激光散斑襯比成像技術中存在的各種問題，在方法上分別提出了基于單調點變換的襯比數據動態(tài)范圍增強，基于模型的不均勻性影響校正，基

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

5、究內容和研究結果如下:
　?。ㄒ唬┽槍鹘y(tǒng)激光散斑襯比成像技術存在的襯比度值及數據動態(tài)范圍太小的問題，提出了基于單調點變換的數據增強方法，該方法能夠在保持數據精度的基礎上實現(xiàn)數據動態(tài)范圍的增強。通過嚴格數學證明，我們得到了數據增強前后襯比度值與血流速度的對應關系。該方法能夠完成襯比數據和速度數據的自動可視化，并能夠提高圖像自動分割的質量。使用該方法，我們研究了大鼠腦皮層血流在亞低溫及恢復體溫狀態(tài)下的組織區(qū)域微循環(huán)血流的變化，實驗結

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t檢驗，發(fā)現(xiàn)亞低溫和恢復體溫狀態(tài)下相對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)計顯著性:eLASCA(p=0.009)與LASCA(p=0.013)。
　　（二）針對傳統(tǒng)激光散斑襯比成像中激光光強的不均勻分布和成像區(qū)域的曲面效應，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學

7、模型，并提出了利用非線性擬合技術估計模型參數的方法，最后利用估計出的數學模型對成像結果進行重建校正?；谠摲椒ǎ覀兪褂?32nm激光作為照射光源，同時獲得了大鼠腦皮層相對血流速度和相對去氧血紅蛋白濃度的重建圖像，并使用模糊準則判別方法實現(xiàn)腦皮層動靜脈的識別。
　　（三）針對傳統(tǒng)激光散斑襯比成像中實驗動物自身呼吸和心跳帶來的空間分辨率降低問題，提出了基于配準的激光散斑襯比成像方法。首先利用卷積核、歸一化的相關度量和三次B樣條插值將

8、原始散斑圖像精確配準，之后再進行傳統(tǒng)的時間襯比分析，從而去除抖動的影響，進一步提高襯比圖像的分辨率。我們將該技術應用于研究腦腫瘤引發(fā)大鼠腦皮層血管增生，實驗結果顯示腫瘤細胞注入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的新方法才能觀察到。
　?。ㄋ模┽槍鹘y(tǒng)激光散斑襯比成像中存在統(tǒng)計計算誤差以及速度時空分布不均等問題，使用隨機過程理論對激光散斑襯比成像中襯比度的來源進行了詳細地分析，并建立了傳統(tǒng)空

9、間和時間襯比分析方法中的噪聲模型?；趯ζ湓肼曁匦缘难芯?，發(fā)現(xiàn)了該噪聲的高斯特性，進而提出了隨機過程估計子的方法來獲得高信噪比、高時空分辨率的襯比圖像。使用隨機過程估計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。在單次刺激實驗中，隨機過程估計子方法的平均誤差0.31±0.03（均值±標準差）遠小于時間襯比分析方法的1.36±0.09。在疊加平均了10組刺激的襯比度數據后，發(fā)現(xiàn)體感區(qū)血流的功能性響應與該區(qū)域的小血管存在對應關系

10、，此外，還發(fā)現(xiàn)響應區(qū)域中某些小血管在刺激過程中并未出現(xiàn)血流增強現(xiàn)象。
　?。ㄎ澹⒏鞣N新方法綜合在一起，形成高信噪比、高時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)和數據處理軟件，研究了裸鼠耳廓損傷修復過程中耳廓血管血流的變化情況。在對裸鼠耳廓損傷修復的研究中，通過對7只裸鼠實驗數據的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，與耳廓損傷后的當天（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了血供（襯比度值0.5516±

11、0.0860，單邊配對t檢驗統(tǒng)計差異顯著，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（襯比度值0.1263±0.0839，與損傷當天進行單邊配對t檢驗統(tǒng)計差異顯著，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天進行單邊配對t檢驗統(tǒng)計差異顯著，p=0.0041＜0.01），表明此時缺血區(qū)域的血供恢復到平穩(wěn)狀態(tài)。之后

12、構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脈栓塞模型的研究中，實現(xiàn)了對缺血和再灌注過程腦皮層血流的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測。實驗結果顯示不同區(qū)域的腦皮層血流在缺血和再灌注過程中的響應是不同的，而缺血核心區(qū)與半影區(qū)的形成過程也是動態(tài)的。
　　（六）針對傳統(tǒng)激光散斑襯比成像裝置無法實現(xiàn)小動物清醒狀態(tài)以及自由活動狀態(tài)腦皮層血流成像，設計出高度為

13、3.1厘米、重量僅為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;使用特殊設計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;整個成像頭可通過底座方便的安裝到大鼠頭部，實現(xiàn)對自由活動大鼠腦皮層血流的高分辨率成像和穩(wěn)定監(jiān)測。
　　本論文在激光散斑襯比成像的方法上提出了襯比數據動態(tài)范圍增強方法、不均勻性影響校正方法、基于配準的高分辨率方法和隨機過程估計子方法。這些