一種用于研究激光散斑血流成像方法的測試系統

宋磊磊　孔平　于小強　等

摘要： 激光散斑血流成像（laser speckle flowgraphy，LSFG）技術也稱激光散斑襯比分析（laser speckle contrast analysis，LSCA）技術，該技術采用一種無需掃描的全場光學成像方法，可對血流變化進行定量分析。激光散斑襯比分析方法可分為空間襯比、時間襯比及時空聯合襯比三種分析方法，但已有研究中缺乏對三種不同襯比分析方法的應用范圍及處理結果準確性等因素的綜合分析。通過采用含有TiO2懸浮顆粒的液體流經軟管模擬生物體血液流動變化的實驗，介紹了激光散斑成像技術原理，并對空間、時間及時空聯合襯比分析方法進行了對比分析，實現對不同速度之間各種襯比運算結果的比較。實驗結果表明，時空聯合襯比分析方法相比于單純的空間襯比或單純的時間襯比測試范圍廣，在保證較高的時間分辨率和空間分辨率的同時，減少了數據處理的運算量，提高了散斑襯比的準確性。

關鍵詞： 激光散斑； 血流成像； 時空聯合； 襯比分析

中圖分類號： O 436文獻標志碼： 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

引言如何進行血流監測一直是生物醫學領域研究的熱點，研究一種能對區域性血流速度進行實時監測的技術是這個領域的發展趨勢。現有的血流監測手段，如功能核磁共振成像和正電子發射斷層成像，受限于較低的時間分辨率（秒量級）和空間分辨率（毫米量級），并且設備價格昂貴。X射線血管造影和熒光血管造影技術均需向被測者體內注射造影劑，不利于其推廣。目前應用相對廣泛的激光多普勒血流測量技術屬單點測量，若要進一步實現二維血流成像則需要結合機械掃描裝置，這會降低時間分辨率和空間分辨率[1]。相比傳統的血流監測技術，激光散斑血流成像技術能夠實現對區域性血流速度分布信息進行實時監測，并且具有較高的時間分辨率（幾十毫秒）和空間分辨率（數微米）的特點，近年來日益受到人們的重視[2]。光學儀器第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試系統

1激光散斑血流成像技術基本原理激光散斑血流成像（laser speckle flowgraphy，LSFG）技術也稱激光散斑襯比分析（laser speckle contrast analysis，LSCA）技術，該技術的原理是利用血管中紅細胞運動產生的后向動態散斑對比度值來獲取血流速度信息。通過散斑成像的方式就可獲得全場的二維血流分布圖像，可進行長時間連續的血流監測，真正實現了實時高分辨率血流成像。在1960年早期，伴隨激光器的發明和使用，人們發現，當激光照射在粗糙物體表面時，在接收面會觀察到光強隨機分布的高對比度顆粒狀圖像，這種現象被稱為“散斑”。散射粒子的運動會引起散斑圖案的模糊，并且隨著散射粒子運動速率的增大，模糊程度越顯著。為描述散斑圖像的統計特性和模糊程度，Goodman利用散斑強度的一階統計特性引入“襯比”[4]的概念，其定義為散斑圖像灰度變化的標準偏差與其均值之比K=σII—（1）式中：K為散斑襯比；σI為散斑圖像灰度變化的標準偏差；I—為其灰度均值。根據Fercher等的工作，散斑襯比與散射粒子運動速率之間的關系[5]為K=e-2x-1+2x2x2（2）式中x為散射粒子運動速率，x=T/τc，其中T為CCD相機的曝光時間，τc為電場去相關時間。τc反映了電場強度波動的快慢，而散射粒子的運動速度決定了電場的波動。綜上可知，通過計算散斑圖像的襯比可以得到散射粒子的運動信息。激光散斑血流成像技術是利用激光散斑圖像提取被觀測物體的二維流速分布信息。在數據分析過程中，現有散斑圖像的襯比計算方法主要有空間襯比分析（laser speckle spatial contrast analysis，LSSCA）方法、時間襯比分析（laser speckle temporal contrast analysis，LSTCA）方法以及在此基礎上衍生出的時空聯合襯比分析（laser speckle spatialtemporal contrast analysis，LSSTCA）方法。如圖1（a）所示，LSSCA方法是通過計算Ns×Ns（其中Ns為空間滑動窗口的像素數）大小的空間滑動窗內的像素襯比，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接收面長寬方向上的像素數。如圖1（b）所示，LSTCA方法是通過連續采集多幀圖像，計算它們相同位置處像素灰度的襯比并將其賦值給相應位置，得到整幅圖像的時間襯比圖。兩種襯比計算方法各有優劣：LSSCA方法對單幀散斑圖像進行計算，保留了原始圖像的時間分辨率，但由于采用Ns×Ns空間滑動窗，因此導致空間分辨率下降；而LSTCA方法未使用空間滑動窗，具有很高的空間分辨率，但由于需要采集多幀圖像，因此導致時間分辨率下降。如圖1（c）所示，LSSTCA方法是利用計算Ns×Ns×Nt（其中Nt為時間滑動窗口的圖像幀數）的時空窗內像素灰度的襯比，繪制整幅圖像的時空襯比圖。由于LSSTCA方法所用的滑動窗維數小于單純空間域上分析的LSSCA方法，時間軸上的幀數小于單純時間域上LSTCA方法，所以具有較好的時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

本實驗針對3種不同分析方法進行了分析對比，采用含有TiO2的懸浮顆粒的液體流經軟管實驗模型模擬生物體血液流動的變化。通過觀察實驗模型中不同流速處的襯比結果之間的關系，驗證激光散斑血流成像3種不同襯比分析方法的應用范圍及處理結果的準確性。雖然Fercher等通過推導建立了散斑襯比與散射粒子運動速率之間的聯系，但是在生物樣品中，我們無法準確判斷血流的速率，因此，我們無法利用生物樣品進行判斷散斑襯比與散射粒子運動速率之間的聯系。本文通過測試含有TiO2懸浮顆粒的溶液在不同速率下流動的實驗來模擬生物血流的變化，驗證散斑襯比與散射粒子運動速率之間的關系[6]。2實驗裝置及方法

2.1實驗裝置典型的激光散斑襯比成像系統如圖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個組成部分。本實驗系統采用含有TiO2懸浮顆粒的液體流經透明軟管搭建的實驗模型，測試裝置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大小、直徑均相同的分支，目的是使流經幾處軟管的顆粒數量相同，保證圖中C1與C2以及C2與C3之間的顆粒速度為倍數關系。通過監測不同區域血流的變化，并重點對圖中選取的成倍速率C1、C2及C3處的襯比值進行分析，以此來驗證不同激光散斑襯比分析方法的準確性。曝光時間固定為10 ms，通過采集不同速度區域內的圖像進行襯比計算，判斷激光散斑襯比計算方法與流速的關系。

圖2系統組成結構圖

Fig.2The system structure diagram

圖3實驗測試裝置3D模型圖

Fig.3Schematic diagram of the experiment equipment2.2實驗原理及數據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處區域，并利用空間、時間以及時空聯合襯比方法計算散斑襯比圖像。Parthasarathy等[7]給出散斑襯比K和τc的方程關系式為K（T，τc）=βρ2e-2x-1+2x2x2+4βρ（1-ρ）e-x-1+xx2+（1-ρ）21/2+Cnoise（3）式中：ρ為經過移動光學散射的激光分量；Cnoise為常數代表噪聲；β為與散斑大小、偏振、光源相干性等系統參數有關的系統因子。在忽略靜態光散射（ρ→1）和噪聲（Cnoise→0）的情況下，式（3）可簡化為K（T，τc）=βe-2x-1+2x2x21/2（4）當CCD曝光時間T固定且Tτc時，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。在文獻[8]中作者提出τc為微秒量級，本實驗中，曝光時間固定采用10 ms，遠大于τc，因此可以滿足式（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實驗結果及分析圖4為不同N值下C1處激光散斑襯比值與實際流速的關系，N為散斑像素大小。本實驗主要針對動態散斑進行襯比分析計算，對實驗數據分析可得，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值進行的激光散斑襯比分析。實驗數據證明，在一定范圍內的N值（0.39～6.25）和流動速度（20 mm·s-1）下，LSFG的相對變化是一致的（見圖5）。不同N值下C1和C2處之間的LSFG方法的比值接近2，這一結果與兩處流速的相對比值是一致的。

圖5固定散斑大小時對應C1與C3處襯比比值與顆粒流動速度

值得注意的是，使用時空聯合襯比分析（圖5（c））比單純的時間襯比分析（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在高速下相對速度比值要小于2，而利用時空聯合襯比分析方法時相對流速一直保持在2左右。同樣在C1與C3處所得結果相同，利用時間襯比分析方法時相對襯比比值仍然保持在一個略低于4的值，而空間襯比方法卻呈線性衰減。這一結果在不同滑動窗大?。? pixel×5 pixel，7 pixel×7 pixel和9 pixel×9 pixel）下觀察時均得到相同的體現。4結論通過觀察TiO2懸濁液的動態散斑實驗，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。使用時空聯合襯比分析方法要比單純的時間襯比分析方法或單純的空間襯比分析方法更準確，可以很好地評估相對血流量的變化，尤其是在較快或較慢的流速條件下。參考文獻：

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（編輯：程愛婕）