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、高時空分辨率等優(yōu)點［1-2］。LSCI通過探測激光散斑的強度變化波來計算探測物體的納米級別的運動［3］，該技術(shù)使微循環(huán)功能評估變得可行，已被應(yīng)用于臨床：雷諾征患者的指端微循環(huán)評估［4-5］、燒傷患者創(chuàng)傷部位預(yù)后評估［6］、術(shù)中微循環(huán)及器官血流灌注監(jiān)測［7-8］，麻醉效果的客觀評估［9］等。LSCI技術(shù)具有實時顯示大區(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)團隊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。現(xiàn)報道如下。

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）進行測試。該機器由一個激光散斑成像頭、一個可在特定范圍內(nèi)水平和垂直方向移動的連接臂和一個裝有分析計算機的輪式工作臺組成（圖1）。激光散斑成像頭配備了一個785 nm波長的激光束發(fā)射器和一個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。分析計算機使用其自主研發(fā)的計算軟件，可以計算感興趣區(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；在每個圖像中，我們選擇同顏色的3個區(qū)域，以獲得該顏色區(qū)域的平均PBFV（圖2A～B）。

1.2.1 不同曝光時間的結(jié)果采集 用膚色、綠、黃、藍、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，對曝光條件進行了測試。當曝光時間設(shè)置太長時，淺色部分會發(fā)生過度曝光現(xiàn)象而產(chǎn)生明顯誤差，故選取了1～15 ms作為曝光時間范圍進行測試。

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，使用2種顏色和2種曝光時間對光線條件進行了測試。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種曝光時間對激光探頭與被測物的距離條件進行了試驗。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，使用2種顏色和2種曝光時間對激光探頭與被測物的所呈角度條件進行了測試，測試的6個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)計軟件包對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理。計量資料以均數(shù)±標準差表示，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。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 曝光時間

在所有6個顏色的被測區(qū)域，PBFV隨著曝光時間的增加而呈減少。減少的幅度也隨著曝光時間增大而減小：當曝光時間小于5 ms時，PBFV下降幅度較大；曝光時間大于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)計學(xué)意義：在曝光時間少于3 ms時，黑色區(qū)域的PBFV低于其他顏色區(qū)域的PBFV；在曝光時間為3 ms時，黑色區(qū)域的PBFV與其他顏色區(qū)域的PBFV差異無統(tǒng)計學(xué)意義；當曝光時間大于3 ms時，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)域在曝光時間為5 ms和10 ms時，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)計學(xué)意義（P>0.05，圖3A、C）。黑色區(qū)域在曝光時間為5 ms時，3種光線條件下的PBFV差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05，圖3B）；在曝光時間為10 ms 時，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)域在曝光時間為5 ms時，在20～40 cm范圍內(nèi)的PBFV差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05，圖4A）；在曝光時間為10 ms時，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)計學(xué)意義（P>0.05，圖4C）。黑色區(qū)域在曝光時間為5 ms和10 ms時的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)域在曝光時間為5 ms時，6個探頭激光束與被測物體夾角下的PBFV 差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05，圖5A）；在曝光時間為10 ms時，探頭激光束與被測物體夾角在80°～90°和65°～85°兩個范圍內(nèi)的PBFV差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05，圖5C）。

黑色區(qū)域在曝光時間為5 ms時，角度在80°～90°及65°～75°范圍內(nèi)的PBFV差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05，圖5B）；在曝光時間為10 ms時，角度在85°～90°及65°～80°范圍內(nèi)的PBFV差異無統(tǒng)計學(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，如何準確并有效地評估微循環(huán)功能變化是許多疾病治療過程中的重點和難點［10-13］。激光散斑成像分析具有無接觸、廣域、實時動態(tài)的監(jiān)測被測部位的血流灌注變化的特點，該技術(shù)在客觀評價皮膚創(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報道的結(jié)果不完全一致。曝光時間在1～5 ms范圍內(nèi)時，散斑成像結(jié)果值的降低幅度很大；而5～10 ms范圍內(nèi)時，結(jié)果值的變化幅度逐漸降低；曝光時間控制在5～10 ms范圍內(nèi)時，曝光時間對散斑結(jié)果值的影響較小，這和研發(fā)團隊的結(jié)論一致的［16］。

當被測物表面為黑色時，在不同的曝光時間下的測量結(jié)果和其他顏色的測量結(jié)果不完全相同：當曝光時間小于3 ms時，黑色區(qū)域的結(jié)果值高于其他顏色；當曝光時間大于3 ms時，黑色區(qū)域的結(jié)果值小于其他顏色，結(jié)果均有統(tǒng)計學(xué)意義。這種現(xiàn)象是既往文獻中沒有報道過的，這提示不同患者的皮膚血流灌注值或許不應(yīng)直接進行比較，因每個人的膚色并不一致，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）進行監(jiān)測，其中一項研究的結(jié)論是在探頭與被測物距離為15～36 cm時，輸出結(jié)果值無統(tǒng)計學(xué)差異；而另一項研究在10～30 cm的距離范圍內(nèi)進行實驗，結(jié)果值差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義［6,17］。這與我們的實驗結(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），無論曝光時間是5 ms還是10 ms，結(jié)果值差異均無統(tǒng)計學(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，除了曝光時間為10 ms時的黑色被測區(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)計學(xué)意義，考慮到研發(fā)團隊使用了不同的數(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，實驗的被測物是靜態(tài)散射物質(zhì)，影響激光散斑成像儀的因素或和動態(tài)散射物質(zhì)的影響因素是否一致需要我們進一步探索。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)團隊開發(fā)的激光散斑成像儀時需要重新評估影響結(jié)果的因素。

綜上，本研究結(jié)果提示：曝光時間、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特優(yōu)勢：操作簡單，能實時監(jiān)測血流灌注的動態(tài)變化，具有高敏感度和準確度。