基于3D打印技術的血流成像光纖探頭設計

馮士杰，桂志國，張曉娟，劉彩彩，尚禹

中北大學 生物醫學成像與影像大數據山西省重點實驗室，山西 太原 030051

引言

人體組織血流作為臨床疾病診斷的一個重要生理參數，對其進行準確測量具有重要的醫學意義[1-2]。醫院常規使用的超聲多普勒只能測量主干血管的血流，無法獲得微血管系統的信息。因此，臨床上急需能夠快速、連續和低成本地獲取組織血流的技術手段。近紅外漫射光相關譜和斷層成 像 技 術（Near-Infrared Diffuse Correlation Spectroscopy/Tomography，DCS/DCT）是測量組織血流的較新技術[3-9]，該技術利用光場的時間自相關函數（g1(τ) ）來計算紅細胞的運動，進而無創地檢測組織微血管的血流值。DCS 可以實時監測人體組織中的血流值（Blood Flow Index，BFI），但無法得到BFI的空間分布情況。BFI的三維成像即DCT可以更直觀地反映血流的空間變化和對比度，對于腫瘤等各種疾病的評估至關重要。

在DCT技術中，光學探頭的設計對于組織血流的準確獲取和異質物的精確定位至關重要，該技術使用置于被測組織表面的光纖探針來無創的獲取原始光學信號（即光場的時間自相關函數g1(τ)），并通過特定的算法來實現血流成像的計算；在這個過程中，光纖探針之間的距離與光纖的固定方式決定了光學信號采集的準確性和有效性，因此光纖探頭的設計對于血流值的準確獲取和成像至關重要。

傳統的血流成像探頭是實驗人員利用泡棉、亞克力板等材料來加工的，然而，這些方式往往是人工進行形狀裁剪和打孔，難以實現復雜形狀的探頭設計，且存在打孔的定位誤差，人工成本較大[10-14]。

3D打印技術是新興的模型制造技術，3D打印技術可以自動、快速、直接和比較精確地將計算機中的三維設計轉化為實物模型，本文提出了一種基于3D打印技術的探頭設計并用于血流成像，這樣可以根據不同的方案和應用場合來設計不同類型的光學探頭，并靈活的改進，以獲取穩定和精準的光學信號，這對于準確地獲取組織血流并進一步獲取清晰的組織成像具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 DCT的原理和硬件設備

DCS/DCT的測量原理如下[3-4,6-7]：近紅外激光器發射的光子經過多模光纖入射進入組織，光子在組織中進行隨機散射和吸收，最終一部分光子從組織中逸出，被距離光源光纖幾厘米處的單模光纖收集，從入射點到接收點具有多條散射路徑，散射路徑呈香蕉狀。收集到的光子由單光子探測器進行計數，傳輸到相關器進行相關運算得出歸一化的光強時間自相關函數g2(τ)，通過西格特關系式計算得出光電場時間自相關函數g1(τ)，g1(τ) 函數曲線的衰減率由紅細胞運動決定，衰減率越高則血流越大。由于g1(τ)的非歸一化函數G1(τ)滿足擴散方程，則通過對偏微分方程進行求解，可以計算得出血流值。通常來說，假設邊界條件（如半空間無限大）后，血流指數（BFI）是擴散相關方程的解析解，我們創建的N階線性（NL）算法可以提取出較為精確地BFI[15-16]，即布朗運動的擴散系數αDB。

根據DCT的測量原理，其設備的硬件模塊包括：近紅外激光器，美國CrystaLaser公司，波長為785 nm（DL-785-120-so，Crystalaser，inc.，美國）。相干長度大于5 m，波長為785 nm，輸出功率為120 mW、單光子探測器（SPCM-780-13-FC，Excelitas Inc.，加拿大）、數字相關器（flex05-8ch，Correlator.com，美國）、數據采集卡（USB-6009, National Instrument Inc., 美國）、光開關（FSW8-1×8-SM-C，插入損耗≤2.0 dB）和光纖探頭如圖1所示。

圖1 DCT設備的硬件模塊

如圖2所示為DCT血流成像儀的組成框圖與測量原理圖，DCT血流成像儀主要由近紅外激光器、單光子探測器、八通道數字相關器、數據采集卡、8×8光開關、以及光纖組成，在進行血流成像時需要將與光源和探測器連接的光纖固定在不同的位置以獲取不同位置和深度的被測組織的光子數據，因此需要設計合適的光纖固定探頭來滿足測量需求。

圖2 DCT血流成像儀的組成框圖與測量原理圖

DCT血流成像儀的實物由圖3所示，激光器、單光子探測器、數字相關器和數據采集卡等硬件模塊被封裝在設備箱中。與激光器和探測器相連的光纖向組織發射/收集光子。激光器連接多模光纖，探測器連接單模光纖，將接收到的光子進行時間自相關計算，實現對DCT光學信號的采集。通過光開關來配置更多的光源探測器分布以獲取血流重建所需要的光子自相關信息。使用已知光學特性的仿體組織進行血流實驗是DCT系統校準和驗證的常用方法。首先用光纖探頭來測量均勻的仿體溶液以進行儀器和算法校準，仿體的配置過程可詳見文獻[17-18]，簡而言之，仿體溶液由蒸餾水，脂肪乳液（30% 濃度, 四川華瑞制藥）和黑墨水（上海晨光）按比例配置而成。脂肪乳液中的脂質顆粒用于改變仿體溶液的散射系數和模擬布朗運動，墨水則用于配置仿體溶液的吸收系數。為了與人體組織的光學參數相匹配，我們配置的仿體溶液的光學參數為 μa= 0.05 cm-1和 μs’= 8 cm-1。

圖3 DCT設備和仿體實驗搭建

1.2 基于3D打印技術的平板式光學探頭

3D打印技術是一種新興的快速成型技術，又稱增材制造，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，適用于小規模的定制化的產品制造，在本研究中，我們通過3D打印機來獲得樹脂材料的光學探頭，這種材料具有成本低、質量輕、韌性強等優點，適用于人體組織血流測量，方便我們的探頭設計方案的快速實現和靈活改進。

DCS/DCT設備的探頭是由一根發射光纖和一根或多根接收光纖組合而成的光學探頭，由于光纖的直徑極為小，并不能將其直接放置在測量位置。并保證光纖之間的相對位置，需要給發射與接收光纖加上一個固定的塊（稱為基座），能夠將兩根光纖的相對位置固定好。光纖探頭由基座和光纖組成，對于其的設計要求是：能夠保持光纖間的距離，并與人體組織的有彈性的接觸，并有很好的密閉性（即不漏光）。

面陣式探頭可以增加光子探測的位置數量和面積，是進行血流成像的必要條件。本研究使用了3D打印樹脂材料來構成探頭的基座。圖4所示的是3D打印的平板式光纖陣列探頭，光纖陣列插入基座中的光纖孔中，其中包含了48對光源-探測器對，用于重建一個16×16×6單元的組織血流，每個立方單元大小為5 mm。

圖4 3D打印的接觸式光源-探測器（S-D）的平板式光纖陣列探頭

1.3 DCT血流成像算法

DCT成像的求解算法稱為圖像重建過程，本研究采用了一種新型的N-階線性模型（NL模型）來實現血流成像[19-20]。與傳統的解析表達式和有限元方法不同，NL模型不尋求偏微分方程的解，而是將g1(τ)的積分形式與其N階泰勒多項式相結合，如式(1)和(2)所示，并且通過光在組織內的傳輸信息來體現組織的非均勻性和不規則性。此外，該算法還利用線性回歸方法，得到自相關曲線g1(τ)上多點數據斜率進行血流重建。

對一階線性算法，式(1)左側第三項為零，可以直接通過線性回歸得到g1(τ)-1的斜率，采用式(2)計算得出血流值αDB。對高階線性算法，血流值αDB亦出現在式(1)左側第三項中，需要式(1)和(2)進行迭代計算血流值αDB。

將N-階線性算法應用到DCT血流成像中，由于測量數據遠遠少于待重建的圖像體素，其對應的線性方程組呈嚴重病態，因此，本研究引入了TV正則化進行約束，并采用Bregman分裂算法實現圖像重建（簡稱Bregman-TV算法）。

該最優問題通過Bregman分裂算法實現，我們稱之Bregman-TV算法[19-20],

將獲得的求解αDB映射到三維空間即為血流成像。

2 實驗設計

為了驗證本研究設計的血流成像探頭的有效性，圍繞研究目標，本研究設計了兩個部分的實驗。首先，本研究先利用仿體進行了異質物血流成像實驗，仿體溶液的吸收系數為0.05 cm-1，散射系數為8 cm-1，這與人體組織的光學性質相近。其次，在仿體中驗證了探頭的有效性以后，本研究招募了30名健康的受試者（平均年齡為24歲），并用血流成像探頭對受試者在生理變化中的腦血流進行成像。

2.1 仿體實驗

在仿體實驗中，本研究使用了圖4所示的平板式探頭進行了數據采集。如圖5所示，其探頭浸入液態仿體中，異質物血流為一個立方體固體（血流異質物，大小為1 cm×1 cm×0.5 cm的方塊）。血流重建結果如圖6所示，從結果圖中可以看出，使用平板式探頭獲取的光子數據重建出的血流成像結果可以準確地定位血流異質物的位置，并準確的重建其輪廓。

圖5 平板式面陣探頭的用途

圖6 仿體中血流異質物的重建結果

2.2 人體腦部血流成像實驗

此探頭也用于了人體傾斜床試驗，對人體頭部組織在平躺狀態下和70°傾斜狀態下的血流進行測量并成像，試驗方案如圖7所示。

圖7 平板式面陣探頭用于頭部血流成像

（1）在檢測之前，受試者平躺在試驗床上（即試驗床處于水平位置），研究人員使用醫用酒精棉為受試者擦拭額頭待檢測區域，并用醫用膠布與繃帶將光學探頭固定在受試者前額。

（2）研究人員利用DCT血流儀采集數據10 min后，調整試驗床傾斜角度，從平行于地面起緩慢調整（頭上位傾斜）到與地面成70°夾角位置，利用血流儀采集數據10 min。

（3）研究人員調整試驗床到水平位置，取下光學探頭，結束頭部血流測量試驗。

DCT重建的代表性腦部血流結果如圖8所示：可以看到，平躺和70o頭上位傾斜狀態下血流的值有較大的區別，而DCT血流成像系統可以很敏感地探測出這類區別。

圖8 DCT 重建的代表性腦部血流結果

本研究招募了30名健康受試者參加頭部血流測量，其平均對比度為163%，此外，本研究還計算了30例受試者的血流變化的標準差（4.98%）和變異系數（3.12%），這表明使用3D打印的光纖探頭可以穩定的獲取受試者在生理狀態變化時腦血流變化。

本研究分析了30名健康受試者的相對血流變化，如圖9所示，體位改變引起的腦血流變化很一致（對比度在均在150%～170%）反映了DCT在腦血流測量方面具有很好的穩定性。

圖9 30例受試者在身體70°傾斜過程中的血流相對變化比

3 討論

本文的主要工作是使用3D打印的平板式的光纖探頭來進行仿體溶液和人體頭部的血流成像。本文的結果先進性主要有以下兩點：① 與傳統的泡棉或硅膠式的光纖固定探頭相比[20]，3D打印的平板式血流成像光纖探頭在仿體異質物血流成像實驗中表現出色，可以準確地定位和重建異質物，這是由于平板式的光纖探頭在測量過程中可以和仿體很好的貼合，因此獲取的血流數據也更為準確；② 人體頭部的血流測量結果表明，利用3D打印技術制作的平板式光纖固定探頭適合頭部的血流測量[5]，30例受試者在平躺狀態下和傾斜狀態下的腦血流重建結果符合生理預期。

4 結論

在本研究中，將基于3D打印技術設計制作的光纖探頭應用到了DCT中，并通過仿體實驗和人體腦部試驗對探頭的有效性進行了驗證。仿體中異質物可以被DCT成像準確地定位，表明本研究設計的3D打印光纖探頭可以滿足DCT的測量需求，即能夠準確和穩定地固定光纖并獲取光學信號；在人體腦部血流實驗中，使用3D打印的血流成像探頭可以準確地獲取血流變化，這證明了使用3D打印技術制作的平板式光纖固定探頭適合頭部血流測量。然而，這種設計仍然存在一定的不足：由于人腦組織則是不規則的曲面，平板式的光纖探頭難以與人腦前額完全貼合，這會帶來一部分測量誤差。在后續的工作中，將優化光纖探頭的設計，比如設計更貼合人腦形狀的曲面探頭和利用軟膠材料來進行探頭的3D打印等。總之，3D打印技術可以快速、靈活的實現探頭從設計圖紙到真正的實際應用，準確地獲取血流變化并進行成像，有重要的臨床應用潛力，有望應用于臨床的腦血流疾病檢測中。