研究进展：腹腔镜激光散斑血流成像技术的发展与应用

激光散斑衬比成像(LSCI)技术广泛应用于大视场的组织表层血流成像，当需要实时在体监测生物体深层组织或腔内组织的血流分布及变化时，将LSCI与内镜成像技术结合是解决LSCI成像深度问题的有效途径。

中国科学院苏州生物医学工程技术研究所的吴琼团队搭建了腹腔镜LSCI成像系统，并对微流体仿体和兔子大肠进行成像。实验结果表明，所搭建的系统可以校正静态散射以及消除系统噪声对散斑衬比度的影响，利用单次曝光下的散斑衬比测量值可以实现血流的定量监测，该腹腔镜LSCI成像系统将具有重要的临床应用潜力。

研究背景

血管遍布我们的身体，任何一处血管出现问题都可能诱发疾病，像缺血性中风和肿瘤等。因此，实现在体血流监测对早期疾病诊断以及揭示疾病的发病机理意义重大。

目前现有的血流监测手段都存在一些局限性。比如核磁共振成像设备和正电子发射断层成像设备，价格昂贵且时空分辨率较低X射线血管造影技术和荧光技术无法区分不同的流速差异，还需要向人体注入造影剂；传统激光多普勒成像技术属于单点测量技术，提高空间分辨率需结合机械扫描装置，这又会降低时间分辨率。

而激光散斑衬比成像（LSCI）技术以其较高的时空分辨率、系统简单以及全场实时成像的优势被广泛应用于在体血流监测。然而，LSCI技术的成像特点限制了光在组织中的穿透深度，局限于表层组织成像。当需要监测生物体深层组织或腔内组织的血流时，将LSCI与内窥成像技术结合就成为了解决问题的有效途径，这也是LSCI发展的一个重要方向。

腹腔镜LSCI系统原理

1、系统构成
该腹腔镜LSCI系统使用波长为785nm的激光，激光经过商用腹腔镜的照射通道后照射到被测样品表面，这里的被测样品可以是组织仿体，比如体积分数为1%的脂肪乳剂溶液，也可以是兔子大肠组织。溶液的流速通过注射泵来控制。后向散射光再经过腹腔镜和焦距为75mm的消色差透镜，最后被色深位数为12bit的CMOS相机采集。相机的曝光时间设置为5ms，图像的最大分辨率为2048pixel×2044pixel。为了保证较高的信噪比以及散斑大小，腹腔镜与被测样品间的工作距离限制在1.0-2.5cm之间，整个成像系统被放置在光学隔离平台上。

2、血流定量测量原理
在这个系统中，血流定量测量的原理是基于散斑衬比度的。散斑源于相干光被散射后的随机相干叠加过程，当散射颗粒运动时，相机接收到的散斑图样会出现改变，其模糊程度用衬比度来量化，也就是散斑光强的标准差与均值的比值。通过特定的公式，我们可以知道散斑的衬比度是关于曝光时间的函数，且与散斑光强相关函数的相关时间有关，被认为与散射颗粒的运动速度成正比。

但是，我们还需要考虑静态散射对衬比度的影响。通过一系列复杂的公式推导和计算，我们可以获得动态散射参数，最终基于单次曝光下获得的衬比度测量值来定量获得。

3、校正噪声

在激光散斑衬比成像中，噪声因素众多，像相机暗噪声和光散粒噪声等都会影响散斑衬比度动态测量范围。这里采用了特定的方法来校正这些噪声对散斑衬比度的影响，确保测量的准确性。

实验方案与结果

1、仿体实验
为了验证基于单曝光LSCI的血流定量测量的准确性，研究人员设计了脂肪乳溶液流体模型。将一定体积分数的脂肪乳溶液用注射泵推进毛细玻璃管中，通过设定直径和体积流，注射泵以不同的速度推动溶液流动，照射于溶液的激光被后向散射经腹腔镜和相机采集后形成动态散斑图像。

这个运动模型不仅有溶液的定向流动，还有其自身散射粒子的布朗运动，更接近血流的流速分布。实验中使用了三组不同直径的毛细玻璃管，腹腔镜与毛细玻璃管间的工作距离为1.2cm，成像视野的大小为10.4mm×10.4mm。
 
2、动物实验
实验对象是随机选取的雄性健康成年兔子，质量为1.6kg。实验前对兔子进行肌肉注射麻醉并使用质量分数为2.5%的异氟烷持续麻醉。在麻醉状态下对兔子进行手术，在其腹部清理出约4cm×4cm大小的代表区域，然后进行腹腔内血管阻断再灌注实验。具体操作是将兔子以仰卧姿势固定在实验操作台上，切开腹部约3cm长的创口，用手术镊子夹持两侧创口以暴露腹腔内区域，观察到兔子腹腔内大肠血管后使用血管钳阻断，阻断时间约为10s。实验过程中，腹腔镜尖端置于距被测区域约1.5cm处进行图像采集。
 
3、数据处理
在仿体和动物实验中，相机曝光时间均设置为5ms。仿体实验中，相机记录不同直径毛细玻璃管内不同速率下的散斑图像，每个速率下拍摄30frame散斑图像。动物实验中，相机记录腹腔内血管阻断再灌注整个实验过程，记录时间为30s。然后对图像进行一系列复杂的数据处理，包括计算空间衬比度和时间衬比度，校正测量值，计算动态散射参数和，并将单曝光下获得的与其他方法的计算结果进行对比。
 
4、仿体实验结果
经过噪声校正处理后的散斑衬比度图像显示出了明显的“血管”结构。在相同体积流量下，随着通道直径的增大，衬比度测量值也随之增加，同时同一通道内的散斑衬比度随着体积流量的增加而降低。与实际体积流量之间保持较好的线性关系，能够定量响应不同通道中流体实际速度的变化。而且单曝光LSCI与其他方法一样能够提供近似的定量血流测量结果，并且单曝光 LSCI还能够在保证一定准确率的同时提高运算效率。

5、动物实验结果
在动物实验中，以作为流速指标，清晰地展示了兔子腹腔内大肠分叉血管阻断再灌注的过程。从结果可以看到，系统对监测流速变化非常敏感，能够准确反映血管阻断和再灌注过程中血流的动态变化。

技术优势与应用前景

1、技术优势

• 高分辨率成像：腹腔镜激光散斑血流成像技术结合了LSCI的优势，能够实现微米量级空间分辨率和毫秒量级时间分辨率的血流监测。这意味着医生可以更清晰地观察到微小血管中的血流情况，对于一些微小病变的早期发现和诊断具有重要意义。例如，在视网膜病变的诊断中，这种高分辨率的成像能力可以帮助医生更准确地检测到视网膜微血管的异常血流，从而及时采取治疗措施。

• 实时定量监测：通过对系统的优化和算法的改进，该技术能够实现血流的实时定量监测。在手术过程中，医生可以实时了解组织的血流灌注情况，这对于评估手术效果、避免手术并发症以及指导后续治疗都具有重要价值。比如在肝脏手术中，实时监测肝脏组织的血流变化，可以帮助医生判断手术是否影响了肝脏的血液供应，及时调整手术方案，提高手术的安全性和成功率。

• 非侵入性或微创性：与一些传统的血流监测技术相比，腹腔镜激光散斑血流成像技术具有非侵入性或微创性的特点。在进行检测时，不需要对患者进行大规模的手术或注入大量的造影剂，减少了患者的痛苦和风险。特别是在一些需要多次进行血流监测的疾病治疗过程中，这种微创性的检测方式更容易被患者接受，也有利于患者的康复。

2、应用前景

• 疾病诊断和早期筛查：随着人们对健康的重视程度不断提高，疾病的早期筛查变得越来越重要。腹腔镜激光散斑血流成像技术有望应用于多种疾病的早期筛查，如心血管疾病、肿瘤等。通过对身体不同部位的血流成像分析，可以发现一些早期的血流异常变化，为疾病的早期诊断提供线索。例如，在心血管疾病的早期筛查中，可以观察到冠状动脉的血流变化，及时发现潜在的心血管风险。

• 手术导航和术中监测：在手术过程中，准确的手术导航和实时的术中监测是确保手术成功的关键。腹腔镜激光散斑血流成像技术可以为手术提供实时的血流信息，帮助医生更好地定位病变组织，避免损伤重要的血管和神经。同时，在手术过程中实时监测组织的血流灌注情况，可以及时发现手术可能导致的血流异常，采取相应的措施进行补救，提高手术的质量和安全性。例如，在神经外科手术中，该技术可以帮助医生避免损伤脑部的血管，确保手术的顺利进行。

• 药物研发和治疗效果评估：在药物研发过程中，了解药物对组织血流的影响是评估药物疗效的重要指标之一。腹腔镜激光散斑血流苍老成像技术可以用于观察药物对组织血流的作用，为药物研发提供有力的支持。在治疗过程中，通过对治疗前后组织血流变化的监测，可以评估治疗效果，及时调整治疗方案。例如，在肿瘤治疗中，可以观察到化疗药物对肿瘤组织血流的影响，判断药物是否有效，为后续治疗提供参考。

总结与展望

尽管腹腔镜激光散斑血流成像技术具有诸多优势和广阔的应用前景，但在实际应用中仍然面临一些挑战：

• 成像深度的进一步提高：虽然该技术在一定程度上解决了LSCI成像深度有限的问题，但对于一些深层组织的血流成像，仍然需要进一步提高成像深度。这可能需要在激光技术、光学系统设计以及图像处理算法等方面进行进一步的研究和创新。

• 复杂环境下的稳定性：在临床应用中，成像系统往往需要在复杂的环境下工作，如手术室中的电磁干扰、患者的身体运动等。这些因素可能会影响成像的质量和稳定性。因此，需要研究如何提高系统在复杂环境下的抗干扰能力和稳定性，确保成像结果的准确性和可靠性。

• 多模态成像融合：为了更全面地了解组织的生理和病理状态，将腹腔镜激光散斑血流成像技术与其他成像技术进行融合是一个重要的发展方向。例如，与超声成像、磁共振成像等技术相结合，可以实现多模态成像，提供更丰富的信息。但这也带来了技术上的挑战，如何实现不同成像模态之间的准确融合和信息互补是需要解决的问题。

腹腔镜激光散斑血流成像技术作为一种新兴的医学成像技术，具有巨大的潜力和广阔的应用前景。尽管目前还面临一些挑战，但随着科学技术的不断进步，我们有理由相信这些问题将逐步得到解决。未来，该技术有望在疾病诊断、治疗和药物研发等领域发挥更加重要的作用，为人类健康事业做出更大的贡献。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于:吴琼,周伟,徐宝腾,刘家林,杨西斌,王驰,熊大曦.腹腔镜激光散斑血流成像技术[J].光学学报,2022,42(7): 0717001.Qiong Wu,Wei Zhou,Baoteng Xu,Jialin Liu,Xibin Yang, Chi Wang,Daxi Xiong.Laparoscopic Laser Speckle Blood Flow Imaging Technology[J].Acta Optica Sinica,2022,42(7):0717001.