高分辨率激光散斑血流成像技术及其应用

摘要

激光散斑衬比成像技术是通过分析运动颗粒对相干激光的散射特性来获得颗粒运动速度的技术，可以提供二维血流分布图像。它的出现，正逐步取代传统激光多普勒技术，成为研究生物组织（比如脑皮层）血流功能响应与病理机理的重要研究工具。激光散斑衬比成像技术使用CCD或CMOS摄像机对激光照射区域进行连续拍照;并通过激光散斑衬比分析对记录的数据进行处理，得到衬比图像，该图像可以反映成像区域内运动颗粒的速度信息。根据速度分布与衬比度值关系的理论模型，散射颗粒（如血细胞）的运动速度可由衬比度数据计算得到。
　　传统的激光散斑衬比成像技术虽然能够获得较高分辨率的衬比图像，但仍然存在各种问题，例如:成像系统噪声和背景光影响使得衬比数据动态范围过小，不利于数据的可视化及进一步的速度分析和比较;照射光强不均匀分布和成像区域曲面效应使得衬比图像中存在不均匀性影响;在体实验中动物自身呼吸心跳影响使得衬比图像的分辨率下降;成像区域血流的时空分布不均匀使得传统的空间和时间衬比分析方法存在较大的估计误差，从而影响了衬比度数据的准确性。这些问题使得传统激光散斑衬比成像技术很难对感兴趣区的血流进行精确、高时空分辨率的成像。在应用中，传统的成像设备体积大，各个部件组装繁琐，不能够方便的嵌入到不同的应用场合，有一定局限性。此外，传统成像设备无法实现小动物清醒状态及自由活动状态的激光散斑衬比成像。
　　本论文针对传统激光散斑衬比成像技术中存在的各种问题，在方法上分别提出了基于单调点变换的衬比数据动态范围增强，基于模型的不均匀性影响校正，基于配准的空间分辨率增强，以及随机过程估计子等一系列技术，可以得到高信噪比、高时空分辨率的激光散斑衬比图像，并应用成像新方法研究了裸鼠耳廓损伤修复中的血管再生。在硬件设计上，结合这些高分辨率成像技术，搭建了新的便携式成像系统，并将新成像系统应用于小鼠脑缺血和再灌注过程中脑皮层血流的变化;此外，设计出高度为3.1厘米、重量仅为20克的微型激光散斑衬比成像头，并从多角度测试了其性能及成像稳定性，实现了大鼠自由活动状态的血流成像。本论文的主要研究内容和研究结果如下:
　　（一）针对传统激光散斑衬比成像技术存在的衬比度值及数据动态范围太小的问题，提出了基于单调点变换的数据增强方法，该方法能够在保持数据精度的基础上实现数据动态范围的增强。通过严格数学证明，我们得到了数据增强前后衬比度值与血流速度的对应关系。该方法能够完成衬比数据和速度数据的自动可视化，并能够提高图像自动分割的质量。使用该方法，我们研究了大鼠脑皮层血流在亚低温及恢复体温状态下的组织区域微循环血流的变化，实验结果表明亚低温状态与正常体温的衬比度值之比平均为189％，而恢复体温状态与正常体温的衬比度值之比平均为151％。使用配对t检验，发现亚低温和恢复体温状态下相对衬比度值的下降是显著的，但新方法比传统方法显示了更高的统计显著性:eLASCA(p=0.009)与LASCA(p=0.013)。
　　（二）针对传统激光散斑衬比成像中激光光强的不均匀分布和成像区域的曲面效应，提出了基于模型的不均匀性影响校正方法。我们首先建立了不均匀性影响的数学模型，并提出了利用非线性拟合技术估计模型参数的方法，最后利用估计出的数学模型对成像结果进行重建校正。基于该方法，我们使用632nm激光作为照射光源，同时获得了大鼠脑皮层相对血流速度和相对去氧血红蛋白浓度的重建图像，并使用模糊准则判别方法实现脑皮层动静脉的识别。
　　（三）针对传统激光散斑衬比成像中实验动物自身呼吸和心跳带来的空间分辨率降低问题，提出了基于配准的激光散斑衬比成像方法。首先利用卷积核、归一化的相关度量和三次B样条插值将原始散斑图像精确配准，之后再进行传统的时间衬比分析，从而去除抖动的影响，进一步提高衬比图像的分辨率。我们将该技术应用于研究脑肿瘤引发大鼠脑皮层血管增生，实验结果显示肿瘤细胞注入10天后，大鼠脑皮层出现了明显的血管新生，而部分新生的小血管只有通过基于配准的新方法才能观察到。
　　（四）针对传统激光散斑衬比成像中存在统计计算误差以及速度时空分布不均等问题，使用随机过程理论对激光散斑衬比成像中衬比度的来源进行了详细地分析，并建立了传统空间和时间衬比分析方法中的噪声模型。基于对其噪声特性的研究，发现了该噪声的高斯特性，进而提出了随机过程估计子的方法来获得高信噪比、高时空分辨率的衬比图像。使用随机过程估计子方法研究了电刺激诱发大鼠脑皮层体感区血流的功能性响应。在单次刺激实验中，随机过程估计子方法的平均误差0.31±0.03（均值±标准差）远小于时间衬比分析方法的1.36±0.09。在叠加平均了10组刺激的衬比度数据后，发现体感区血流的功能性响应与该区域的小血管存在对应关系，此外，还发现响应区域中某些小血管在刺激过程中并未出现血流增强现象。
　　（五）将各种新方法综合在一起，形成高信噪比、高时空分辨率的激光散斑衬比成像新方法，并开发了集成的成像系统和数据处理软件，研究了裸鼠耳廓损伤修复过程中耳廓血管血流的变化情况。在对裸鼠耳廓损伤修复的研究中，通过对7只裸鼠实验数据的统计分析发现，与耳廓损伤后的当天（衬比度值0.8481±0.0888）相比，缺血区域在第三天只是部分恢复了血供（衬比度值0.5516±0.0860，单边配对t检验统计差异显著，p=0.00054＜0.01）。在第6天之后缺血区域的血供出现明显的恢复（衬比度值0.1263±0.0839，与损伤当天进行单边配对t检验统计差异显著，p=0.00005＜0.01）。在损伤后第12天，缺血区域的血供（衬比度值0.2992±0.0093）比损伤后第6天的有所下降（与损伤后第6天进行单边配对t检验统计差异显著，p=0.0041＜0.01），表明此时缺血区域的血供恢复到平稳状态。之后构建了一套便携式成像系统，可方便的嵌入到各种研究环境中。利用便携式成像系统研究了小鼠大脑中动脉栓塞及再灌注中脑皮层血流的分布状况。在基于小鼠大脑中动脉栓塞模型的研究中，实现了对缺血和再灌注过程脑皮层血流的连续动态监测。实验结果显示不同区域的脑皮层血流在缺血和再灌注过程中的响应是不同的，而缺血核心区与半影区的形成过程也是动态的。
　　（六）针对传统激光散斑衬比成像装置无法实现小动物清醒状态以及自由活动状态脑皮层血流成像，设计出高度为3.1厘米、重量仅为20克的微型激光散斑衬比成像装置:使用多模光纤束将激光引导至成像头处，在该处保持光纤束与成像区域成45度角;使用特殊设计的高分辨率小型微距镜头将散斑图像成像在CMOS摄像芯片上;整个成像头可通过底座方便的安装到大鼠头部，实现对自由活动大鼠脑皮层血流的高分辨率成像和稳定监测。
　　本论文在激光散斑衬比成像的方法上提出了衬比数据动态范围增强方法、不均匀性影响校正方法、基于配准的高分辨率方法和随机过程估计子方法。这些方法构成了一套高信噪比、高时空分辨率的新型激光散斑衬比成像方法。在硬件设计上，我们设计了便携式激光散斑衬比成像箱，和大鼠自由活动状态成像的微型成像头，并与新的成像方法结合，为脑功能和脑损伤的相关研究提供了有效的研究工具。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 激光散斑衬比成像技术概述

1．2 散斑统计特性与血流速度的关系

1．2．1 散斑的产生及衬比度概念的引入

1．2．2 衬比度值与相对速度关系的一般结论

1．2．3 静态散射对流速估计的影响

1．3 衬比度值的估计方法

1．3．1 空间衬比分析方法

1．3．2 时间衬比分析方法

1．4 激光散斑衬比成像技术在生物医学中的应用

1．4．1 表皮血流成像

1．4．2 视网膜血流成像

1．4．3 脑皮层血流成像

1．5 激光散斑衬比成像待解决的问题

1．5．1 高信噪比、高时空分辨率成像方法

1．5．2 新型激光散斑衬比成像硬件设计

1．6 本论文的主要研究工作

1．7 本章小结

第二章 基于单调点变换的衬比数据增强

2．1 引言

2．2 eLASCA方法的理论基础

2．3 eLASCA方法应用于研究大鼠亚低温对脑皮层血流的影响

2．3．1 动物实验方案

2．3．2 数据记录方案

2．3．3 数据分析

2．4 实验结果

2．4．1 衬比图像的自动可视化

2．4．2 亚低温对脑皮层组织区微循环血流的影响

2．5 讨论

2．6 本章总结

第三章 基于模型的不均匀性影响校正

3．1 引言

3．2 不均匀性影响的数学模型

3．3 模型中参数的估计及衬比图像和均值图像的重建

3．3．1 模型参数估计二维问题的一维求解

3．3．2 自适应窗口的中间值-均值滤波

3．3．3 使用一维曲线拟合方法进行模型参数的估计

3．3．4 原始衬比图像和均值图像的重建

3．4 基于不均匀性影响校正的双模态光学成像方法

3．5 大鼠脑皮层血流双模态成像实验

3．5．1 实验准备和实验协议

3．5．2 数据处理

3．6 实验结果

3．6．1 校正后的内源光信号图像反映去氧血红蛋白浓度分布信息

3．6．2 校正后的衬比图像反映脑皮层血流速度信息

3．7 脑皮层血管动静脉的识别

3．8 讨论

3．9 本章小结

第四章 基于配准的分辨率增强

4．1 引言

4．2 基于配准的激光散斑衬比成像方法

4．2．1 原始散斑图像的配准

4．2．2 基于三次B样条插值的散斑图像重采样

4．3 rLASCA方法应用于研究大鼠脑皮层血流及血管新生

4．3．1 实验方案

4．3．2 数据记录和数据处理

4．4 实验结果

4．4．1 进一步提高衬比图像的分辨率，有助于研究小血管及其血流

4．4．2 抑制衬比图像中的噪声

4．4．3 rLASCA在研究脑肿瘤引发脑皮层血管新生中的应用

4．5 讨论

4．5．1 激光散斑衬比成像中抖动的来源

4．5．2 重采样中不同插值方法的比较

4．6 本章总结

第五章 基于随机过程估计子方法的高信噪比成像

5．1 引言

5．2 激光散斑衬比成像的随机过程解释

5．2．1 激光散斑衬比成像理论回顾

5．2．2 激光散斑衬比成像的随机过程描述

5．2．3 空间和时间衬比分析方法及其估计误差

5．2．4 随机过程估计子

5．3 体外仿真实验和在体脑皮层血流成像实验

5．3．1 成像设备

5．3．2 体外仿真实验

5．3．3 大鼠脑皮层血管的在体结构性成像实验

5．4 电刺激诱发大鼠脑皮层体感区血流功能性响应实验

5．5 实验结果

5．5．1 体外仿真实验评价随机过程估计子的去噪性能

5．5．2 随机过程估计子方法提高脑皮层血管结构性成像的分辨率

5．5．3 随机过程估计子方法应用于脑皮层血流的功能性成像

5．6 NA噪声高斯统计特性的证明

5．7 本章总结

第六章 高信噪比、高时空分辨率成像系统开发及应用

6．1 高信噪比、高分辨率激光散斑衬比成像方法及应用

6．1．1 成像方法及软件

6．1．2 裸鼠耳廓损伤后血管血流变化的长期观测

6．2 便携式激光散斑衬比成像系统设计及应用

6．2．1 成像系统硬件设计

6．2．2 小鼠大脑中动脉栓塞缺血及再灌注过程脑皮层血流的实时观测

6．3 小动物清醒及自由活动状态激光散斑衬比成像系统

6．3．1 引言

6．3．2 微型成像头硬件设计

6．3．3 微型成像头控制及数据处理软件

6．3．4 微型成像头在大鼠自由活动状态的成像分辨率及稳定性

6．4 本章总结

第七章 全文总结

7．1 本论文的主要内容及结论

7．2 本论文的主要创新之处

7．3 研究展望

参考文献

主要符号对照表

附录

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文