激光斑点对比成像： 血流和组织灌注实时可视化

激光斑点对比成像是全场血流成像的有效工具。最近，该技术在脑血流研究中的应用日益广泛，因而备受关注。

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什么是激光斑点对比成像？
用相干光照射生物组织时，会在检测器上形成干涉图案/斑点图案。激光斑点对比成像是基于后向散射光与红细胞（RBC）相互作用而产生的动态变化。

组织内的微粒运动会导致斑点模式的波动，当获得斑点图像的曝光时间长于或等于斑点波动时间尺度时，就会导致斑点图像模糊。如果波动是由红细胞运动引起的，则这种模糊可归因于血流。

目前，由于廉价计算能力的大幅提高，激光斑点成像系统可以对血流进行近乎实时的成像。这种快速、廉价、简单的成像技术可用于观察不同组织的灌注情况，因为它能提供大表面的二维（2D）灌注图。

因此，该技术被广泛应用于临床实践，适用于不同组织的灌注评估。例如，该成像系统已被用于食道、肝脏、皮肤微血管、脑血流（CBF）、视网膜灌注、烧伤伤口和大肠的成像。

激光斑点对比成像量化血流动态
斑点产生于相干光的随机干涉。随机散射介质与相干光之间的相互作用会导致光从介质中的不同位置散射并传播一定的距离，从而产生破坏性和建设性干扰，这种干扰随光电探测器中散射粒子的排列而变化。

将这些散射光成像到照相机上时，可以看到空间中随机变化的干涉，产生同样随机变化的强度图案，这就是所谓的斑点。

当散射粒子移动时，干涉会发生波动，从而导致光电探测器上的强度图案发生变化。这种斑点图案的空间和时间统计信息可以提供散射粒子运动的相关信息。例如，可以通过测量和分析空间变化/时间变化来量化粒子运动。

通过将斑点图成像到电荷耦合器件（CCD）相机上，并利用空间变化方法量化血流造成的斑点图空间模糊，可以获得时间和空间分辨率极高的二维血流图。

在血流量较高的区域，斑点图强度波动更快，在 1-10 毫秒的 CCD 相机曝光时间内整合后会变得模糊。通过获取斑点模式图像，并通过强度变化的空间对比度测量来量化图像中斑点的模糊程度，就能获得相对血流空间图。

斑点对比度是空间标准偏差与平均强度的比值，通过计算可以量化斑点模糊。

多重曝光激光斑点成像（MESI）
虽然最早的激光斑点对比成像应用是单次曝光方法，每次测量的曝光时间保持不变，但由于定量准确性和灵敏度与曝光时间有很大关系，因此在单次曝光中量化测量的灌注非常困难。

此外，单次曝光设置对较大的速度变化缺乏高精度。为了提高结果的可重复性，后来开发出了 MESI 方法。MESI 设置可在确保恒定强度的同时改变曝光时间。此外，通过考虑静态散射光，还为斑点成像推导出了一个新的、更全面的数学模型。

MESI 装置在很大的速度范围内显示出与速度变化的线性关系，从而可以进行半定量测量。利用斑点模型可以获得系统噪声、基于洛伦兹速度分布的相关时间以及动态散射光的比例。

新进展
在发表于《科学报告》（Scientific Reports）杂志的一篇论文中，研究人员利用改进型微循环成像仪/集成侧流暗场-激光斑点对比成像（SDF-LSCI），通过实验评估了体内和体外散射体的光学特性对比例常数（α）的影响，该常数对准确量化相关时间与血流速度之间的反比关系至关重要。

研究人员提出了一种基于模型的实用缩放因子，以校正微循环血管中的多重散射。结果表明，SDF-LSCI 可以对血管形态和流速进行定量测量，从而实现对血流、流速和组织灌注的量化。

参考资料

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Heeman, W., Steenbergen, W., Boerma, E. C. (2019). Clinical applications of laser speckle contrast imaging: A review. Journal of Biomedical Optics, 24(8). https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.8.080901

Boas, D. A., Dunn, A. K. (2010). Laser speckle contrast imaging in biomedical optics. Journal of Biomedical Optics, 15(1). https://doi.org/10.1117/1.3285504

作者：Samudrapom Dam