【作 者】趙月梅，薛彥柏，張 言，李韙韜，錢志余

南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，南京市，211106

0 引言

血供反映了生物體的機能狀態(tài)，是維持生物體正常生理機能的重要環(huán)節(jié)[1]。氧是生命新陳代謝的基礎(chǔ)，血液中含氧量是否充分，對維持生命體進(jìn)行正常的新陳代謝至關(guān)重要。腦血管疾病的發(fā)生通常都伴隨著腦血流速度的變化，而由于身體內(nèi)部的調(diào)控機制，血流速度的變化將引起供氧的改變，造成血液中氧合血紅蛋白含量的變化（ΔHbO2）。因此本文選擇了腦血流和腦血氧兩個生理參數(shù)作為監(jiān)測對象，它們都描述了和腦神經(jīng)代謝相關(guān)的生理信息。兩者的聯(lián)合檢測在生理研究、臨床應(yīng)用等方面具有重大的意義。

在針對活體生物組織尤其是血管方面的測量中，常用的方式有磁共振灌注成像、熒光血管造影成像及多普勒血流儀，但鑒于各技術(shù)的成像原理等方面的不足，在進(jìn)行小動物腦血流成像時都存在或多或少的缺點[2]。激光散斑襯比成像能夠提供實時無掃描區(qū)域整體功能性成像，并且獲得的圖像具有高分辨率、快速、非侵入等諸多優(yōu)點[3]。常用于腦血氧檢測的技術(shù)手段有血氣分析儀、光聲成像技術(shù)、光譜分析等。其中光譜分析相對于其他手段而言原理基礎(chǔ)，便與實現(xiàn)，能夠提供實時在體檢測[4-5]。

本文基于激光散斑襯比成像和光譜分析技術(shù)，構(gòu)建了一套能夠在同一生理過程中，實時檢測腦血流和ΔHbO2兩個生理參數(shù)的小鼠顱腦損傷監(jiān)測系統(tǒng)。

1 激光散斑與光譜分析原理

1.1 激光散斑成像原理

當(dāng)激光照射的物體表面有粒子運動時（主要是血液中的紅細(xì)胞），在成像平面會產(chǎn)生散斑顆粒的模糊，當(dāng)粒子運動速度越快，運動模糊也就在感官上表現(xiàn)得更加嚴(yán)重，研究人員提出“襯比度”對攜帶有運動信息的模糊進(jìn)行量化分析。

研究人員將襯比度定義為光強的標(biāo)準(zhǔn)方差和平均光強的比值[6]，如式（1）所示：

其中σs表示強度波動的標(biāo)準(zhǔn)偏差，表示強度波動的均值。當(dāng)散斑襯比值為1時，也就是表示在成像物體表面沒有任何模糊，即處于靜止的狀態(tài)；相反當(dāng)散斑襯比值為0時，說明運動粒子速度足夠快。

本系統(tǒng)采用目前最常用的激光散斑成像算法時空聯(lián)合襯比分析[7]。該方法所選取的數(shù)據(jù)源來自時間軸上每張圖片中的一塊正方形區(qū)域，通過計算該單元內(nèi)的均值和方差得到黑色像素點的襯比值，依次滑過整張圖片得到襯比圖。通過增加單次計算時的計算單元大小，兼顧了空間分辨率和時間分辨率，在不需要提供系統(tǒng)硬件升級的情況下提高了圖像質(zhì)量。

1.2 光譜檢測原理

光譜分析中常用的模型是朗伯-比爾定律，它主要描述的是光在穿過組織前后的光強變化。它的表達(dá)式為：

式中Ii和I0分別表示光在通過樣品前后的光強，A通常被稱作吸光度，c為樣品的濃度，L為光程，ε為摩爾消光系數(shù)。

得到的光強除了與各組織的吸收有關(guān)，還和組織的散射相關(guān)[8-9]。在光譜分析時，將散射視作另一個偽色團?？紤]組織吸收和散射最終得到組織吸光度差值如下：

其中，Δci表示生色團的濃度變化，Da(λ)表示差分路徑因子，不同波長的光在組織中的光路徑不盡相同[10]，μs(λ)是與色團摩爾消光系數(shù)類似的約化散射系數(shù)，Δs表示散射的變化，Ds(λ)是偽色團的差分路徑因子。通過式（3），可以推算出組織中氧合血紅蛋白的濃度變化和光散射的變化。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

小鼠顱腦損傷監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計原理如圖1所示。系統(tǒng)主要包括兩個子系統(tǒng)（圖1中虛線框所示）：激光散斑襯比成像子系統(tǒng)和光譜分析子系統(tǒng)。激光散斑襯比成像子系統(tǒng)主要由He-Ne激光器、擴束鏡、反光鏡、光學(xué)鏡筒、CCD相機組成。光譜分析子系統(tǒng)包括寬帶光源、光譜儀、雙光纖探頭。兩套子系統(tǒng)分別通過各自USB數(shù)據(jù)接口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中。

2.2 激光散斑襯比成像子系統(tǒng)

激光散斑成像系統(tǒng)中He-Ne激光器（HNL150LEC，Thorlabs，美國）發(fā)出632. 8 nm的激光，由擴束鏡（GBE15-A，Thorlabs，美國）擴束之后，經(jīng)反射鏡反射后對樣本進(jìn)行照射。通過光學(xué)鏡筒（12X Zoom，Navitar，美國）然后由一個12 位CCD相機（GS3-U3-51S5M-C，PointGrey，加拿大）采集并保存在電腦中。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System principle block diagram

光學(xué)鏡筒是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，前端對小鼠腦部感興趣區(qū)域進(jìn)行成像，后端和CCD相機相連。此外，選擇了Navitar公司所提供的前端12倍放大，中部適配鏡匹配視野，后端適配器匹配相機的方案。

圖2給出了系統(tǒng)的實物圖。其中圖2（a）為激光散斑襯比成像系統(tǒng)實物圖，從右到左按照光路方向依次為激光器、光柵、擴束鏡、光學(xué)鏡筒、反光鏡、CCD相機。

圖2 系統(tǒng)整體實物圖Fig.2 Overall physical map of the system

2.3 光譜分析子系統(tǒng)

用于光譜分析的光源、光譜儀以及雙光纖實物圖如圖2（b）和（c）所示。光譜分析子系統(tǒng)中寬帶光源采用的是海洋光學(xué)HL-2000 型光源，可提供300～1 000 nm的寬帶光。檢測器為海洋光學(xué)USB-2000型光譜儀，采樣穩(wěn)定，傳輸速度快，可滿足系統(tǒng)設(shè)計的時間和空間采樣頻率[11]。連接在光源和光譜儀上的光纖集成到一個直徑為2 mm的鋁管內(nèi)，方便在實驗時進(jìn)行照明和采集反射光譜信號。雙光纖探頭由南京玻璃纖維研究院定制，能夠穩(wěn)定采集所需光譜的完整范圍。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序流程圖如圖3所示。軟件啟動時，首先加載硬件部分驅(qū)動。通過接口檢查硬件是否連接，連接成功則繼續(xù)，否則提示未連接。之后進(jìn)行初始化操作，加載默認(rèn)值、啟動相機等，此時軟件會按照前面板上的參數(shù)對激光散斑圖像和光譜進(jìn)行采集。程序通過Labview中的屬性節(jié)點對相機或光譜儀的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將采集的圖像、光譜進(jìn)行處理和保存。本系統(tǒng)上位機采用Labview和Matlab的方式進(jìn)行編程。Labview負(fù)責(zé)對與計算機相連的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，Matlab負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow chart

按照軟件功能的分析，分別設(shè)計并實現(xiàn)了激光散斑襯比成像和光譜分析的程序，如圖4所示。其中激光散斑成像軟件界面如圖4（a）所示，功能主要包括：① 散斑成像系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，包括曝光時間，曝光補償?shù)瘸Ｓ脜?shù)設(shè)置；② CCD相機實時采集到的圖像信息，即顯示窗口；③ 通過激光散斑襯比成像算法重建后的流速圖的顯示；④ 保存圖像到硬盤的功能。

光譜分析界面如圖4（b）所示，主要分成四個部分：① 積分時間設(shè)置；② 光譜時域和空域平滑窗口參數(shù)設(shè)置；③ 保存路徑設(shè)置；④ 光譜實時顯示。

圖4 散斑襯比成像和光譜分析軟件界面Fig.4 The interface of speckle contrast imaging and spectral analysis software

4 實驗驗證

為了充分驗證系統(tǒng)的有效性，設(shè)計了血流速度和光譜分析離體定標(biāo)實驗。首先利用Intralipid溶液，模擬血液的流動情況，通過調(diào)節(jié)溶液速度體現(xiàn)襯比值與速度之間的變化關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者滿足一定的函數(shù)關(guān)系，從而驗證了激光散斑成像系統(tǒng)的有效性。接下來進(jìn)行了光譜分析離體定標(biāo)實驗，主要通過該系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行比較驗證，通過酵母菌的氮氧實驗，驗證了光譜分析系統(tǒng)的有效性。

實現(xiàn)了仿體實驗有效驗證后，設(shè)計了小鼠腦血流血氧實驗，驗證系統(tǒng)在體測試的有效性。用脂多糖試劑對小鼠進(jìn)行腹腔注射，得到在脂多糖藥物的作用下，小鼠的腦血流和腦血氧變化結(jié)果。脂多糖是一種內(nèi)毒素，能夠造成小鼠腦水腫，從而引起小鼠腦血流和腦血氧的變化[12]。分別進(jìn)行激光散斑血流成像實驗和光譜血氧分析實驗，記錄分析脂多糖注射后小鼠腦血流和血氧的變化，結(jié)果見圖5。

本實驗相機采用的曝光時間為20 ms。實驗中，在脂多糖注射6 h后，每20 min采集一組小鼠腦血流圖像，最終實驗結(jié)果如圖5(a)所示。通過獲得的偽彩圖像，可以清晰地看到在脂多糖注射后，小鼠腦血流的變化情況，其中顏色越深代表血流速度越快，從而充分驗證了激光散斑采集軟件的有效性。

圖5(b)為在體血氧檢測結(jié)果，在脂多糖注射6 h后，每隔20 min采集小鼠腦部血氧變化，從圖中可以清晰地看到血氧變化趨勢，從而充分驗證了血氧采集系統(tǒng)的有效性。

圖5 在體血流血氧實驗結(jié)果圖Fig.5 The results of blood oxygen experiment in body blood

通過在體血流血氧實驗，可以得到更加準(zhǔn)確清晰的實驗結(jié)果，從而進(jìn)一步驗證了本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。

5 總結(jié)

本文利用激光散斑襯比成像技術(shù)和光譜分析技術(shù)，構(gòu)建了一套小鼠顱腦損傷檢測系統(tǒng)，能夠在同一生理過程中，實時檢測腦血流和ΔHbO2兩個生理參數(shù)。設(shè)計并實現(xiàn)了激光散斑襯比血流成像系統(tǒng)和光譜分析系統(tǒng)的硬件組成，同時基于Labview和Matlab環(huán)境開發(fā)了上位機控制軟件。最后設(shè)計了兩個離體實驗對本系統(tǒng)設(shè)計的兩個部分分別進(jìn)行了定標(biāo)，同時進(jìn)行了在體血流血氧實驗，充分驗證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。