張 歡，王 康，李韙韜，寧 雪，李怡燃，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 211106）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們的飲食結(jié)構(gòu)變得多種多樣，胃部疾病便成為威脅人類身體健康的一個(gè)很重要的因素。目前，胃部疾病診斷的常用方法是胃鏡和X 射線鋇劑造影[1]。X 射線鋇劑造影是讓患者服用硫酸鋇作為造影劑，用X 射線照射來顯示組織有無病變的方法。其優(yōu)點(diǎn)是無創(chuàng)傷、無副作用，缺點(diǎn)是清晰度差，很多胃部病變無法識別，必須借助胃鏡。胃鏡檢查是利用直徑為1 cm 左右的細(xì)長軟管，經(jīng)人體自然腔道進(jìn)入胃、食管和十二指腸，必要時(shí)可由活檢口伸入器械進(jìn)行活體組織取樣[2]，其檢測的精準(zhǔn)性是其他手段所不能匹及的。除此之外，胃鏡檢查還有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)[3]。

血液循環(huán)與人體各組織的運(yùn)行狀況都有密切的關(guān)系，血流是人體一個(gè)重要的生理參數(shù)，癌癥和腫瘤的發(fā)生都可反映在血流信息中。目前已有研究表明胃部疾病與胃黏膜血流量有著很大的相關(guān)性。田傳紅[4]研究了胃潰瘍和胃黏膜血流量之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)胃潰瘍在病理上的表現(xiàn)就是胃黏膜血流量減少，因此檢測胃部血流量也是診斷胃部疾病的手段之一。尹婭菲[5]使用共聚焦內(nèi)鏡觀察慢性萎縮性胃炎胃黏膜微循環(huán)的血液動力學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)慢性萎縮性胃炎伴腸上皮化生胃黏膜血流量較非萎縮性胃炎明顯降低。綜上所述，將血流檢測應(yīng)用于胃鏡檢查具有重要意義。

目前，臨床上使用的胃鏡主要有電子胃鏡和超聲內(nèi)鏡，二者的功能是獲取病灶清晰的結(jié)構(gòu)信息。超聲內(nèi)鏡可以獲取血流信息，但是由于其分辨力不高，無法分辨出血管。因此，臨床胃部疾病檢查很需要可以結(jié)合結(jié)構(gòu)信息和血流信息的微型胃鏡。

本研究設(shè)計(jì)了一種基于光纖胃鏡的血流成像系統(tǒng)，其中血流成像采用激光散斑成像技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無損傷、無需造影劑、無副作用[6]。本系統(tǒng)可將結(jié)構(gòu)信息與血流信息檢測相結(jié)合，在保證組織結(jié)構(gòu)足夠清晰的情況下，可以較為清晰地觀察到組織不同部位的相對血流速度，對于胃部疾病的診斷具有重要意義。

1 激光散斑技術(shù)原理

1.1 激光散斑成像算法

當(dāng)一個(gè)粗糙面被一束相干光照射時(shí)，由于散射光的光程不同，它們之間產(chǎn)生相互干涉，從而形成明暗不同的顆粒狀圖像，稱為散斑[7]。當(dāng)散射粒子靜止時(shí)，從靜止物體表面散射回來的光形成的散斑也呈靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)散射粒子運(yùn)動時(shí)，散斑圖像也是運(yùn)動的，此時(shí)散斑粒子中包含了散射粒子的運(yùn)動信息。人體血液始終處于運(yùn)動的狀態(tài)，經(jīng)激光照射之后可以形成明暗交錯的光斑，通過光斑即可計(jì)算相對血流速度[8-9]。目前，激光散斑在臨床上主要應(yīng)用于皮膚和視網(wǎng)膜疾病[10]。

1.2 激光散斑襯比成像測血流速度

為了將激光散斑與血流速度結(jié)合起來，引入襯比值這一概念，即光強(qiáng)波動與光強(qiáng)平均值的比值[11]：

式中，σi為光強(qiáng)波動值；I 為光強(qiáng)；K 為襯比值，K 為 1時(shí)，散射粒子是靜止的，K 越小，散射粒子運(yùn)動越快，即血流速度越快。

根據(jù)圖像傳感器的原理，假設(shè)在任意時(shí)刻t 探測到的光強(qiáng)為It，那么在T 時(shí)間段的光強(qiáng)平均值為

則光強(qiáng)的自相關(guān)函數(shù)為

電場的自相關(guān)函數(shù)為

式中，E 為某一時(shí)刻的電勢大小。

二者之間的關(guān)系為

式中，β 為一個(gè)系統(tǒng)因子，與散斑大小、光源相干性等參數(shù)相關(guān)，且恒有β≥1。在分析血流速度時(shí)，β 一般認(rèn)定為常數(shù)1。

襯比值K 和電場自相關(guān)函數(shù)滿足以下關(guān)系：

根據(jù)洛倫茲流速分布的定理，可以得到

結(jié)合公式（8）和公式（9），可得到公式（10）：

式中，x 為與曝光時(shí)間T 以及電場去相關(guān)時(shí)間τc相關(guān)的一個(gè)參數(shù)，可表示為

電場去相關(guān)時(shí)間τc與血流速度成反比，因此得到K 值即可求出x，再求出τc，繼而可以求出血流速度的相對值[12]。

2 基于光纖胃鏡的血流成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)框圖及各部分示意圖如圖1 所示。如圖1（a）所示，整個(gè)系統(tǒng)由激光器、光纖胃鏡、鹵素光源、光纖準(zhǔn)直器、CCD 相機(jī)、計(jì)算機(jī)等組成。其中激光器采用Thorlab 公司生產(chǎn)的HNL150L-EC 系列He-Ne 激光器，波長為632.8 nm，功率為20 mW，穩(wěn)定性好、波段窄、價(jià)格便宜；光纖準(zhǔn)直器采用聞奕光電74UV 光纖準(zhǔn)直器，采用SMA905 接頭，鏡片直徑為5 mm、焦距為10 mm；光纖胃鏡是南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室定制的胃鏡，內(nèi)含15 000 根傳像光纖，前端軟管長度為 1 000～1 050 mm、直徑為 13～14 mm，還含有4 根傳光光纖，分布在探頭的四周，使得打光均勻；CCD 相機(jī)采用PointGrey 公司的USB 3.0 工業(yè)相機(jī)，傳輸帶寬最高可達(dá)5.0 Gibit/s，傳輸速率快。

激光器發(fā)出激光，照射到光纖準(zhǔn)直器的光口上，光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，其具有調(diào)節(jié)高度的旋鈕。光纖準(zhǔn)直器另一端通過SMA 接口與胃鏡的光纖束連接，這樣光就被耦合進(jìn)光纖胃鏡，光纖胃鏡的結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示，其中調(diào)焦旋鈕可以進(jìn)行調(diào)焦。激光耦合進(jìn)光纖胃鏡后通過光纖胃鏡中的傳光光纖照射到待測組織中，激光經(jīng)過組織吸收后得到的反射光被傳像光纖所收集。光纖胃鏡與CCD 相機(jī)之間通過卡口相連接。CCD 相機(jī)是圖像傳感器，能將像素點(diǎn)的光信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。鹵素光源的作用是對組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行照射，呈一個(gè)結(jié)構(gòu)像，為激光散斑成像提供先驗(yàn)信息，與激光散斑圖像對照確定血管位置。

運(yùn)用索雷博1951 USAF 分辨力測試靶對光纖胃鏡的分辨力進(jìn)行測量，結(jié)果為分辨力為8 lp/mm，如圖2 所示。電子胃鏡的分辨力要求不低于7.87 lp/mm，因此，本系統(tǒng)中光纖胃鏡的分辨力完全符合臨床需要。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)采用基于LabVIEW和 MATLAB 的激光散斑連續(xù)設(shè)置軟件，其特點(diǎn)包括：可進(jìn)行實(shí)時(shí)成像；可進(jìn)行圖像的連續(xù)采集；方便進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；只需點(diǎn)擊圖像處理開關(guān)即可獲取偽彩圖像，方便觀察采集效果。

圖3 為激光散斑連續(xù)設(shè)置軟件的部分界面。打開軟件之后，點(diǎn)擊左上角的運(yùn)行按鈕便可以進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。在每張圖片拍攝之前要選擇保存路徑。拍攝激光散斑圖像時(shí)，調(diào)節(jié)曝光時(shí)間、增益以及曝光補(bǔ)償模式設(shè)置，可使獲得的激光散斑圖像更清晰。選擇每次要保存的圖片數(shù)量，點(diǎn)擊“保存”按鈕即可完成激光散斑圖像拍攝。若想看拍攝效果，打開圖像處理開關(guān)就可以得到激光散斑偽彩圖，通過偽彩圖可以更好地觀察血流速度的變化情況。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

圖3 激光散斑連續(xù)設(shè)置軟件部分界面

本實(shí)驗(yàn)采用的所有小鼠依照動物保健機(jī)構(gòu)的指導(dǎo)程序、遵守南京航空航天大學(xué)委員會批準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)采用小鼠的耳部作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，原因是人體毛細(xì)血管的直徑約為9 μm，而小鼠耳部微動脈的直徑不超過7 μm，微靜脈的直徑在13 μm 左右，微毛細(xì)血管的直徑不超過4 μm，與人體毛細(xì)血管的直徑較為接近，且運(yùn)用小鼠耳部作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)使得操作更加簡便。

3.2 仿體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證基于光纖胃鏡的血流成像系統(tǒng)在測量血流速度方面的有效性，本研究加入了毛細(xì)管驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如圖4 所示。采用新鮮兔血作為研究對象，原因是激光散斑的強(qiáng)弱與血流速度有關(guān)，使用助推泵控制血流速度，即可得到不同血流速度下的激光散斑圖像，因此運(yùn)用小鼠血液和兔血并無太大差異，且兔血便于獲得。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑橥ㄟ^模擬不同血液流速下的激光散斑圖像測得系統(tǒng)分辨力。采用針管抽取新鮮兔血2 mL（針頭的直徑為900 μm），將相同直徑的透明毛細(xì)管套在針頭上并固定，將針管安裝在助推泵上，通過助推泵可以設(shè)置針管的助推速度。

3.3 在體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖4 毛細(xì)管實(shí)驗(yàn)硬件示意圖

圖5 實(shí)驗(yàn)流程圖

選取體質(zhì)量為22 g左右的雌性小鼠作為實(shí)驗(yàn)對象。給小鼠注射過量亞硝酸鈉溶液，亞硝酸鹽中毒可引起缺氧性心肌壞死。通過采集不同時(shí)間小鼠耳部的激光散斑圖像觀察血流速度變化情況，具體實(shí)驗(yàn)流程如圖5 所示。首先準(zhǔn)備手術(shù)器材及試劑，對小鼠進(jìn)行氣麻，待小鼠昏迷后取出稱重，按照一定劑量注射水合氯醛，結(jié)束氣麻，將小鼠放在籠子里麻醉5 min 后取出，將小鼠的耳部固定在透明玻璃板上再進(jìn)行儀器的連接。將光纖胃鏡的探頭固定在腦立體定位儀的垂直支架上，根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，光纖胃鏡探頭端面與小鼠耳部的距離大約為5 mm。打開LabVIEW 軟件，打開鹵素光源、關(guān)閉激光光源，調(diào)整探頭左右前后位置，用光纖胃鏡自帶的調(diào)焦旋鈕進(jìn)行調(diào)焦，待圖像清晰后拍攝3 張白光圖像以供識別激光散斑圖像中的血管。關(guān)閉鹵素光源，不動其他設(shè)備，打開激光器，待激光穩(wěn)定后重新調(diào)焦（白光和激光的焦點(diǎn)位置不同，調(diào)整CCD 相機(jī)的曝光時(shí)間和增益使激光散斑圖像達(dá)到最清晰狀態(tài)），拍攝激光散斑圖像30 張。按照800 mg/kg 的劑量為小鼠注射亞硝酸鈉溶液，在注射后3、6、9、12、15 min 分別采集激光散斑圖像30 張。整個(gè)拍攝過程中保持系統(tǒng)不動。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1.1 仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 為不同兔血血流速度的激光散斑圖像，所獲得的激光散斑圖像是通過時(shí)空聯(lián)合襯比算法獲得的，可得到每一個(gè)像素點(diǎn)的K 值。由于K 越小，血流速度越大，因此對K 取相反值，可讓圖像更加美觀。由圖6 可知，血流速度越快，激光散斑圖像的亮度越大。

圖6 不同血流速度下的激光散斑圖像

4.1.2 在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注射了過量亞硝酸鈉溶液的小鼠在10 min 內(nèi)死亡。圖7（a）為小鼠耳部結(jié)構(gòu)圖，（b）為光纖胃鏡下小鼠耳部的白光圖像。由圖7 可知，本系統(tǒng)可以獲取直徑為5 mm 的圓形區(qū)域的結(jié)構(gòu)信息和血流信息。圖8 為小鼠模型在0～15 min 內(nèi)的血流速度變化的激光散斑圖像?？梢钥闯?，在注射亞硝酸鈉溶液后3 min 就可以看到圖像血管部分的亮度變暗；6 min時(shí)變化最大，血流速度急劇下降；12 min 時(shí)血管部分變得很暗，說明血流基本停止。

圖7 注射過量亞硝酸鈉溶液的小鼠耳部圖像

圖8 過量亞硝酸鈉致小鼠死亡模型在不同時(shí)間點(diǎn)的激光散斑圖像

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.2.1 仿體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

隨著血流速度的增加，K 值逐漸減?。ㄈ鐖D9所示），說明血流速度在逐漸變快，并且大約每隔0.3 mm/s K 值會發(fā)生較為明顯的下降，因此本系統(tǒng)可識別0.3 mm/s 的血流速度變化。

圖9 仿體實(shí)驗(yàn)K 值隨血流速度變化曲線

4.2.2 在體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取激光散斑圖像的某一感興趣區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域的平均K 值，再通過K 值計(jì)算歸一化的區(qū)域血流量rBF。圖10 為過量亞硝酸鈉致小鼠死亡模型血流速度隨時(shí)間的變化曲線，可見血流速度是逐漸下降的。

圖10 過量亞硝酸鈉致小鼠死亡模型血流速度隨時(shí)間變化曲線

5 討論

胃部疾病是人體常見疾病，目前臨床最可靠的檢查方法為胃鏡診斷。胃鏡主要是通過獲取組織的結(jié)構(gòu)信息來診斷病灶，而現(xiàn)有研究表明胃部疾病通常伴隨著血流速度的改變[4-5]，因此將血流速度檢測功能加入到現(xiàn)有胃鏡檢查中具有重要意義。

本文將激光散斑血流測量技術(shù)應(yīng)用于胃鏡檢查中，搭建了基于光纖胃鏡的血流成像系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，拍攝過量亞硝酸鈉致小鼠死亡過程中小鼠耳部的激光散斑圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小鼠在注射亞硝酸鈉溶液后3 min 因血流速度變慢圖像中血管部分開始變暗；6 min 時(shí)亮度變暗最多，血流速度急劇下降；12 min 時(shí)血管部分變得很暗，說明血流基本停止。在此過程中K 值逐漸減小，這符合小鼠死亡過程的血流變化特點(diǎn)。為了驗(yàn)證光纖胃鏡在血流速度檢測方面的有效性，本文進(jìn)行了毛細(xì)管驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)血流速度越快，激光散斑圖像的亮度越大，在此過程中K 值逐漸減小，并且血流速度變化0.3 mm/s 時(shí)，K 值發(fā)生較大變化，激光散斑圖像的血管亮度變化較明顯，因此本系統(tǒng)能分辨的最小的血流速度變化為0.3 mm/s。

本系統(tǒng)將激光散斑血流檢測技術(shù)與胃鏡檢測技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了組織結(jié)構(gòu)信息與血流信息的同步監(jiān)測，為今后胃部疾病的診斷與治療提供了新的依據(jù)。在分辨力方面，相較于傳統(tǒng)胃鏡，本研究所采用的胃鏡并沒有特別的優(yōu)勢，因此下一步將會提高胃鏡分辨力。同時(shí)，經(jīng)查閱文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn)，血氧飽和度檢測也可作為胃部疾病診斷的依據(jù)，因此接下來的研究會將血氧成像與胃鏡相結(jié)合。