激光散斑血流成像新突破：透-反射結(jié)合精準(zhǔn)評(píng)估血流功能

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，準(zhǔn)確觀察和評(píng)估血管內(nèi)的血流情況對(duì)疾病診斷與治療意義重大。激光散斑血流成像（LSCI）作為一種常用的光學(xué)成像技術(shù)，能在一定程度上實(shí)現(xiàn)血管血流可視化。但傳統(tǒng)LSCI技術(shù)在面對(duì)復(fù)雜生物組織時(shí)存在諸多局限，難以滿(mǎn)足臨床和科研對(duì)高精度血流監(jiān)測(cè)的需求。近期一項(xiàng)發(fā)表于《Frontiers of Optoelectronics》的研究帶來(lái)了新突破，通過(guò)將主成分分析（PCA）與激光散斑血流成像（LSCI）、激光散斑熵成像（LASEI）相結(jié)合，為血管成像開(kāi)辟了新方向。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
激光散斑成像（LSI）是一類(lèi)基于散斑圖案分析的光學(xué)方法。在LSI眾多方法中，激光散斑血流成像（LSCI）應(yīng)用最為廣泛，通過(guò)評(píng)估散斑對(duì)比度來(lái)量化散斑的變化程度，進(jìn)而反映觀察過(guò)程的速度。然而，該技術(shù)存在明顯不足。生物組織中，血管上方的靜態(tài)散射層（如表皮、顱骨等）會(huì)嚴(yán)重影響血管散斑信號(hào)。這不僅降低了LSCI圖像的對(duì)比度和分辨率，甚至可能導(dǎo)致血流檢測(cè)困難。而且，當(dāng)對(duì)生物組織應(yīng)用光學(xué)透明方法等改變靜態(tài)散射層光學(xué)屬性時(shí)，記錄的散斑圖案也會(huì)改變，這使得從散斑圖案變化中準(zhǔn)確分離出血流引起的變化變得極為困難。傳統(tǒng)應(yīng)對(duì)方法如光學(xué)透明處理或手術(shù)干預(yù)（組織切除、顱骨變薄、鉆孔等），雖能在一定程度上減少靜態(tài)散射層的影響，但效果有限，且僅對(duì)淺表血管有較好的分辨率和對(duì)比度，無(wú)法滿(mǎn)足臨床對(duì)深部血管成像的需求。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
主成分分析（PCA）技術(shù)原理
主成分分析（PCA）是一種在多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)，主要用于數(shù)據(jù)降維和提取關(guān)鍵成分。在激光散斑成像中，PCA濾波的原理是基于相機(jī)記錄的一系列散斑圖像（RSI）。這些圖像在時(shí)間軸上可看作由靜態(tài)組織的低空間頻率信號(hào)、移動(dòng)散射體的高波動(dòng)信號(hào)以及隨機(jī)白噪聲組成。通過(guò)PCA計(jì)算，可得到互不相關(guān)的主成分。利用這些成分，能對(duì)原始散斑信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)或近似，從而分離出靜態(tài)和動(dòng)態(tài)部分，達(dá)到去除靜態(tài)散射背景干擾、突出動(dòng)態(tài)血流信號(hào)的目的。

激光散斑熵成像（LASEI）原理
激光散斑熵成像（LASEI）是另一種評(píng)估散斑變化的方法，它利用熵分析來(lái)描述散斑的可變性。熵是衡量圖像模糊程度的特征量，在LASEI中，通過(guò)計(jì)算相機(jī)矩陣中單個(gè)像素在連續(xù)幀中的強(qiáng)度值來(lái)確定熵值。研究表明，熵值與流體流速呈線性關(guān)系，用于評(píng)估血流情況。

多種技術(shù)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)
研究將PCA與激光散斑血流成像、激光散斑熵成像（LASEI）相結(jié)合，并在反射檢測(cè)（RD）和透射檢測(cè)（TrD）兩種模式下進(jìn)行研究。這種結(jié)合能有效分離激光散射光中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)成分，顯著提高了深部血管成像的質(zhì)量。通過(guò)去除靜態(tài)散射體的影響，該方法增強(qiáng)了對(duì)血流速度的敏感性，同時(shí)降低了對(duì)血管深度的依賴(lài)性，為準(zhǔn)確評(píng)估血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)提供了更可靠的技術(shù)手段。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)材料與方法
光學(xué)模型制備：研究人員以環(huán)氧樹(shù)脂為基礎(chǔ)制作光學(xué)模型，用內(nèi)徑600μm、外徑1000μm的玻璃毛細(xì)管模擬血管，以20°角嵌入模型，通過(guò)調(diào)整角度模擬不同血管深度。

激光散斑光學(xué)系統(tǒng)搭建：實(shí)驗(yàn)采用波長(zhǎng)632.8nm、功率20mW的單模氦氖激光器作為相干光源，經(jīng)擴(kuò)束器均勻照亮約1.5cm直徑區(qū)域。使用單色CMOS相機(jī)并配備顯微物鏡記錄散斑圖像。

實(shí)驗(yàn)分組與參數(shù)計(jì)算：實(shí)驗(yàn)分為原始信號(hào)組（包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)成分）、靜態(tài)成分組（經(jīng)PCA提取的靜態(tài)部分）和動(dòng)態(tài)成分組（原始信號(hào)減去靜態(tài)成分）。計(jì)算不同模式下（TrD和RD）各圖像組的散斑對(duì)比度和熵值，分析不同成像方法對(duì)血管深度和血流速度變化的敏感性。

對(duì)血流速度的敏感性：分析不同線性流體速度下的成像結(jié)果可知，PCA濾波后LSCI技術(shù)在背景區(qū)域的值均隨流速增加而降低，這種現(xiàn)象與經(jīng)典預(yù)期不符，可能與輻射與移動(dòng)粒子相互作用時(shí)的相位變化以及多次散射有關(guān)。

通過(guò)計(jì)算Pearson線性相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，原始信號(hào)中，LSCI技術(shù)對(duì)淺部血管（0.63和0.96mm）的血流速度敏感性較高，但隨血管深度增加，敏感性降低。而應(yīng)用PCA濾波后，部分方法在所有深度的相關(guān)性均提高，對(duì)血流速度的敏感性增強(qiáng)；但TrD-LASEI和RD-LASEI方法在濾波后相關(guān)性下降，尤其在較大深度時(shí)更為明顯。

對(duì)血管深度的敏感性：研究不同血管深度對(duì)LSCI結(jié)果的影響表明，原始信號(hào)中，LSCI技術(shù)對(duì)玻璃毛細(xì)管深度均有較高敏感性。應(yīng)用PCA濾波后LSCI的偏差顯著降低，如t-LSCI方法在TrD和RD模式下對(duì)血管深度的敏感性最低，說(shuō)明提取動(dòng)態(tài)成分后，這些方法的可靠性得到提高。

體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在對(duì)實(shí)驗(yàn)室小鼠耳朵進(jìn)行的體內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)散斑圖像雖能顯示血管，但存在噪聲和偽影；提取動(dòng)態(tài)成分后，圖像更清晰，血管在均勻背景下更易分辨，背景噪聲和偽影明顯減少。這表明PCA濾波結(jié)合LSCI技術(shù)可有效提高體內(nèi)血管結(jié)構(gòu)的可視化效果，且TrD模式圖像比RD模式更清晰、對(duì)比度更高。

總結(jié)與展望
將激光散斑血流成像、散斑熵成像與PCA濾波相結(jié)合，有效克服了LSCI技術(shù)的局限。通過(guò)分離散斑信號(hào)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)成分，提高了血管成像的對(duì)比度與清晰度，降低了對(duì)血管深度的依賴(lài)，增強(qiáng)了對(duì)血流速度的敏感性。在光學(xué)模型實(shí)驗(yàn)和小鼠耳朵體內(nèi)研究中，該方法顯著改善了圖像質(zhì)量，為準(zhǔn)確評(píng)估血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)提供了可靠技術(shù)手段。不過(guò)，該技術(shù)仍有優(yōu)化和拓展空間。未來(lái)可進(jìn)一步改進(jìn)PCA濾波算法，探索更適配的參數(shù)設(shè)置，結(jié)合其他成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像，擴(kuò)大樣本量研究個(gè)體差異，從而推動(dòng)該技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床，為疾病診斷和治療提供有力支持。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來(lái)源于：Surkov Y, Timoshina P, Serebryakova I, Stavtcev D, Kozlov I, Piavchenko G, Meglinski I, Konovalov A, Telyshev D, Kuznetcov S, Genina E, Tuchin V. Laser speckle contrast imaging with principal component and entropy analysis: a novel approach for depth-independent blood flow assessment. Front Optoelectron. 2025 Jan 3;18(1):1. doi: 10.1007/s12200-024-00143-1.