散斑血流成像专题（18）丨激光散斑成像监测胃镜血流成像

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一种基于光纤胃镜的血流成像系统，其中血流成像采用激光散斑成像技术，该技术的优点是无损伤、无需造影剂、无副作用。本系统可将结构信息与血流信息检测相结合，在保证组织结构足够清晰的情况下，可以较为清晰地观察到组织不同部位的相对血流速度，对于胃部疾病的诊断具有重要意义。将激光散斑血流检测技术与胃镜检测技术相结合，实现了组织结构信息与血流信息的同步监测。

激光器发出激光，照射到光纤准直器的光口上，光纤准直器另一端通过SMA接口与胃镜的光纤束连接，这样光就被耦合进光纤胃镜，其中调焦旋钮可以进行调焦。激光耦合进光纤胃镜后通过光纤胃镜中的传光光纤照射到待测组织中，激光经过组织吸收后得到的反射光被传像光纤所收集。光纤胃镜与CCD相机之间通过卡口相连接。CCD相机是图像传感器，能将像素点的光信号转化成数字信号，数字信号通过数据线传输到计算机。卤素光源的作用是对组织结构进行照射，呈一个结构像，为激光散斑成像提供先验信息，与激光散斑图像对照确定血管位置。

采用小鼠的耳部作为实验模型，原因是人体毛细血管的直径约为9μm，而小鼠耳部微动脉的直径不超过7μm，微静脉的直径在13μm左右，微毛细血管的直径不超过4μm，与人体毛细血管的直径较为接近，且运用小鼠耳部作为实验目标使得操作更加简便。

仿体实验设计

为了验证基于光纤胃镜的血流成像系统在测量血流速度方面的有效性，采用新鲜兔血作为研究对象，原因是激光散斑的强弱与血流速度有关，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图像，因此运用小鼠血液和兔血并无太大差异，且兔血便于获得。实验目的为通过模拟不同血液流速下的激光散斑图像测得系统分辨力。采用针管抽取新鲜兔血2mL（针头的直径为900μm），将相同直径的透明毛细管套在针头上并固定，将针管安装在助推泵上，通过助推泵可以设置针管的助推速度。

选取体质量为22g左右的雌性小鼠作为实验对象。给小鼠注射过量亚硝酸钠溶液，亚硝酸盐中毒可引起缺氧性心肌坏死。通过采集不同时间小鼠耳部的激光散斑图像观察血流速度变化情况。首先准备手术器材及试剂，对小鼠进行气麻，待小鼠昏迷后取出称重，按照一定剂量注射水合氯醛，结束气麻，将小鼠放在笼子里麻醉5min后取出，将小鼠的耳部固定在透明玻璃板上再进行仪器的连接。将光纤胃镜的探头固定在脑立体定位仪的垂直支架上，根据以往实验经验，光纤胃镜探头端面与小鼠耳部的距离大约为5mm。打开LabVIEW软件，打开卤素光源、关闭激光光源，调整探头左右前后位置，用光纤胃镜自带的调焦旋钮进行调焦，待图像清晰后拍摄3张白光图像以供识别激光散斑图像中的血管。关闭卤素光源，不动其他设备，打开激光器，待激光稳定后重新调焦（白光和激光的焦点位置不同，调整CCD相机的曝光时间和增益使激光散斑图像达到最清晰状态），拍摄激光散斑图像30张。按照800mg/kg的剂量为小鼠注射亚硝酸钠溶液，在注射后3、6、9、12、15min分别采集激光散斑图像30张。整个拍摄过程中保持系统不动。

实验结果与分析：

下图为不同兔血血流速度的激光散斑图像，所获得的激光散斑图像是通过时空联合衬比算法获得的，可得到每一个像素点的K值。由于K越小，血流速度越大，因此对K取相反值，可让图像更加美观。血流速度越快，激光散斑图像的亮度越大。

不同血流速度下的激光散斑图像

注射了过量亚硝酸钠溶液的小鼠在10min内死亡。下图为小鼠模型在0~15min内的血流速度变化的激光散斑图像。可以看出，在注射亚硝酸钠溶液后3min就可以看到图像血管部分的亮度变暗；6min时变化最大，血流速度急剧下降；12min时血管部分变得很暗，说明血流基本停止。

过量亚硝酸钠致小鼠死亡模型在不同时间点的激光散斑图像

将激光散斑血流测量技术应用于胃镜检查中，拍摄过量亚硝酸钠致小鼠死亡过程中小鼠耳部的激光散斑图像。小鼠在注射亚硝酸钠溶液后3min因血流速度变慢图像中血管部分开始变暗；6min时亮度变暗最多，血流速度急剧下降；12min时血管部分变得很暗，说明血流基本停止。在此过程中K值逐渐减小，这符合小鼠死亡过程的血流变化特点。为了验证光纤胃镜在血流速度检测方面的有效性，本文进行了毛细管验证实验，发现血流速度越快，激光散斑图像的亮度越大，在此过程中K值逐渐减小，并且血流速度变化0.3mm/s时，K值发生较大变化，激光散斑图像的血管亮度变化较明显，因此本系统能分辨的最小的血流速度变化为0.3mm/s。

参考文献：

• 张欢,王康,李韪韬,等.基于光纤胃镜的血流成像系统设计[J].医疗卫生装备,2020,41(10):13-17.

• 基于激光散斑和光谱的小鼠血流血氧监测系统研制[J]. 赵月梅;薛彦柏;张言;李韪韬;钱志余.中国医疗器械杂志,2019(01)

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