基于动态生物组织电场蒙特卡洛模拟的激光散斑血流成像模型研究

Laser speckle contrast imaging of biological blood flow has attractive extensive attention in biomedical application due to its advantage of high spatio-temporal resolution, and easy to operate. However, the approximation on the scattering behavior and flow distribution adopted in its current physical model make it difficult to perform an accurate quantitative measurement of absolute blood flow velocity. To improve the accuracy of the quantitative blood flow measurement of laser speckle contrast imaging, we proposed to develop the GPU accelerated electrical field Monte-carlo simulation method to investigate the propagation of coherent light in complex dynamic biological tissue which contains blood vessels and blood flow.

激光散斑衬比成像是近年兴起的血流成像新方法，具有快速、高分辨、操作简便等优势，在生物医学领域得到越来越多的应用。然而，目前其理论模型中对生物组织散射特性及血流运动形式采用了简单的近似处理，虽在血流速度相对变化率的半定量研究中取得了较好效果，但仍不足以进行血流速度的准确定量检测。提高其血流检测准确性的关键在于更精确地描述相干光在动态变化的复杂生物组织中传输时，后向散射光的电场自相关函数特性，进而完善激光散斑空间衬比、时间衬比等统计量与血流之间的定量关系。因此，本项目拟发展基于多GPU的动态生物组织电场蒙特卡洛模拟方法，深入研究相干光在含有血流的复杂动态生物组织中的传输规律，获取生物组织结构与光学特性，血管形态尺寸及其所处位置，血流运动形式，成像系统照明与探测方式等因素对散射光电场自相关函数特性影响的规律，完善激光散斑血流成像模型，发展激光散斑血流定量检测方法，提高激光散斑成像血流检测准确性。

血流是衡量生物体机能状态的重要指标，实时、定量检测血流变化在生命科学基础研究与疾病临床诊疗以中具有重要地位。激光散斑衬比成像技术由于具备非接触、高时空分辨、操作简便等优势，在生物医学领域中得到越来越多的应用。然而，目前激光散斑理论模型中对生物组织散射特性及血液细胞运动形式采用了简单的近似处理，虽在血流速度相对变化率的半定量研究中取得了较好效果，但仍不足以进行血流速度的准确定量检测。本项目围绕提高实际生物组织激光散斑血流检测准确性与鲁棒性的目标，系统研究了模拟生物组织中血流运动的动态粒子系统计算模型、模拟相干光在动态生物组织中光传输的快速电场蒙特卡罗方法，以及相干光在复杂动态三维生物组织中传输时散射光电场的变化特性。基于这些理论与方法研究，获得了激光散斑衬比、自逆协方差等统计量与光学系统参数、组织光学特性参数、统计样本量、静态散射成份及粒子运动形式等因素之间的定量关系，提出了基于激光散斑自逆协方差成像的血流速度定量估计方法，提高血流检测的准确性和鲁棒性。在理解散斑统计量噪声特性的基础上，提出了自适应非局部三维变换域协同滤波方法和基于变换域残差学习的膨胀卷积网络，实现激光散斑血流成像的实时去噪，提高激光散斑衬比血流成像的测量精度。提出多聚焦图像融合的激光散斑血流成像景深拓展方法，显著降低实际生物医学应用中弯曲生物组织表明血流检测的估计误差。结合在活体脑血流检测中的应用需求，发展了与光学波前调制技术结合的激光散斑血流成像技术，实现了光遗传调控神经活动过程的脑血流时空特征动态成像；发展了基于梯度折射率透镜的深部脑组织微型显微镜激光散斑血流成像技术。项目研究为激光散斑血流成像技术在实际生物医学应用，特别是复杂临床诊疗场景中的应用提供了有力的支撑。