适用于弯曲受限空间血流成像的激光散斑对比度成像技术的研究

Laser speckle contrast imaging (LSCI) is a fast, non-invasive and real-time imaging technique for monitoring blood circulation. But due to the penetration depth of light, its application has been limited to open space measurement. Although Endoscopic LSCI based on leached fiber image bundle has the potential for monitoring the blood circulation in constrained cavity, the realization of this function is hindered by the low temporal-special resolution, the influence from the unavoidable fiber bundle bending and from the breath-induced periodic movement of the testing area. This project analyzes the statistical properties of contrast noise and the modulation of multimode fiber on speckle patterns, based on which a new method for contrast image calculation and enhancement is presented to improve the temporal-special resolution of endoscopic LSCI. This project also investigates the impact of the bending of the fiber bundle and the movement of the area of interest on contrast calculation so that the contrast bias can be compensated. By applying this system to oral cancer test, the feasibility of differentiating the pathological areas at its early stage from the healthy areas is analyzed. This project provides a non-invasive imaging technique of high temporal-spatial resolution for monitor blood circulation in constrained cavity.

激光散斑成像技术(LSCI)为血液循环的监测提供了快速、无创、实时的成像手段，但是由于受到光的穿透深度的限制而只能用于表面组织。虽然结合Leached成像光纤束的内窥镜式LSCI具有了对内脏器官血液循环监测的可能性，但是因其低时、空分辨率以及由于光纤束的弯曲对散斑场的调制和被测组织随呼吸产生的周期性运动，使得柔性内窥镜式LSCI不能被真正用于体内的受限空间，如食道、结肠等。本项目基于分析对比度图像噪声的统计学特点和多模光纤对散斑模式及散斑对比度的调制作用，提出一种新型的散斑对比度图像的计算和增强方法，可提高基于光纤束传导的散斑对比度图像的时间、空间分辨率；结合非相干光照明和对光纤弯曲引起的散斑变化的研究，提出了增强系统运动鲁棒性的补偿方法；并通过检测早期口腔癌的散斑对比度特性及分析其与健康组织间的差异进行技术验证。该项目可为人体内器官的血液循环提供具有高时间、空间分辨率的无创成像检测技术。

激光散斑成像技术(LSCI)为血液循环的监测提供了快速、无创、实时的成像手段，但是光的穿透深度限制其只能用于表面组织；结合Leached成像光纤束的内窥镜式LSCI因单纤芯单项素，空分辨率受限。此外对小血管及微小血流速度的探测通常以来常曝光时间也限制了系统的时间分辨和对微小流速变化的探测能力。因此本项目搭建了Leached成像光纤束的内窥镜式LSCI系统；开展了提高散斑对比度血液流速分布成像的时间分比率、流速分辨率、提高光纤传导的系统空间分辨率的研究。项目基于分析对比度图像噪声的统计学特点，利用Anisotropic　diffusion 滤波器对散斑对比度图像的增强进行了研究，使信噪比提高了3倍，并提高了对比度图对微小流速变化的显示能力。由于不再依靠常曝光时间和多帧散斑图像计算对比度来降低噪声和捕获微小流速，将普通需要十几帧散斑图降至3帧，时间分辨率提高了倍3多；项目提出了一种新的激光散斑图像处理方法，利用加零时间自相关系数计算，提高了散斑血管成像对毛细血管的成像能力；本研究对光纤传导散斑场的成像系统进行了研究，实现了利用单根少模光纤及其出射散斑强度图像进行图像重构，为系统不再受单光纤心单像素的限制，提高了空间分辨率；此外，本项目还对透过散射介质进行图像重构进行了研究，实现了对运动物体的快速、实时的透过散射介质成像。最后本项目将Leached成像光纤束的内窥镜式LSCI系统进行了口腔粘膜血管成像的检测中。