基于自适应窗口空间方向衬比方法的血管成像方法研究

血管可视化在血管疾病、慢性病发展机制研究及诊断治疗中均发挥着重要的作用，激光散斑成像技术被广泛于血管可视化和血流监测中，而血管成像中存在着各种噪声会降低血管成像质量。

为提高深层血管成像质量，天津工业大学张博团队通过设计在体实验，对现有的四种空间域衬比方法的血管成像能力及检测血流相对流速的可行性进行探究，并引入对比噪声比对血管可视化能力量化评估。

研究结果表明，自适应窗口空间方向衬比方法成像能力优于其他三种空间域衬比方法（空间衬比方法，空间方向衬比方法，自适应窗口衬比方法）。在体实验中自适应窗口空间方向衬比方法仍能保持高质量高分辨率的血流测绘能力，可保留更多微小血管结构信息和功能信息，获得更为全面的血流分布图，在深部组织的血流监测方面具有一定优势。

在医学领域，血流微循环监测对于多种疾病的诊断、治疗效果评估以及对生理病理机制的理解具有关键意义。它能够提供关于组织和器官微循环系统功能状态的重要信息，因为许多疾病的发生与发展往往伴随着血管形态、功能或代谢的改变。血管可视化技术成为研究血流速度、血管系统形态学以及监测疾病进展的重要手段。

传统的血管成像技术，如光学相干断层成像、多普勒血流成像、血管造影等，虽然在各自领域发挥作用，但均存在局限性。光学相干断层成像可能存在成像深度有限等问题；多普勒血流成像在某些情况下分辨率不够理想；血管造影则需要使用造影剂，不仅增加了操作复杂性和成本，还可能对患者造成一定风险，并且成像结果不够直观。

激光散斑成像（LSCI）技术以其实时、无需扫描、非侵入性和高时空分辨率的宽视场成像特点，在生物医学领域展现出广阔的应用前景。其中，反射式激光散斑成像（R-LSCI）系统应用广泛，但它在探测深层血管信息时面临挑战。由于生物组织的高散射特性，当探测深度超过300μm时，上层皮肤组织形成的静态散斑会掩盖深层血管的动态散斑信号，导致分辨率降低，噪声增加，成像质量明显下降。

尽管有“开颅窗”或“透明窗”等方法可提高成像深度，但这些方法不适用于无创实验，对人体有伤害。因此，迫切需要一种既能提高成像深度，又能保证时间或空间分辨率的算法，这也凸显了本研究中自适应窗口空间方向衬比（awsdK）方法的重要性和潜在价值。

一、理论基础

1、原始散斑图案与区域划分

当散射相干光在给定曝光时间下进行随机相干叠加时，会形成积分光强分布图案，即原始散斑图案。该图案可分为动态区域（对应血管）和静态区域（对应背景组织）。生物组织内运动粒子的散射会使散斑图案模糊，且运动粒子速度越快，在积分时间内散斑图案越模糊。

2、散斑衬比值K的定义与意义

散斑衬比值K定义为空间或时间分析窗口内光强的标准方差σ与平均值<I>的比值（K=σ/<I>），其取值范围在[0,1]之间。当K趋近于0时，表明该区域光强标准方差小，运动粒子运动速度快，属于动态区域（如血管）；当K趋近于1时，区域光强标准方差大，运动粒子无运动，属于静态区域（如背景组织）。由于血管区域光强值相对接近，其标准方差小于背景组织，衬比值更低。

3、衬比值K与相对血流指数BFI的关系

散斑图案模糊程度的波动能反映血流流速变化，通过计算衬比值K可得到相对血流指数BFI（BFI=1/K²），BFI可用于观察血流趋势的相对变化，从而实现对血流速度及血管系统形态学的研究。

二、衬比值计算方法

1、空间衬比方法（sK）

使用N×N（通常N=3,5,7,9）的分析滑动窗口，根据像素点 (i,j)其空间邻域的值来计算空间衬比值K。具体公式为，其中表示空间分析窗口内光强的标准方差，表示空间分析窗口内光强的平均值，表示空间窗长度，表示分析窗口内像素点处的光强值。空间滑动窗口顺着水平和竖直方向移动遍历整个原始散斑图像，即可得到空间衬比图像。

2、空间方向衬比方法（sdK）

在空间衬比方法的基础上进行改进，设置方差准则，其中d是分析窗口内选定方向的索引，，对应分析窗口内的四个方向，var表示方向上对应像素点的方差，。选取K中方差最大方向的像素点计算衬比值，然后利用多帧图像平均得到处理图像。

3、自适应窗口衬比方法（awK）

考虑衬比值计算过程中噪声的影响，在空间衬比方法的基础上通过滤波和分割处理后，根据分析窗口内中心像素点与其邻域像素之间的相似程度，引入0-1变量来判断像素点是否被考虑计算衬比值，以此调整分析窗口的大小和形状。具体通过判断，其中表示空间窗长度为N，中心像素点为q，簇标签为k的卷积矩阵，表示中心像素所在簇标签，表示需要判断的相邻像素点所在簇标签，设置像素相邻点的判定标准为，将分析窗口内符合标准的相邻像素点赋值为1，然后再次进行衬比值计算。

4、自适应窗口空间方向衬比方法（awsdK）

在自适应窗口衬比方法的基础上结合空间方向衬比方法进一步改进。首先将激光散斑衬比图像划分为不同的区域，改变血管边界区域分析窗口的形状和大小，并将静态区域方差最大、动态区域方差最小、过渡区域选取方差中值设置为方差准则，即

，

，

，

其中，对应滑动窗口内的五个方向（360°指全局变量），，以此选取更适合分析区域的像素进行衬比计算。

四种空间域激光散斑衬比成像方法示意图

三、对比噪声比（CNR）

1、CNR的定义与计算

引入对比噪声比（CNR）来量化衬比图像的成像质量，其定义为血管（动态）区域与背景组织（静态）区域的平均衬比值之差与背景组织（静态）衬比值标准差的比值，公式为，其中表示对比噪声比，为血管区域的平均衬比值，为背景皮肤组织区域的平均衬比值，为背景皮肤组织区域衬比值的标准偏差，可表示图像噪声。

2、CNR与成像质量的关系

CNR与改善血管可视化中的噪声衰减和提高动静态区域间的对比度呈现高度正相关。当血管区域与背景组织区域的衬比值差异越大，图像噪声越小，CNR越大，因此CNR可有效评价awsdK方法处理后图像质量的提升效果。

反射式激光散斑成像示意图

一、光源输出模块

该模块由激光驱动器和激光二极管组成。激光器通过模块化半导体激光二极管驱动器（美国，ILlightwava，LDC-3908）控制激光二极管（美国，Photodigm，PH785DBR）输出光源，中心波长为785nm。

二、光学系统模块

包括双凸透镜（美国，Thorlabs，LB1630-B）、平凹柱面透镜（中国，Golden Way Scientific，GL16）和平面反射镜（美国，Thorlabs，ME2S-M01）。双凸透镜将发出的激光进行聚焦，平凹柱面透镜将聚焦后的激光进行扩束，最后经平面反射镜反射到待测物体上，照明区域大小设置为5cm×4cm。

三、成像采集模块

由显微物镜（日本，Nikon，S Fluor）、CMOS相机（英国，Andor，Zyla-4.2）和计算机组成。反射光经物镜被CMOS相机采集。显微物镜放大倍数为4X，数字孔径NA为0.2，工作距离为15.5mm，相机最大分辨率为2048（W）×2048（H），像素尺寸为6.5×6.5。实验中设置激光功率为20mW，曝光时间为5ms，当波长为785nm时，量子效率为62%。

一、实验动物与准备

实验选用新西兰白色、2kg的兔子，实验遵循动物人道关怀准则，并经过中国医学科学院放射医学研究所实验动物伦理委员会批准。在实验期间，使用乌拉坦（氨基甲酸乙酯）对兔子进行麻醉，且为保证皮肤完整性，不对其进行脱毛处理。

二、实验过程

皮肤血管成像实验：利用R-LSCI系统，设置图像分辨率为2048×2048，采集兔耳原始散斑图像，以观测兔耳血管分布情况。

血流流速监测实验：设置图像分辨率为300×300，相机帧率为200fps，连续拍摄6000帧，成像持续时间30秒，用于监测兔耳血流流速变化情况。

为更好地监测连续血流的相对变化，选择空间域的三种方法（sK、sdK、awK）与awsdK方法进行对比。四种方法采用的空间滑动分析窗口的大小分别设置为3×3、5×5、9×9、9×9。

一、成像质量对比

对四种空间域衬比方法（sK、awK、sdK、awsdK）处理后的衬比图像进行观察。sK图像噪声较高，成像质量较差，血管与背景组织边缘区域划分不明显。awK和sdK图像相较于sK图像降低了图像噪声，血管与背景组织的边缘区域存在一定区分度，但区分效果不明显，边缘信息及微小血管的信息被弱化。而awsdK图像相较于以上三种方法，明显增强了血管与组织背景之间的区分度，尤其在边缘区域通过分割图像等处理后分割效果较好，降低了图像噪声的同时保留了微小血管的信息，血管形态结构清晰可辨。

四种空间域衬比方法处理后的皮肤成像实验结果

二、血流流速检测能力对比

红细胞等粒子在血液中运动速度影响血管区域与背景组织之间的衬比值之差，运动越快，差值越大，越易区分血流与背景组织，但微小血管血流流速较慢，不易与背景组织区分，常导致处理后的图像丢失微小血管运动信息。根据相对血流指数公式估计血液相对流速，对比四种方法对微小血管细节的保留能力发现，awsdK方法不仅在常规血管结构成像方面具有优势，而且对于小速度血流功能信息的检测具有较强的敏感性，能够显示出更多微小血管的运动信息，绘制出更为全面的血流分布图。

三、CNR对比

对四种空间域衬比方法处理后的衬比图像选取5处相同动态区域（ROI-1~5）与固定静态区域，通过公式计算得到CNR对比图。结果显示，awsdK图像的CNR值较其他三种方法（sK、awK、sdK）处理后的衬比图像有着显著的提升，噪声衰减效果优于awK图像和sdK图像。这表明awsdK方法不仅可以获得更高质量的衬比图像，而且在保留更多的血管结构信息和功能信息的同时，可以将血管和皮肤组织划分得更为细致，进一步提高了血管可视化能力。

四、血流相对流速监测可行性验证

通过公式估计血管的部分血液相对流速变化并监测一段时间内血流相对流速变化情况。结果显示，30秒内整体血流相对流速变化趋于平稳，sK、awK、sdK和awsdK四种方法在监测血流相对速度的变化趋于一致，在监测相对速度方面没有较大差异，符合实验预期（实验体健康正常，血流速度稳定）。这验证了awsdK方法在系统的有效检测范围内可以较为准确地估计出血管内血液运动的相对流速信息。

四种空间域衬比方法处理后的流速监测实验结果

通过动物在体实验验证，awsdK方法在R-LSCI系统中的成像效果优于sK、awK、sdK方法。经awsdK方法处理后的衬比图像在实现噪声高度衰减的同时，能够显著提高血管与组织背景之间的差异度，并且可保留更多微小血管结构信息和功能信息。

在体实验中，awsdK方法仍具有高分辨率的血流测绘能力，进一步提高了血管可视化能力和血流检测敏感性，可推广至其他激光散斑成像系统，在深层血流监测方面具备明显优势。

然而，受R-LSCI检测原理影响，其探测深层血流信息能力有限，导致衬比图像成像质量提高存在一定局限性。因此，课题组将进一步研究透射式LSCI以及透反共用式LSCI成像方法，以提高该技术探测深层血流信息的准确性及提升其临床应用价值。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：张博, 李德, 郭皓宁, 王慧泉, 王璇, 韩广. 基于自适应窗口空间方向衬比方法的血管成像方法研究[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(24): 04.