散斑血流成像专题①丨激光散斑衬比血流成像关键技术

激光散斑血流成像仪（Laser Speckle Contrast Imaging, LSCI）是一种非侵入性的成像技术，用于实时测量组织中的血流动态。它通过记录激光照射在组织表面后形成的散斑图案来评估血流变化。为了更加有效掌握血流成像仪的使用技巧和实验应用，脑声常谈特别开启了散斑血流成像专题，我们将深入浅出与大家共同探讨交流相关实验技术，感兴趣的老师可以先加入我们的技术交流群。

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激光散斑衬比血流成像（LSCI）是一种利用激光散斑强度的时空统计特性来实现活体组织血流监测的全场光学成像技术，在临床诊断和生命科学等研究领域具有重要的应用价值。

基本原理

典型的LSCI系统主要包括光源、成像模块、图像采集模块及散斑图像处理模块。采用相干激光作为光源，调节激光束的光斑尺寸，使其均匀照射感兴趣区域的散射粒子（如血红细胞）；散射光相干形成的散斑图像通过光学成像系统Microscope成像到CCD或CMOS相机上，由图像采集模块记录原始散斑图像。散斑图像强度在空间和时间上的变化包含着运动散射体的速度信息，散射体的运动速度越快，散斑图案波动得越快。通过分析散斑图样光强的时间和空间统计特性，可以对散斑颗粒（比如血红细胞）的运动速度进行评估。

LSCI实验系统示意图

目前关于LSCI关键技术及应用的研究工作几乎都是围绕着以下几个方面展开的：1）如何提高成像信噪比；2）如何校正光强分布不均匀；3）如何校正运动伪影；4）如何校正失焦模糊；5）如何消除静态散射光；6）如何校正动态散斑衬比模型；7）如何提高定量分析能力；8）如何提高成像深度。图2从高分辨率、高信噪比、高精度、大成像深度等方面对上述关键问题进行了分类并给出了对应的解决思路，图中重叠区域表示LSCI不同关键问题和技术难题之间往往相互关联、相互影响，并存在复杂的耦合关系，这也体现了LSCI关键问题解决方法与技术发展方向的多元性。

大成像深度LSCI技术

LSCI技术通常需要透过厚厚的组织皮层来获取血流信息，而近红外光的穿透能力有限，无法对深部血流清晰成像。为了提高LSCI技术的成像深度，拓展其在脑科学、临床诊断和手术辅助等领域的应用，学者们分别从照明方式、探测方式以及成像方式等方面优化LSCI的成像深度，提出了多曝光成像、线光源扫描照明的横向激光散斑血流分析方法、结构光照明方法、散斑衬比光学层析方法（SCOT）、内窥镜式LSCI、光透明颅骨窗技术、透射式成像等大成像深度LSCI技术，以提高和优化LSCI的成像深度。

新型LSCI系统及其应用

随着LSCI在信噪比、分辨率、测量精度、成像深度等关键技术方面取得新进展，一系列新型LSCI应用系统应运而生，以适应复杂多样的生物体结构和应用场景。新型LSCI应用系统主要包括便携式LSCI、内窥式LSCI、头戴式LSCI和多模态LSCI等，这些系统不仅能够使医生的操作更加便捷，还能够使LSCI在临床上的应用从体表深入体内，全覆盖术前、术中、术后三大场景，形成诊疗闭环，促进了LSCI在心脑血管疾病、脑认知与行为科学等基础研究领域的应用。

头戴式LSCI系统简介

头戴式LSCI系统在脑认知与行为科学等基础研究领域，一些行为实验往往需要捕获自由移动情况下的小鼠头部脑血流。头戴式LSCI图像采集装置将CMOS相机和微型镜头集成在一块印刷电路板（PCB）上，然后对整个模块在尺寸和重量上进行轻型化。这种微型头戴式LSCI成像装置可以对自由移动的活体进行血流成像，既满足了特定的实验场景，为研究有意识和自由运动的小动物的脑血流结构和功能提供了可能性，也避免了由麻醉剂的使用而引入的测量误差。

头戴式LSCI系统

多模态LSCI系统多模态是新型LSCI技术发展的另一个方向。有研究提出了将LSCI技术与激光扫描共聚焦显微镜相结合的血流监测方法。使用空间限制光刺激视网膜，然后用该组合成像系统监测视网膜血管的直径、血流量和血流速度，分析血管的扩张程度，进而研究视网膜的功能性充血机制。提出了双波长激光散斑血流成像与光学显微血管造影相结合的多模态成像系统。该系统能够确定血流量、血红蛋白浓度以及血液脉管系统形态学特征的相对变化，可用于监测烧伤组织的血流动力学和研究形态脉管系统的反应。采用脑电测量LSCI集成系统研究了外周电刺激对缺血性脑卒中的治疗效果。该系统集成了脑电测量（ECoG）和LSCI技术，可以同时测量神经元的活动和局部脑血流。实验采用感觉电刺激实验范式，对脑卒中大鼠模型的前肢、后肢分别施予电刺激，同时监测刺激前后大鼠的电生理和血流动力学变化。可以看出，大鼠脑皮层局部缺血情况在接受电刺激后得到改善，证明在卒中后的早期阶段给予电刺激可以起到有效的治疗作用。2018年，将LSCI与光学相干断层成像结合，监测了小鼠远端大脑中动脉闭塞（dMCAO）模型急性期的血管动态反应，进而研究了缺血性脑卒中的病理生理学。

接受电刺激前后大鼠右脑前肢体感皮层卒中区域的激光散斑血流随时间的变化情况

参考文献：

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6、How is flexible electronics advancing neuroscience research?[J]. Chen Yihang;Rommelfanger Nicholas J.;Mahdi Ali I.;Wu Xiang;Keene Scott T.;Obaid Abdulmalik;Salleo Alberto;Wang Huiliang;Hong Guosong.Biomaterials,2021

7、Real-Time Cerebral Vessel Segmentation in Laser Speckle Contrast Image Based on Unsupervised Domain Adaptation.[J]. Chen Heping;Shi Yan;Bo Bin;Zhao Denghui;Miao Peng;Tong Shanbao;Wang Chunliang.Frontiers in neuroscience,2021

8、Improving Contrast Accuracy and Resolution of Laser Speckle Contrast Imaging Using Two-Dimensional Entropy Algorithm[J]. Liu Xinglong;Yang Hui;Li Ran.IEEE ACCESS,2021

9、便携式激光散斑衬比成像系统及其应用的研究[D]. 唐学俊.华中科技大学,2011

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