馮士杰，桂志國，張曉娟，劉彩彩，尚禹

中北大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)成像與影像大數(shù)據(jù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051

引言

人體組織血流作為臨床疾病診斷的一個(gè)重要生理參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測量具有重要的醫(yī)學(xué)意義[1-2]。醫(yī)院常規(guī)使用的超聲多普勒只能測量主干血管的血流，無法獲得微血管系統(tǒng)的信息。因此，臨床上急需能夠快速、連續(xù)和低成本地獲取組織血流的技術(shù)手段。近紅外漫射光相關(guān)譜和斷層成 像 技 術(shù)（Near-Infrared Diffuse Correlation Spectroscopy/Tomography，DCS/DCT）是測量組織血流的較新技術(shù)[3-9]，該技術(shù)利用光場的時(shí)間自相關(guān)函數(shù)（g1(τ) ）來計(jì)算紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而無創(chuàng)地檢測組織微血管的血流值。DCS 可以實(shí)時(shí)監(jiān)測人體組織中的血流值（Blood Flow Index，BFI），但無法得到BFI的空間分布情況。BFI的三維成像即DCT可以更直觀地反映血流的空間變化和對(duì)比度，對(duì)于腫瘤等各種疾病的評(píng)估至關(guān)重要。

在DCT技術(shù)中，光學(xué)探頭的設(shè)計(jì)對(duì)于組織血流的準(zhǔn)確獲取和異質(zhì)物的精確定位至關(guān)重要，該技術(shù)使用置于被測組織表面的光纖探針來無創(chuàng)的獲取原始光學(xué)信號(hào)（即光場的時(shí)間自相關(guān)函數(shù)g1(τ)），并通過特定的算法來實(shí)現(xiàn)血流成像的計(jì)算；在這個(gè)過程中，光纖探針之間的距離與光纖的固定方式?jīng)Q定了光學(xué)信號(hào)采集的準(zhǔn)確性和有效性，因此光纖探頭的設(shè)計(jì)對(duì)于血流值的準(zhǔn)確獲取和成像至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的血流成像探頭是實(shí)驗(yàn)人員利用泡棉、亞克力板等材料來加工的，然而，這些方式往往是人工進(jìn)行形狀裁剪和打孔，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的探頭設(shè)計(jì)，且存在打孔的定位誤差，人工成本較大[10-14]。

3D打印技術(shù)是新興的模型制造技術(shù)，3D打印技術(shù)可以自動(dòng)、快速、直接和比較精確地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，本文提出了一種基于3D打印技術(shù)的探頭設(shè)計(jì)并用于血流成像，這樣可以根據(jù)不同的方案和應(yīng)用場合來設(shè)計(jì)不同類型的光學(xué)探頭，并靈活的改進(jìn)，以獲取穩(wěn)定和精準(zhǔn)的光學(xué)信號(hào)，這對(duì)于準(zhǔn)確地獲取組織血流并進(jìn)一步獲取清晰的組織成像具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 DCT的原理和硬件設(shè)備

DCS/DCT的測量原理如下[3-4,6-7]：近紅外激光器發(fā)射的光子經(jīng)過多模光纖入射進(jìn)入組織，光子在組織中進(jìn)行隨機(jī)散射和吸收，最終一部分光子從組織中逸出，被距離光源光纖幾厘米處的單模光纖收集，從入射點(diǎn)到接收點(diǎn)具有多條散射路徑，散射路徑呈香蕉狀。收集到的光子由單光子探測器進(jìn)行計(jì)數(shù)，傳輸?shù)较嚓P(guān)器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算得出歸一化的光強(qiáng)時(shí)間自相關(guān)函數(shù)g2(τ)，通過西格特關(guān)系式計(jì)算得出光電場時(shí)間自相關(guān)函數(shù)g1(τ)，g1(τ) 函數(shù)曲線的衰減率由紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)決定，衰減率越高則血流越大。由于g1(τ)的非歸一化函數(shù)G1(τ)滿足擴(kuò)散方程，則通過對(duì)偏微分方程進(jìn)行求解，可以計(jì)算得出血流值。通常來說，假設(shè)邊界條件（如半空間無限大）后，血流指數(shù)（BFI）是擴(kuò)散相關(guān)方程的解析解，我們創(chuàng)建的N階線性（NL）算法可以提取出較為精確地BFI[15-16]，即布朗運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散系數(shù)αDB。

根據(jù)DCT的測量原理，其設(shè)備的硬件模塊包括：近紅外激光器，美國CrystaLaser公司，波長為785 nm（DL-785-120-so，Crystalaser，inc.，美國）。相干長度大于5 m，波長為785 nm，輸出功率為120 mW、單光子探測器（SPCM-780-13-FC，Excelitas Inc.，加拿大）、數(shù)字相關(guān)器（flex05-8ch，Correlator.com，美國）、數(shù)據(jù)采集卡（USB-6009, National Instrument Inc., 美國）、光開關(guān)（FSW8-1×8-SM-C，插入損耗≤2.0 dB）和光纖探頭如圖1所示。

圖1 DCT設(shè)備的硬件模塊

如圖2所示為DCT血流成像儀的組成框圖與測量原理圖，DCT血流成像儀主要由近紅外激光器、單光子探測器、八通道數(shù)字相關(guān)器、數(shù)據(jù)采集卡、8×8光開關(guān)、以及光纖組成，在進(jìn)行血流成像時(shí)需要將與光源和探測器連接的光纖固定在不同的位置以獲取不同位置和深度的被測組織的光子數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)計(jì)合適的光纖固定探頭來滿足測量需求。

圖2 DCT血流成像儀的組成框圖與測量原理圖

DCT血流成像儀的實(shí)物由圖3所示，激光器、單光子探測器、數(shù)字相關(guān)器和數(shù)據(jù)采集卡等硬件模塊被封裝在設(shè)備箱中。與激光器和探測器相連的光纖向組織發(fā)射/收集光子。激光器連接多模光纖，探測器連接單模光纖，將接收到的光子進(jìn)行時(shí)間自相關(guān)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)DCT光學(xué)信號(hào)的采集。通過光開關(guān)來配置更多的光源探測器分布以獲取血流重建所需要的光子自相關(guān)信息。使用已知光學(xué)特性的仿體組織進(jìn)行血流實(shí)驗(yàn)是DCT系統(tǒng)校準(zhǔn)和驗(yàn)證的常用方法。首先用光纖探頭來測量均勻的仿體溶液以進(jìn)行儀器和算法校準(zhǔn)，仿體的配置過程可詳見文獻(xiàn)[17-18]，簡而言之，仿體溶液由蒸餾水，脂肪乳液（30% 濃度, 四川華瑞制藥）和黑墨水（上海晨光）按比例配置而成。脂肪乳液中的脂質(zhì)顆粒用于改變仿體溶液的散射系數(shù)和模擬布朗運(yùn)動(dòng)，墨水則用于配置仿體溶液的吸收系數(shù)。為了與人體組織的光學(xué)參數(shù)相匹配，我們配置的仿體溶液的光學(xué)參數(shù)為 μa= 0.05 cm-1和 μs’= 8 cm-1。

圖3 DCT設(shè)備和仿體實(shí)驗(yàn)搭建

1.2 基于3D打印技術(shù)的平板式光學(xué)探頭

3D打印技術(shù)是一種新興的快速成型技術(shù)，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，適用于小規(guī)模的定制化的產(chǎn)品制造，在本研究中，我們通過3D打印機(jī)來獲得樹脂材料的光學(xué)探頭，這種材料具有成本低、質(zhì)量輕、韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于人體組織血流測量，方便我們的探頭設(shè)計(jì)方案的快速實(shí)現(xiàn)和靈活改進(jìn)。

DCS/DCT設(shè)備的探頭是由一根發(fā)射光纖和一根或多根接收光纖組合而成的光學(xué)探頭，由于光纖的直徑極為小，并不能將其直接放置在測量位置。并保證光纖之間的相對(duì)位置，需要給發(fā)射與接收光纖加上一個(gè)固定的塊（稱為基座），能夠?qū)筛饫w的相對(duì)位置固定好。光纖探頭由基座和光纖組成，對(duì)于其的設(shè)計(jì)要求是：能夠保持光纖間的距離，并與人體組織的有彈性的接觸，并有很好的密閉性（即不漏光）。

面陣式探頭可以增加光子探測的位置數(shù)量和面積，是進(jìn)行血流成像的必要條件。本研究使用了3D打印樹脂材料來構(gòu)成探頭的基座。圖4所示的是3D打印的平板式光纖陣列探頭，光纖陣列插入基座中的光纖孔中，其中包含了48對(duì)光源-探測器對(duì)，用于重建一個(gè)16×16×6單元的組織血流，每個(gè)立方單元大小為5 mm。

圖4 3D打印的接觸式光源-探測器（S-D）的平板式光纖陣列探頭

1.3 DCT血流成像算法

DCT成像的求解算法稱為圖像重建過程，本研究采用了一種新型的N-階線性模型（NL模型）來實(shí)現(xiàn)血流成像[19-20]。與傳統(tǒng)的解析表達(dá)式和有限元方法不同，NL模型不尋求偏微分方程的解，而是將g1(τ)的積分形式與其N階泰勒多項(xiàng)式相結(jié)合，如式(1)和(2)所示，并且通過光在組織內(nèi)的傳輸信息來體現(xiàn)組織的非均勻性和不規(guī)則性。此外，該算法還利用線性回歸方法，得到自相關(guān)曲線g1(τ)上多點(diǎn)數(shù)據(jù)斜率進(jìn)行血流重建。

對(duì)一階線性算法，式(1)左側(cè)第三項(xiàng)為零，可以直接通過線性回歸得到g1(τ)-1的斜率，采用式(2)計(jì)算得出血流值αDB。對(duì)高階線性算法，血流值αDB亦出現(xiàn)在式(1)左側(cè)第三項(xiàng)中，需要式(1)和(2)進(jìn)行迭代計(jì)算血流值αDB。

將N-階線性算法應(yīng)用到DCT血流成像中，由于測量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于待重建的圖像體素，其對(duì)應(yīng)的線性方程組呈嚴(yán)重病態(tài)，因此，本研究引入了TV正則化進(jìn)行約束，并采用Bregman分裂算法實(shí)現(xiàn)圖像重建（簡稱Bregman-TV算法）。

該最優(yōu)問題通過Bregman分裂算法實(shí)現(xiàn)，我們稱之Bregman-TV算法[19-20],

將獲得的求解αDB映射到三維空間即為血流成像。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的血流成像探頭的有效性，圍繞研究目標(biāo)，本研究設(shè)計(jì)了兩個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)。首先，本研究先利用仿體進(jìn)行了異質(zhì)物血流成像實(shí)驗(yàn)，仿體溶液的吸收系數(shù)為0.05 cm-1，散射系數(shù)為8 cm-1，這與人體組織的光學(xué)性質(zhì)相近。其次，在仿體中驗(yàn)證了探頭的有效性以后，本研究招募了30名健康的受試者（平均年齡為24歲），并用血流成像探頭對(duì)受試者在生理變化中的腦血流進(jìn)行成像。

2.1 仿體實(shí)驗(yàn)

在仿體實(shí)驗(yàn)中，本研究使用了圖4所示的平板式探頭進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。如圖5所示，其探頭浸入液態(tài)仿體中，異質(zhì)物血流為一個(gè)立方體固體（血流異質(zhì)物，大小為1 cm×1 cm×0.5 cm的方塊）。血流重建結(jié)果如圖6所示，從結(jié)果圖中可以看出，使用平板式探頭獲取的光子數(shù)據(jù)重建出的血流成像結(jié)果可以準(zhǔn)確地定位血流異質(zhì)物的位置，并準(zhǔn)確的重建其輪廓。

圖5 平板式面陣探頭的用途

圖6 仿體中血流異質(zhì)物的重建結(jié)果

2.2 人體腦部血流成像實(shí)驗(yàn)

此探頭也用于了人體傾斜床試驗(yàn)，對(duì)人體頭部組織在平躺狀態(tài)下和70°傾斜狀態(tài)下的血流進(jìn)行測量并成像，試驗(yàn)方案如圖7所示。

圖7 平板式面陣探頭用于頭部血流成像

（1）在檢測之前，受試者平躺在試驗(yàn)床上（即試驗(yàn)床處于水平位置），研究人員使用醫(yī)用酒精棉為受試者擦拭額頭待檢測區(qū)域，并用醫(yī)用膠布與繃帶將光學(xué)探頭固定在受試者前額。

（2）研究人員利用DCT血流儀采集數(shù)據(jù)10 min后，調(diào)整試驗(yàn)床傾斜角度，從平行于地面起緩慢調(diào)整（頭上位傾斜）到與地面成70°夾角位置，利用血流儀采集數(shù)據(jù)10 min。

（3）研究人員調(diào)整試驗(yàn)床到水平位置，取下光學(xué)探頭，結(jié)束頭部血流測量試驗(yàn)。

DCT重建的代表性腦部血流結(jié)果如圖8所示：可以看到，平躺和70o頭上位傾斜狀態(tài)下血流的值有較大的區(qū)別，而DCT血流成像系統(tǒng)可以很敏感地探測出這類區(qū)別。

圖8 DCT 重建的代表性腦部血流結(jié)果

本研究招募了30名健康受試者參加頭部血流測量，其平均對(duì)比度為163%，此外，本研究還計(jì)算了30例受試者的血流變化的標(biāo)準(zhǔn)差（4.98%）和變異系數(shù)（3.12%），這表明使用3D打印的光纖探頭可以穩(wěn)定的獲取受試者在生理狀態(tài)變化時(shí)腦血流變化。

本研究分析了30名健康受試者的相對(duì)血流變化，如圖9所示，體位改變引起的腦血流變化很一致（對(duì)比度在均在150%～170%）反映了DCT在腦血流測量方面具有很好的穩(wěn)定性。

圖9 30例受試者在身體70°傾斜過程中的血流相對(duì)變化比

3 討論

本文的主要工作是使用3D打印的平板式的光纖探頭來進(jìn)行仿體溶液和人體頭部的血流成像。本文的結(jié)果先進(jìn)性主要有以下兩點(diǎn)：① 與傳統(tǒng)的泡棉或硅膠式的光纖固定探頭相比[20]，3D打印的平板式血流成像光纖探頭在仿體異質(zhì)物血流成像實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出色，可以準(zhǔn)確地定位和重建異質(zhì)物，這是由于平板式的光纖探頭在測量過程中可以和仿體很好的貼合，因此獲取的血流數(shù)據(jù)也更為準(zhǔn)確；② 人體頭部的血流測量結(jié)果表明，利用3D打印技術(shù)制作的平板式光纖固定探頭適合頭部的血流測量[5]，30例受試者在平躺狀態(tài)下和傾斜狀態(tài)下的腦血流重建結(jié)果符合生理預(yù)期。

4 結(jié)論

在本研究中，將基于3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作的光纖探頭應(yīng)用到了DCT中，并通過仿體實(shí)驗(yàn)和人體腦部試驗(yàn)對(duì)探頭的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。仿體中異質(zhì)物可以被DCT成像準(zhǔn)確地定位，表明本研究設(shè)計(jì)的3D打印光纖探頭可以滿足DCT的測量需求，即能夠準(zhǔn)確和穩(wěn)定地固定光纖并獲取光學(xué)信號(hào)；在人體腦部血流實(shí)驗(yàn)中，使用3D打印的血流成像探頭可以準(zhǔn)確地獲取血流變化，這證明了使用3D打印技術(shù)制作的平板式光纖固定探頭適合頭部血流測量。然而，這種設(shè)計(jì)仍然存在一定的不足：由于人腦組織則是不規(guī)則的曲面，平板式的光纖探頭難以與人腦前額完全貼合，這會(huì)帶來一部分測量誤差。在后續(xù)的工作中，將優(yōu)化光纖探頭的設(shè)計(jì)，比如設(shè)計(jì)更貼合人腦形狀的曲面探頭和利用軟膠材料來進(jìn)行探頭的3D打印等?？傊?，3D打印技術(shù)可以快速、靈活的實(shí)現(xiàn)探頭從設(shè)計(jì)圖紙到真正的實(shí)際應(yīng)用，準(zhǔn)確地獲取血流變化并進(jìn)行成像，有重要的臨床應(yīng)用潛力，有望應(yīng)用于臨床的腦血流疾病檢測中。