激光散斑对比成像技术对平流通量的敏感性研究

研究作者与发表信息

本研究由Kosar Khaksari（现就职于University of Washington, Department of Bioengineering）和Sean J. Kirkpatrick（Michigan Technological University, Department of Biomedical Engineering）共同完成，发表于Journal of Biomedical Optics（JBO）2016年7月刊（Vol. 21, No. 7），论文标题为《Laser speckle contrast imaging is sensitive to advective flux》，DOI：10.¹¹¹⁷⁄₁.JBO.21.7.076001。

学术背景与研究目标

研究领域与背景知识

激光散斑对比成像（Laser Speckle Contrast Imaging, LSCI）是一种非侵入性（或微创）成像技术，主要用于血流灌注的相对和定性成像。与激光多普勒血流成像（Laser Doppler Flowmetry, LDF）不同，LSCI的物理敏感性机制尚未完全明确。传统观点认为LSCI主要对粒子速度敏感，但多项研究表明它还可能对粒子浓度敏感。因此，本研究旨在从质量传输（mass transport）的角度，建立LSCI对总通量（包括扩散通量和平流通量）敏感性的理论框架，并通过实验验证其依赖性。

研究目标

1. 明确LSCI对平流通量（advective flux）的敏感性，即证明其同时依赖于粒子浓度（[c]）和流体速度（~v）。
   
2. 通过理论推导和实验验证，建立LSCI与扩散-漂移方程（diffusion with drift equation）之间的联系。
   
3. 探讨LSCI数据分析中应采用的统计模型（洛伦兹模型、高斯模型或二者的加权组合）。
   

研究流程与方法

1. 理论建模

研究首先从质量传输的角度推导了三维对流-扩散方程（convection-diffusion equation）：
[ \frac{\partial [c]}{\partial t} = \nabla \cdot (D \nabla [c]) - \nabla \cdot (\tilde{v}[c]), ]
其中：[c]为散射粒子浓度，D为扩散系数，~v为流体平均速度。在稳态假设（∂[c]/∂t=0）和无粒子源/汇（R=0）条件下，方程简化为：
[ 0 = \nabla \cdot (D \nabla [c]) - \nabla \cdot (\tilde{v}[c]). ]
该方程表明，LSCI的敏感性来源于两项：
- 扩散通量（diffusive flux）：由浓度梯度或布朗运动引起的随机粒子运动（对应洛伦兹线型）。
- 平流通量（advective flux）：由流体速度驱动的有序运动（对应高斯线型）。

进一步，研究将问题简化为二维和一维模型（如Fick第一定律的漂移修正形式）：
[ j_x = -D \frac{\partial [c]}{\partial x} + \tilde{v}_x [c], ]
明确LSCI的敏感性取决于实验条件（如纯扩散或纯平流）。

2. 实验设计与实施

实验系统

• 流场系统：采用内径1.5 mm的玻璃管，通过蠕动泵控制流速（1–8 mm/s），流体为含铝硼硅酸盐微球（直径9–13 μm）的溶液，模拟不同散射系数（μs’=0.48–4.84 mm⁻¹）的血液。
  
• LSCI系统：660 nm激光照射流场，CCD相机（Point Grey Dragonfly）以125帧/秒采集散斑图像，Matlab®编写的GUI实时计算对比度（7×7像素滑动窗口）。
  

实验分组

1. 浓度敏感性实验：固定流速（5 mm/s），改变微球浓度（0–1×10⁻⁴ spheres/μm³），测量对比度比值kratio（流动区域与静态区域的对比度比）。
   
2. 速度敏感性实验：固定浓度（μs’=2.2 mm⁻¹），改变流速（1–8 mm/s），测量kratio。
   

3. 数据分析方法

• 对比度计算：采用空间对比度算法（k=σs/⟨I⟩）。
  
• 统计模型验证：通过实验数据拟合线性关系，验证平流通量（~v[c]）与kratio的负相关性。
  

主要研究结果

1. 浓度敏感性：kratio与μs’或[c]呈显著负线性关系（r²=0.95–0.97），斜率分别为-0.072和-3.3×10⁻³（图3a, 3b）。
   
2. 速度敏感性：kratio与~v呈负线性关系（kratio=-0.065~v+0.934，r²=0.96）（图4）。
   
3. 平流通量依赖性：kratio=-0.66~v[c]+0.982（r²=0.97），证明LSCI对平流通量的敏感性（图5）。
   

结论与意义

科学价值

1. 理论突破：首次通过扩散-漂移方程明确LSCI对总通量（扩散+平流）的敏感性，解决了长期存在的争议。
   
2. 实验验证：通过可控流场实验，量化了LSCI对浓度和速度的敏感性，证明二者贡献近似相等。
   
3. 模型选择指导：提出在实际应用中应采用Voigt模型（洛伦兹与高斯模型的加权组合），而非单一模型。
   

应用价值

• 血流监测：需注意粒子浓度（如血细胞比容）变化可能被误判为流速变化。
  
• 技术优化：为LSCI的定量化提供了理论框架，例如通过背景校正（kratio）减少静态散射干扰。
  

研究亮点

1. 跨学科方法：将质量传输理论引入LSCI机制分析，建立了物理模型与实验的直接关联。
   
2. 创新实验设计：通过微球溶液模拟血液散射特性，精确控制浓度和流速变量。
   
3. 普适性结论：提出的敏感性机制适用于空间/时间散斑对比成像，为后续研究奠定基础。
   

其他有价值内容

• 静态散射影响：实验证明玻璃管的背景散射可忽略（kratio≈1），支持结果的普适性。
  
• 动态散射限制：未考虑红细胞翻滚运动的额外影响，需进一步研究。