人脑的质量只占人体的2%，而氧和营养物质的消耗占20%。通过脑部血管系统进行的局部脑血流（cerebral blood flow, CBF）调节在将氧和葡萄糖传输到神经活动位置方面起着至关重要的作用。在临床和研究环境中，测量脑血管中的血流量对于了解脑代谢和脑血管病理生理学极其重要。
Optica：基于光学散斑图像测速法的体内血流定量估计
技术背景：
人脑的质量只占人体的2%，而氧和营养物质的消耗占20%。通过脑部血管系统进行的局部脑血流（cerebral blood flow, CBF）调节在将氧和葡萄糖传输到神经活动位置方面起着至关重要的作用。在临床和研究环境中，测量脑血管中的血流量对于了解脑代谢和脑血管病理生理学极其重要。
因为CBF调节是解开神经活动及神经活动引起的其附近局部血流控制响应耦合的关键，因此目前已经开发了多种工具用来测量和检测CBF的时空动态。用于CBF的光学方法可以分为三类：（1）基于多普勒的方法，如激光多普勒血流测量、多普勒光学相干断层扫描和光声多普勒测速；（2）红细胞跟踪测量，如活体多光子激光扫描显微镜、共聚焦激光扫描显微镜和全息相位显微镜；（3）基于散斑的方法，如激光散斑对比成像和多曝光对比成像。基于散斑的方法系统简单，并且能够在临床上以高的时空分辨率进行无标记、宽场CBF成像。在测量速度上，粒子图像测速（PIV）可以利用运动粒子的连续图像来提取平均速度和方向。
当前不足：
多普勒法虽然可以定量测量，但在高帧率下不能做到宽视场。红细胞法中的激光扫描法是点扫描，测量的血管数量有限，而全息法只适用于薄样品。传统的激光散斑成像方法结果只能提供定性的相对流速，并将血管与其周围组织以大的对比度区分开来，不是定量的。PIV需要示踪剂，限制了其在体内的应用。
文章创新点：
基于此，韩国光州科学技术学院的Muhammad Mohsin Qureshi（第一作者）和 Euiheon Chung（通讯作者）提出了一种将PIV和激光散斑图像分析相结合，可以同时给出血流的定量速度大小及速度方向的技术，用于宽场、定量红细胞（red blood cell, RBC）速度测量。结合高帧率的相机，可以在活体实现48fps的速率图，这足以允许在大的视场下研究功能性大脑激活（functional brain activation，如与神经血管耦合现像中的各种刺激相关的血流动力学反应）和应对发生在数秒时间内的血流响应事件。
原理解析：
（1）相干光源经过波长尺度上是粗糙的物体或被它反射时，散斑就会扮演一个重要的角色，即产生一个对比度高的颗粒状图样。在相干光源照射生物组织时，由于生物组织微观尺度上凹凸不平引起后向散射回的光互相发生干涉而形成散斑图像。当照射的样品是动态的时候，散斑模式就会发生变化。
（2）如图1，连续采集到的两帧散斑图像，每帧图像划分成小的探测窗口I1(x,y)和I2(x,y)，计算这两个探测窗口的互相关，获得单次操作的相关图。
（3）为了提高信噪比，操作n次（文中选用n=4），求取平均相关图。
（4）从平均相关图找到峰值位置，计算出在采集时间间隔内的粒子位移，从而计算出视场内的速度图。
（5）以一个像素为步长移动探测窗口，重复(2)-(4)，直到整个散斑图都被探测窗口扫描完毕，获得整个散斑场的速度图。
实验装置解析：532nm连续激光，经过声光调制器(acousto-optical modelator,AOM)、函数发生器和光阑控制激光的时序开关输出（目的是降低单次照射时间至~1ms，从而减小散斑拖影现像。如果相机曝光时间能够同样足够低，就不用控制光源的开关）。样品表面平均激光功率为3.5mW。活体成像时散斑图像被20X/0.4物镜采集，经线偏振片提高散斑对比度，最后成像在scmos上,其最大采集帧率190fps。
视频1：OSIV在光血栓形成中风小鼠模型中的应用
参考文献：Muhammad Mohsin Qureshi, Yan Liu, Khuong Duy Mac, Minsung Kim, Abdul Mohaimen Safi, and Euiheon Chung, "Quantitative blood flow estimation in vivo by optical speckle image velocimetry," Optica 8, 1092-1101 (2021)
DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.422871
关于昊量光电：
上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商，代理品牌均处于相关领域的发展前沿；产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务。
您可以通过昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。
本文章经光学前沿授权转载,商业转载请联系获得授权。
展示全部 
