Лазерная спекл-контрастная визуализация¶

Лазерная спекл-контрастная визуализация (англ. Laser Speckle Contrast Imaging, LSCI) — это бесконтактный оптический метод визуализации, позволяющий в реальном времени получать карты относительной скорости движения частиц, преимущественно эритроцитов в кровеносных сосудах. Метод основан на анализе размытия спекл-структуры (пятнистой интерференционной картины), возникающей при освещении рассеивающей среды (например, биологической ткани) когерентным лазерным излучением. LSCI используется в биомедицинских исследованиях для оценки микроциркуляции крови, а также в других областях, где требуется бесконтактное измерение динамики рассеивающих сред.

¶История развития

Метод лазерной спекл-контрастной визуализации берёт начало от явления лазерной спекл-структуры, открытого вскоре после изобретения лазера в 1960-х годах. В 1970-х годах были предложены первые методы анализа спеклов для измерения скорости движения частиц, в частности, метод лазерной доплеровской флоуметрии (LDF). Однако LDF даёт точечное измерение, что ограничивает его применение для картирования больших участков.

В 1981 году А. Ф. Ферчер и Дж. Д. Брайерс (A. F. Fercher, J. D. Briers) впервые предложили использовать контраст спеклов для визуализации кровотока. Они показали, что время экспозиции камеры влияет на степень размытия спекл-картины, и по этому размытию можно судить о скорости движения частиц. В 1990-х годах, с развитием цифровых камер и компьютерной обработки изображений, метод получил практическую реализацию. В начале 2000-х годов LSCI начали активно применять в нейробиологии для картирования кровотока в коре головного мозга животных. В последующие годы метод совершенствовался: появились алгоритмы обработки, позволяющие работать в реальном времени, и портативные устройства для клинического применения.

¶Физические основы

Метод LSCI основан на явлении лазерной спекл-структуры. При освещении шероховатой или рассеивающей поверхности когерентным (лазерным) светом на детекторе (например, матрице камеры) возникает интерференционная картина — спекл-структура, состоящая из множества случайно распределённых тёмных и светлых пятен (спеклов). Если рассеивающая среда неподвижна, спекл-структура статична. Если же в среде происходит движение рассеивающих частиц (например, эритроцитов), то спекл-структура начинает флуктуировать во времени.

При регистрации изображения с конечным временем экспозиции (обычно от 1 до 50 мс) быстрые флуктуации спеклов приводят к их размытию на снимке. Степень размытия (снижение контраста) пропорциональна скорости движения частиц. Контраст спеклов (K) определяется как отношение среднеквадратичного отклонения интенсивности к среднему значению интенсивности в локальной области изображения:

\[ K = \frac{\sigma}{\langle I \rangle} \]

где \(\sigma\) — стандартное отклонение интенсивности, \(\langle I \rangle\) — средняя интенсивность. Значение K варьируется от 0 (полное размытие, высокая скорость движения) до 1 (статичная спекл-структура, нулевая скорость). На практике контраст обратно пропорционален скорости движения частиц, что позволяет строить карты относительной скорости кровотока.

¶Оборудование и методика

Типичная установка для LSCI включает:

Лазерный источник — обычно непрерывный лазер видимого или ближнего инфракрасного диапазона (например, 785 нм). Мощность излучения ограничена безопасностью для глаз и кожи (обычно 1–10 мВт).
Камера — цифровая камера (CCD или CMOS) с возможностью регулировки времени экспозиции. Для получения карт кровотока в реальном времени часто используются камеры с частотой кадров 10–100 Гц.
Оптическая система — объектив, обеспечивающий фокусировку на исследуемой поверхности, а также, при необходимости, светофильтры для подавления отражённого света.
Компьютер с программным обеспечением — для обработки изображений и расчёта контраста спеклов.

Процедура измерения: лазерный луч расширяется и освещает исследуемую область (например, участок кожи, мозг животного). Камера регистрирует серию изображений спекл-структуры. Для каждого пикселя или небольшого окна (обычно 5×5 или 7×7 пикселей) вычисляется контраст K. Затем значения контраста преобразуются в карту относительной скорости кровотока (обычно в виде псевдоцветного изображения, где красный цвет соответствует высокой скорости, синий — низкой).

¶Применение

¶Биомедицина

Основная область применения LSCI — визуализация микроциркуляции крови в тканях. Метод используется в:

Нейробиологии — для картирования кровотока в коре головного мозга животных (например, мышей, крыс) в ответ на сенсорную стимуляцию, фармакологические воздействия или при моделировании инсульта. LSCI позволяет наблюдать динамику кровотока с высоким временным разрешением (до 10 мс) и пространственным разрешением порядка 10–50 мкм.
Дерматологии — для оценки кожного кровотока при заживлении ран, ожогах, псориазе, а также для тестирования эффективности косметических средств.
Хирургии — для интраоперационной оценки перфузии тканей (например, при пересадке лоскутов, реваскуляризации конечностей). LSCI помогает хирургу в реальном времени оценить, насколько хорошо кровоснабжается ткань.
Офтальмологии — для исследования кровотока в сетчатке и зрительном нерве, что важно при диагностике глаукомы и диабетической ретинопатии.
Фармакологии — для изучения влияния лекарственных препаратов на микроциркуляцию.

¶Промышленность и материаловедение

LSCI может применяться для бесконтактного измерения скорости движения частиц в жидкостях, для контроля качества поверхностей, а также для анализа динамики высыхания красок и лаков.

¶Другие области

Метод используется в экологии для оценки движения водных потоков, в сельском хозяйстве для анализа транспирации растений, а также в криминалистике для выявления скрытых следов крови.

¶Преимущества и ограничения

¶Преимущества

Бесконтактность — не требуется введения контрастных веществ или контакта с тканью.
Высокое временное разрешение — возможность регистрации динамики кровотока в реальном времени (до 100 кадров в секунду).
Относительная простота и низкая стоимость оборудования по сравнению с другими методами визуализации кровотока (например, лазерной доплеровской флоуметрией или оптической когерентной томографией).
Возможность картирования больших участков (до нескольких квадратных сантиметров) за одно измерение.

¶Ограничения

Относительность измерений — LSCI даёт карту относительной скорости кровотока, а не абсолютные значения. Для калибровки требуется дополнительное оборудование или сопоставление с другими методами.
Чувствительность к артефактам движения — любые движения исследуемого объекта (дыхание, пульсация, дрожание) могут искажать результаты.
Ограниченная глубина проникновения — лазерное излучение проникает в биологическую ткань на глубину до 1–2 мм, поэтому метод пригоден только для визуализации поверхностных сосудов.
Влияние оптических свойств ткани — пигментация, толщина кожи, наличие волос могут влиять на контраст спеклов и, следовательно, на точность измерений.

¶Современные разработки и перспективы

В настоящее время ведутся работы по улучшению пространственного разрешения LSCI за счёт использования алгоритмов суперразрешения и комбинации с другими методами (например, с оптической когерентной томографией). Разрабатываются портативные и носимые устройства для непрерывного мониторинга микроциркуляции в клинических условиях. Также активно исследуется возможность использования LSCI для визуализации лимфатического потока и движения других жидкостей в биологических тканях.

¶См. также

¶Источники

Briers J. D. Laser speckle contrast imaging for measuring blood flow // Optica Applicata. — 2007. — Vol. 37, no. 1–2. — P. 139–152.
Dunn A. K. Laser speckle contrast imaging of cerebral blood flow // Annals of Biomedical Engineering. — 2012. — Vol. 40, no. 2. — P. 367–377.
Fercher A. F., Briers J. D. Flow visualization by means of single-exposure speckle photography // Optics Communications. — 1981. — Vol. 37, no. 5. — P. 326–330.
Hecht E. Optics. — 4th ed. — Addison-Wesley, 2002. — Chapter 13.
Овчинников А. В., Шишкин А. В. Лазерная спекл-контрастная визуализация в биомедицинских исследованиях // Квантовая электроника. — 2018. — Т. 48, № 5. — С. 421–432.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →