[发明专利]激光散斑成像系统和方法

说明书

技术领域

本领域涉及用于光学成像一个血管或多个血管内的微粒(包括身 体组织中的表面下解剖结构和活质分子)的方法和系统，尤其涉及激 光散斑成像(laser speckle imaging)系统和方法，包括使用激光来测 量和量化一个血管或多个血管内的微粒，包括受试者和患者的组织 (例如皮组织)中的脉搏、血液灌注和实时血流速度。也提供了这样 的方法/系统在工业应用和在医学诊断和治疗中的各种应用。

背景技术

以下包括可以有助于理解本发明的信息。并非承认此处提供的任 何信息是现有技术，或与当前描述或要求权利的发明相关，或者具体 或隐含引用的任何出版物或文献是现有技术。

使用激光来测量特别是气体中的移动微粒的速度几乎追溯到激 光的发明。从移动微粒散射回检测器的光受到等于光源与检测器之间 的相径的变化率的多普勒频移。例如，已表明当使用微小检测器孔径 检查时，从静止皮肤散射的激光由于身体外胚层中的移动血液微粒的 存在而发生多普勒频移。多数光从组织中基本不动的散射体返回，但 是一部分则经由多次散射过程返回，该多次散射过程涉及不动散射体 以及由在皮肤表面的1-2mm内的循环毛细血管网中流动的一个或多 个血液微粒散射。

多个散射体使得以生理有用的方式量化这样的量度所需的分析 复杂化。然而，Bonner和Nossall(Applied Optics 20：2097-2107(1981)) 发现组织灌注是由多普勒信号的功率谱的第一谱矩(moment)提供 的，并且组织灌注可以被表示为流速与移动散射体的数量的乘积。

激光多普勒成像是用于评估血流变化的当前光学技术。设备的输 出是在达50×50cm²的面积上的二维(2D)流相关(灌注、速度、浓 度)图。该技术是无创的，原因是它不涉及身体接触。然而，目前商 用的激光多普勒成像仪并不完全满足临床应用对它们的所有要求。这 些成像仪(的成像速度)慢，需要特定技能使用，并且获得结果的判 读不总是客观的。多普勒方法的另一个问题在于每次只能在一个部位 测量灌注。在一个区域上的映射灌注是耗时的并且未考虑任何快速灌 注变化。关于受试者体内(例如受试者的皮肤内)的灌注或血流的评 估，多普勒成像的又一个问题在于事实上受试者(例如受评估的皮肤 或身体部分)必须保持静止。因此，商用的激光多普勒成像仪及其技 术主要用于医学研究项目而不常用于临床实践，尽管激光多普勒成像 在医学领域中有巨大的潜力。目前，用于体内血流监视的两种主要光 学技术是激光多普勒血流仪和激光散斑对比成像。

散斑图案是由一组波前的相互干涉产生的随机强度图案。当表面 由光波照射时，根据衍射理论，被照射表面上的每个点充当二次球面 波源。在散射光场中的任何点的光由从被照射表面的每个点散射的波 组成。如果该表面足够粗糙以产生超出一个波长的径长差，引起大于 2π的相变，则合成光的幅度以及因此强度随机变化。如果使用低相干 的光(即，由许多波长组成)，则通常将观察不到散斑图案，原因是 由单个波长产生的散斑图案具有不同尺寸并且通常将彼此平均。科学 家已研究该现象多年，但是自从发明激光以来散斑已经得到认可并且 有各种应用。一个熟悉的例子是当激光束被散射离开粗糙表面时产生 的随机图案。散斑效应是具有不同相位的许多波的干涉的结构，这些 波加在一起产生合成波，所述合成波的幅度以及因此强度随机变化。 如果每个波由一个向量建模，则可以看出如果带有随机角度的多个向 量加在一起，则合成向量的长度会是从零到各个向量长度的总和之间 的任何数。

激光散斑图案通过用相干光照射被测对象产生。散斑是由归因于 微观表面糙度而随机不同的径长之间的干涉所产生的粒状外观，并且 可以是远场散斑或图像散斑。远场散斑描述在距离表面上的闪耀激光 斑点一段距离处的照射的散斑性质，而图像散斑描述用扩展激光束照 射的对象的散斑外观，如同由某个光学系统(例如照相机或人眼)成 像。激光散斑对比成像使用图像散斑效应，其中均匀表面的图像中的 像素显示从黑到白分布的强度。当被测对象移动时散斑图案平移或变 化；在任何特定点，测得强度随着对象运动波动。