激光散斑衬比瑞利波粘弹性成像方法研究

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生物组织的弹性与疾病发生和发展过程密切相关,近年来,基于超声、磁共振和光学成像的生物组织弹性测量受到了广泛关注。激光散斑衬比成像(Laser Speckle Contrast Imaging,LSCI)具有非接触式宽场成像等优点,且运动检测灵敏度高,为生物组织定量弹性成像提供了新的途径。然而,由于LSCI成像深度浅、成像速度较慢,以往研究中通过透射式LSCI结构探测样本内部剪切波的传播速度来测量弹性,且需使用激励与采集同步的方法来提高成像的等效帧率。透射式测量结构的实际应用范围有限,同步采集模式会导致系统复杂。更为重要的是,忽略生物组织粘性会造成弹性测量不准确。本文针对上述问题提出了解决方法,建立了反射式激光散斑衬比粘弹性成像方法和系统,实现了低帧率LSCI对生物组织弹性和粘性的同时定量成像。主要的创新结果包括:(1)建立了基于LSCI的瑞利波弹性测量方法与系统。针对透射式LSCI方法无法测量大厚度、强散射样本的弹性,不方便实际应用的问题,提出了使用反射式LSCI探测样本表面传播的瑞利波来检测组织弹性的思路。经实验验证,简谐激励和脉冲激励下测量得到的琼脂糖仿体上瑞利波传播速度一致,相关系数为0.998。瑞利波传播速度与琼脂糖浓度成线性关系,相关系数为0.994。表明提出的方法能够准确测量仿体的弹性。(2)提出了基于混叠效应的激光散斑弹性成像方法。针对弹性成像中对相机采样帧率要求高、需要复杂的同步采集系统等问题,提出了通过低采样帧率探测下的混叠波来重建实际瑞利波传播速度的方法,实现了以仅10帧/秒的帧率即可对生物组织进行定量弹性成像。通过琼脂糖仿体和离体生物组织实验进行了方法验证,与传统的流变仪方法和“延时采样”方法所测的弹性相比,相关系数分别为0.999和0.998。当直线拟合过程滑动计算窗取1.95 mm时,弹性成像的对比度噪声比和空间分辨率分别为3.71和1.53 mm。(3)提出了基于瑞利波频散的激光散斑粘弹性同时成像方法。针对生物组织粘性影响会造成弹性测量不准确,还需测量组织粘性的问题,提出了通过LSCI获取瑞利波传播速度的频散曲线实现粘弹性同时测量的方法。通过油-明胶仿体和离体生物组织实验进行了方法验证,首次实现了基于LSCI的生物组织弹性和粘性同时成像,与传统流变仪所测量的仿体剪切弹性模量和剪切粘性模量相比,相关系数分别为0.844和0.979。
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