上海交通大学硕士学位论文基于激光散斑对比度的高分辨率脑皮层血流成像技术姓名：余静申请学位级别：硕士专业：生物医学工程指导教师：邱意弘;童善保20081201摘 要 第 III 页 基于激光散斑对比度的高分辨率脑皮层血流基于激光散斑对比度的高分辨率脑皮层血流 摘摘 要要 高分辨率血管图像包含着丰富的微血管信息，在很多方面都有重要的作用。当前的脑血管成像和脑功能成像技术中，激光散斑成像(LSI)具有较高的时间空间分辨率，无侵袭性，并且能实时地提供血管形态信息和血流速度信息，因此本文利用激光散斑成像技术来进行脑皮层血管成像。 激光散斑成像技术已经被用来检查皮肤毛细血管血流、视网膜血流和脑血流，但是还是存在一些问题。理论上激光散斑对比度分析的值应该在0,1区间内，但是实际使用中，该值常常局限在一个很小的范围内，这会导致可视化和数据分析上的困难。本文引用了增强激光散斑对比度分析(eLASCA)来拉伸对比度的分布范围。 另外，激光散斑成像实验中往往只能监测脑皮层上很小的一块区域，只能得到局部血流信息。有时在研究中我们需要观察整个脑皮层的血流情况，如对某些血管疾病病灶的定位，观察病灶及其周围区域的血流变化来进行全面的诊断和治疗等。但是成像区域大小和显微镜放大倍数无法兼得，因此本文将小鼠大脑区域分成相互重合的六块区域，成像后再用图像镶嵌技术来得到高分辨率的脑皮层血流全景图。 图像镶嵌主要包括了图像配准和图像融合，本文主要使用了 ITK(Insight Toolkit)软件包中的图像配准算法。 本文提出了一个得到高分辨率脑皮层血流图像的方法，这种方法能保持小鼠头骨完整无伤，因此能够长期监测同一只动物的大脑血流变化。利用激光散斑成像和图像镶嵌能提供大脑微血管的全局解剖细节，也能提供脑皮层全局血流信息。这种方法可以在神经科学研究或长期监测中使用。 关键词：关键词：高分辨率血管图像，激光散斑成像，增强激光散斑对比度分析，图像镶嵌 ABSTRACT 第 IV 页 HIGH RESOLUTION MAPPING OF CORTICAL BLOOD FLOW BY MASAICING THE LASER SPECKLE IMAGES ABSTRACT High resolution blood vascular images are considerably important in many respects. Laser speckle imaging (LSI) has high spatial-temporal resolution and is noninvasive. Besides, LSI provides both morphological and velocity information in real time. So we used LSI to image the cortical blood flow of the mouse in this paper. LSI has been used to investigate the skin capillary flow, retinal flow and cerebral blood flow (CBF). But there are still some problems. The theoretical value of laser speckle contrast analysis (LASCA) should be within 0, 1, in practice, the contrast data are usually limited in an extremely low range. We used an enhanced laser speckle contrast analysis (eLASCA) to solve this problem. Besides, LSI usually monitors CBF only in a limited cortical area. Sometimes, we need a full view of global blood flow information across the cortex, e.g. finding the location of focus, the diagnosis and therapies of some cardiovascular diseases, helping surgeon during the surgery. While in practice, only a limited field of view is available when the image is acquired through a microscope. In this paper, we used image mosaicing technique to provide a high resolution full view of the cortical vascular blood flow information. In this study, the skull of mice was intact during the experiments. So we could monitor the long-term CBF changes in the same animal. Besides, the eLASCA-based LSI mosaicing provides global anatomic details of cortical microvessels as well as the cortical vascular blood flow information. Such a high resolution CBF mapping would also be potentially useful in neuroscience study. Keywords: high resolution mapping, laser speckle imaging (LSI), enhanced laser speckle contrast analysis (eLASCA), image mosaicing 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：余静 日期：2009 年 2 月 2 日 摘 要 第 I 页 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：余静 指导教师签名：邱意弘 日期：2009 年 2 月 2 日 日期：2009 年 2 月 2 日 第一章 引言 1第一章 引言第一章 引言 微血管系统的研究在基础研究领域和临床应用中都有很大的作用。例如，脑部微血管成像能够用来研究感觉刺激引起的功能性血流变化1。 视网膜微血管成像有助于检测视网膜血管疾病和畸形2。血管新生已经成为肿瘤研究的前沿领域，因为它有可能提供妨碍肿瘤血管增殖的新兴治疗方法3。某些疾病，如脑血管痉挛、中风等，会导致血管微循环结构发生变化， 因此微血管结构的研究也在这些疾病和其它神经诊断中起到关键作用4, 5。另外，微血管成像还能够在手术进行时帮助医生避开血管床，使手术顺利进行6，它还可以作为外科手术和放射性治疗的评估手段。 1.1 研究背景研究背景 自从 1895 年，德国人伦琴(Wilhelm Conrad Rontgen)在试验阴极射线管时发现了 X射线， 现在已经发展出了众多的生物医学成像方法。 这些成像方法基本上可以分为三类：电化学成像，光学成像和射线成像。因为本文主要研究脑血管结构和脑血流成像，因此主要关注脑功能成像和光学成像在生物组织尤其是血管方面的研究。 脑功能成像已经有了广泛的研究。最普遍研究的方法有功能性磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)、正电子发射体层显像(Positron Emission Tomography, PET) 、 脑 电 图 (Electroencephalogram ， EEG) 和 脑 磁 图 (magnetoencephalography, MEG)等。这些方法均成功用于脑功能研究，但是这些脑功能成像方法成功地定位脑功能发生变化的方位时，大部分却无法提供脑组织的解剖信息，没有足够的空间分辨率，或者无法随着时间变化对脑功能进行长时间的监测，缺少时间分辨率7。 相对而言，光学成像方法在医学领域中有着特别重要的作用，因为这些技术能够从不同的空间和时间尺度上研究脑功能变化。 另外， 光学成像也提供了治疗上的潜在可能。第一章 引言 2近红外频谱成像(Near Infrared Spectral Imaging)、荧光成像(Fluorescence Imaging)和激光多普勒(Laser Doppler)等是当前比较常用的光学成像技术。 近红外频谱成像跟fMRI相比，虽然能单独分辨氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化8， 但是仍旧无法提供解剖图像。激光多普勒能够提供不同部位的血流速度，但是需要加上扫描设备才能提高空间分辨率，同时又牺牲了时间分辨率。荧光成像虽然能提供解剖结构，但是却需要注入造影剂。 近几年来，基于血液流动的激光散斑成像 (laser speckle imaging, LSI)技术已经成为一种新兴的血管光学成像方法9, 10。该技术与脑功能成像、近红外频谱成像和激光多普勒等方法比较， 具有较高的时间空间分辨率， 而跟血管造影术和荧光成像等方法比较，又无需注入造影剂或药物，无侵袭性11。而且激光散斑成像技术能同时实时地监测脑皮层的血管形态信息和血流速度信息， 因此本文使用了激光散斑成像技术来对脑皮层血流进行成像。目前，激光散斑对比度分析(Laser Speckle Contrast Analysis，LASCA)，也就是K2，已经被用来研究毛细血管血流9、视网膜血流12和大脑血流(Cerebral Blood Flow，CBF)13, 14等领域。 1.2 关于本文关于本文 理论上LASCA的值应该分布在0，1区间内，但是实验中，这些值经常被局限在一个很小的范围中，如0，0.1，这可能是由于周围背景噪声和CCD暗电流的影响。K2值范围的局限给图像可视化和血流分析都带来了困难。 本文采用了一种新的增强激光散斑对比度分析(Enhanced LASCA，eLASCA)来解决这个问题15。 另外，激光散斑成像往往只监测脑皮层上一块较小的区域，例如，直径8mm13。有时在研究中我们需要观察整个脑皮层的血流情况，如病变范围太大、病灶难以定位、病灶及其周围区域血流的变化都需要观察等。为了得到高分辨率的图像，经常使用显微镜较高的放大倍数，而这样又只能观察有限的区域。为了解决这个矛盾，本文使用了图像镶嵌技术来实现高分辨率的全景血流图。 第一章 引言 3本文用改进的LASCA方法得到小鼠脑皮层多个区域的