导语

在微循环血流成像领域，激光散斑技术因其非侵入、高分辨等优势备受关注。然而，传统方法在静态散射、定量精度和实时性方面仍存在瓶颈。近日，一项发表于《Journal of Innovative Optical Health Sciences》的研究提出了一种自适应方向空间窗口的共焦激光散斑时间自相关成像方法，通过优化像素窗口方向选择，显著提升了成像质量和计算效率，并在活体斑马鱼血流监测中实现了心脏周期内流速波动的实时捕捉。本文为您深度解读这项最新成果。

E. Du, Haohan Zheng, Honghui He, Zhipeng Huang, Weizu Zhang, Shiguo Li, Weifeng Zhang, Guoqing Wang, Yuan Zhou, Tingxue Xin, and Shuhao Shen.Confocal laser speckle time-autocorrelation imaging with adaptive orientation spatial windows.Journal of Innovative Optical Health SciencesOnline ReadyOpen Access

https://doi.org/10.1142/S1793545826440013

图1：共焦激光散斑自相关成像系统。（a）实际成像装置照片；（b）系统光路示意图。激光经扩束、线形整形后通过一维振镜扫描样品，背向散射光被共焦接收并分两路：一路用于高速线阵相机采集自相关信号，另一路用于宽场成像。该系统为自适应方向窗口方法提供了高信噪比、高分辨率的原始散斑数据基础。

正文

研究背景

激光散斑对比成像（LSCI）已被广泛应用于视网膜、皮肤、脑皮层等组织的微循环参数测量。尽管其发展迅速，传统LSCI仍受限于静态散射干扰和定量精度不足。为克服这些问题，研究团队前期开发了共焦激光散斑对比成像（CLSCI）和共焦激光散斑自相关成像（CLSAI），分别提升了空间分辨率和时间分辨率。然而，CLSAI仍存在噪声敏感、计算效率低等问题。

方法创新

本研究的核心创新在于提出了一种自适应方向空间窗口方法。该方法为每个像素在其邻域内沿四个正交方向（0°,45°,90°,135°）提取散斑强度序列，并计算空间方差，选择方差最大的方向作为有效计算窗口。相比于传统固定窗口方法，该策略具有以下优势：

●抑制噪声：通过方向筛选，避免静态像素稀释有效信号；

●提高拟合精度：增强自相关函数拟合的稳定性；

●降低计算负担：仅需处理单一方向上的N个像素，计算量显著下降（从9个元素降至3个）。

图2：自适应方向空间窗口的时间自相关成像算法流程。以目标像素为中心构建邻域窗口，沿四个方向（0°、45°、90°、135°）提取散斑强度序列，计算各方向的空间方差，选取方差最大的方向作为有效计算窗口。最终仅基于该方向像素序列计算时间自相关函 g2(τ)，从而在抑制噪声的同时提升拟合精度与计算效率。

实验验证

研究采用自建共焦激光散斑成像系统（10×物镜，640 nm激光），在活体斑马鱼尾部动脉区域进行成像。实验结果显示：

●与无窗口方法和固定窗口方法相比，自适应方向方法在背景区域噪声标准差下降约9.7%，信噪比（SNR）提升至3.06 dB（原始方法为2.25 dB）。

●处理速度方面，传统全窗口方法每帧需15 ms，而本方法仅需4 ms，可支持>200帧/秒的处理速率，远超斑马鱼心率（2–3 Hz）的采样需求。

图4：不同散斑时间自相关成像方法在活体斑马鱼中的血流成像对比。（a）原始逐像素方法：噪声明显，血管边界模糊；（b）固定空间窗口方法（3×3）：噪声有所抑制，但血管边缘略有展宽；（c）本文提出的自适应方向窗口方法：噪声显著降低，血管结构清晰，背景更干净。右下角红框区域（背景区）的噪声统计表明，自适应方法使成像质量提升约9.7%，信噪比达3.06 dB。

实时动态监测

进一步，研究团队利用自适应方向方法对斑马鱼尾部动脉进行连续动态成像，成功捕捉到心脏周期内血流的峰谷变化，验证了该方法在动态血流监测中的高时间分辨率和低噪声特性。

图5：自适应方向窗口方法用于斑马鱼尾部动脉实时血流监测。（a）斑马鱼自相关成像结果，红色虚线框标示用于动态监测的动脉区域；（b）该区域血流速度随时间变化曲线，可清晰观察到心脏周期诱导的周期性速度峰谷波动。结果表明该方法具备高时间分辨率与良好噪声抑制能力，满足实时微循环监测需求。

主要创新点

●首次提出自适应方向空间窗口策略，用于共焦激光散斑时间自相关成像；

●有效解决传统方法中的噪声干扰和信号稀释问题，显著提高图像质量和拟合精度；

●大幅降低计算复杂度，实现实时微循环血流监测（>200 fps）；

●在活体斑马鱼模型中验证心脏周期内血流速度波动的捕捉能力。

应用前景

该技术在未来具有广阔的临床应用潜力，尤其在以下方面：

●微血管血流动态评估：如糖尿病足、烧伤、皮瓣移植术后监测；

●脑血流成像：适用于卒中、创伤性脑损伤等疾病的动物模型研究；

●药物筛选与心血管疾病研究：结合斑马鱼等模式生物，实现高通量、高分辨率血流动态分析。

结语

本研究提出的自适应方向空间窗口方法，在不牺牲空间分辨率和实时性的前提下，显著提升了共焦激光散斑时间自相关成像的噪声抑制能力和计算效率。斑马鱼实验验证了其对心脏周期内血流速度波动的精准捕捉，为未来临床微循环血流评估提供了坚实的技术基础。

第一作者简介

杜娥，深圳信息职业技术大学讲师，研究方向包括激光散斑血流成像、无透镜细胞计数器、多角度分光测色仪等。

通讯作者简介

沈术豪，西安电子科技大学广州研究院华山学者准聘副教授，研究方向为焦点调制共聚焦显微成像、结构光超分辨深度成像、光片式激光散斑血流成像、光学系统设计与仿真、基于深度学习算法框架的显微图像去噪、超分辨和病理切片虚拟染色。

更多详情见https://faculty.xidian.edu.cn/SHENSHUHAO/zh_CN/index.htm

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