基于3D打印技术的血流成像光纤探头设计

冯士杰，桂志国，张晓娟，刘彩彩，尚禹

中北大学 生物医学成像与影像大数据山西省重点实验室，山西 太原 030051

引言

人体组织血流作为临床疾病诊断的一个重要生理参数，对其进行准确测量具有重要的医学意义[1-2]。医院常规使用的超声多普勒只能测量主干血管的血流，无法获得微血管系统的信息。因此，临床上急需能够快速、连续和低成本地获取组织血流的技术手段。近红外漫射光相关谱和断层成 像 技 术（Near-Infrared Diffuse Correlation Spectroscopy/Tomography，DCS/DCT）是测量组织血流的较新技术[3-9]，该技术利用光场的时间自相关函数（g1(τ) ）来计算红细胞的运动，进而无创地检测组织微血管的血流值。DCS 可以实时监测人体组织中的血流值（Blood Flow Index，BFI），但无法得到BFI的空间分布情况。BFI的三维成像即DCT可以更直观地反映血流的空间变化和对比度，对于肿瘤等各种疾病的评估至关重要。

在DCT技术中，光学探头的设计对于组织血流的准确获取和异质物的精确定位至关重要，该技术使用置于被测组织表面的光纤探针来无创的获取原始光学信号（即光场的时间自相关函数g1(τ)），并通过特定的算法来实现血流成像的计算；在这个过程中，光纤探针之间的距离与光纤的固定方式决定了光学信号采集的准确性和有效性，因此光纤探头的设计对于血流值的准确获取和成像至关重要。

传统的血流成像探头是实验人员利用泡棉、亚克力板等材料来加工的，然而，这些方式往往是人工进行形状裁剪和打孔，难以实现复杂形状的探头设计，且存在打孔的定位误差，人工成本较大[10-14]。

3D打印技术是新兴的模型制造技术，3D打印技术可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，本文提出了一种基于3D打印技术的探头设计并用于血流成像，这样可以根据不同的方案和应用场合来设计不同类型的光学探头，并灵活的改进，以获取稳定和精准的光学信号，这对于准确地获取组织血流并进一步获取清晰的组织成像具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 DCT的原理和硬件设备

DCS/DCT的测量原理如下[3-4,6-7]：近红外激光器发射的光子经过多模光纤入射进入组织，光子在组织中进行随机散射和吸收，最终一部分光子从组织中逸出，被距离光源光纤几厘米处的单模光纤收集，从入射点到接收点具有多条散射路径，散射路径呈香蕉状。收集到的光子由单光子探测器进行计数，传输到相关器进行相关运算得出归一化的光强时间自相关函数g2(τ)，通过西格特关系式计算得出光电场时间自相关函数g1(τ)，g1(τ) 函数曲线的衰减率由红细胞运动决定，衰减率越高则血流越大。由于g1(τ)的非归一化函数G1(τ)满足扩散方程，则通过对偏微分方程进行求解，可以计算得出血流值。通常来说，假设边界条件（如半空间无限大）后，血流指数（BFI）是扩散相关方程的解析解，我们创建的N阶线性（NL）算法可以提取出较为精确地BFI[15-16]，即布朗运动的扩散系数αDB。

根据DCT的测量原理，其设备的硬件模块包括：近红外激光器，美国CrystaLaser公司，波长为785 nm（DL-785-120-so，Crystalaser，inc.，美国）。相干长度大于5 m，波长为785 nm，输出功率为120 mW、单光子探测器（SPCM-780-13-FC，Excelitas Inc.，加拿大）、数字相关器（flex05-8ch，Correlator.com，美国）、数据采集卡（USB-6009, National Instrument Inc., 美国）、光开关（FSW8-1×8-SM-C，插入损耗≤2.0 dB）和光纤探头如图1所示。

图1 DCT设备的硬件模块

如图2所示为DCT血流成像仪的组成框图与测量原理图，DCT血流成像仪主要由近红外激光器、单光子探测器、八通道数字相关器、数据采集卡、8×8光开关、以及光纤组成，在进行血流成像时需要将与光源和探测器连接的光纤固定在不同的位置以获取不同位置和深度的被测组织的光子数据，因此需要设计合适的光纤固定探头来满足测量需求。

图2 DCT血流成像仪的组成框图与测量原理图

DCT血流成像仪的实物由图3所示，激光器、单光子探测器、数字相关器和数据采集卡等硬件模块被封装在设备箱中。与激光器和探测器相连的光纤向组织发射/收集光子。激光器连接多模光纤，探测器连接单模光纤，将接收到的光子进行时间自相关计算，实现对DCT光学信号的采集。通过光开关来配置更多的光源探测器分布以获取血流重建所需要的光子自相关信息。使用已知光学特性的仿体组织进行血流实验是DCT系统校准和验证的常用方法。首先用光纤探头来测量均匀的仿体溶液以进行仪器和算法校准，仿体的配置过程可详见文献[17-18]，简而言之，仿体溶液由蒸馏水，脂肪乳液（30% 浓度, 四川华瑞制药）和黑墨水（上海晨光）按比例配置而成。脂肪乳液中的脂质颗粒用于改变仿体溶液的散射系数和模拟布朗运动，墨水则用于配置仿体溶液的吸收系数。为了与人体组织的光学参数相匹配，我们配置的仿体溶液的光学参数为 μa= 0.05 cm-1和 μs’= 8 cm-1。

图3 DCT设备和仿体实验搭建

1.2 基于3D打印技术的平板式光学探头

3D打印技术是一种新兴的快速成型技术，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，适用于小规模的定制化的产品制造，在本研究中，我们通过3D打印机来获得树脂材料的光学探头，这种材料具有成本低、质量轻、韧性强等优点，适用于人体组织血流测量，方便我们的探头设计方案的快速实现和灵活改进。

DCS/DCT设备的探头是由一根发射光纤和一根或多根接收光纤组合而成的光学探头，由于光纤的直径极为小，并不能将其直接放置在测量位置。并保证光纤之间的相对位置，需要给发射与接收光纤加上一个固定的块（称为基座），能够将两根光纤的相对位置固定好。光纤探头由基座和光纤组成，对于其的设计要求是：能够保持光纤间的距离，并与人体组织的有弹性的接触，并有很好的密闭性（即不漏光）。

面阵式探头可以增加光子探测的位置数量和面积，是进行血流成像的必要条件。本研究使用了3D打印树脂材料来构成探头的基座。图4所示的是3D打印的平板式光纤阵列探头，光纤阵列插入基座中的光纤孔中，其中包含了48对光源-探测器对，用于重建一个16×16×6单元的组织血流，每个立方单元大小为5 mm。

图4 3D打印的接触式光源-探测器（S-D）的平板式光纤阵列探头

1.3 DCT血流成像算法

DCT成像的求解算法称为图像重建过程，本研究采用了一种新型的N-阶线性模型（NL模型）来实现血流成像[19-20]。与传统的解析表达式和有限元方法不同，NL模型不寻求偏微分方程的解，而是将g1(τ)的积分形式与其N阶泰勒多项式相结合，如式(1)和(2)所示，并且通过光在组织内的传输信息来体现组织的非均匀性和不规则性。此外，该算法还利用线性回归方法，得到自相关曲线g1(τ)上多点数据斜率进行血流重建。

对一阶线性算法，式(1)左侧第三项为零，可以直接通过线性回归得到g1(τ)-1的斜率，采用式(2)计算得出血流值αDB。对高阶线性算法，血流值αDB亦出现在式(1)左侧第三项中，需要式(1)和(2)进行迭代计算血流值αDB。

将N-阶线性算法应用到DCT血流成像中，由于测量数据远远少于待重建的图像体素，其对应的线性方程组呈严重病态，因此，本研究引入了TV正则化进行约束，并采用Bregman分裂算法实现图像重建（简称Bregman-TV算法）。

该最优问题通过Bregman分裂算法实现，我们称之Bregman-TV算法[19-20],

将获得的求解αDB映射到三维空间即为血流成像。

2 实验设计

为了验证本研究设计的血流成像探头的有效性，围绕研究目标，本研究设计了两个部分的实验。首先，本研究先利用仿体进行了异质物血流成像实验，仿体溶液的吸收系数为0.05 cm-1，散射系数为8 cm-1，这与人体组织的光学性质相近。其次，在仿体中验证了探头的有效性以后，本研究招募了30名健康的受试者（平均年龄为24岁），并用血流成像探头对受试者在生理变化中的脑血流进行成像。

2.1 仿体实验

在仿体实验中，本研究使用了图4所示的平板式探头进行了数据采集。如图5所示，其探头浸入液态仿体中，异质物血流为一个立方体固体（血流异质物，大小为1 cm×1 cm×0.5 cm的方块）。血流重建结果如图6所示，从结果图中可以看出，使用平板式探头获取的光子数据重建出的血流成像结果可以准确地定位血流异质物的位置，并准确的重建其轮廓。

图5 平板式面阵探头的用途

图6 仿体中血流异质物的重建结果

2.2 人体脑部血流成像实验

此探头也用于了人体倾斜床试验，对人体头部组织在平躺状态下和70°倾斜状态下的血流进行测量并成像，试验方案如图7所示。

图7 平板式面阵探头用于头部血流成像

（1）在检测之前，受试者平躺在试验床上（即试验床处于水平位置），研究人员使用医用酒精棉为受试者擦拭额头待检测区域，并用医用胶布与绷带将光学探头固定在受试者前额。

（2）研究人员利用DCT血流仪采集数据10 min后，调整试验床倾斜角度，从平行于地面起缓慢调整（头上位倾斜）到与地面成70°夹角位置，利用血流仪采集数据10 min。

（3）研究人员调整试验床到水平位置，取下光学探头，结束头部血流测量试验。

DCT重建的代表性脑部血流结果如图8所示：可以看到，平躺和70º头上位倾斜状态下血流的值有较大的区别，而DCT血流成像系统可以很敏感地探测出这类区别。

图8 DCT 重建的代表性脑部血流结果

本研究招募了30名健康受试者参加头部血流测量，其平均对比度为163%，此外，本研究还计算了30例受试者的血流变化的标准差（4.98%）和变异系数（3.12%），这表明使用3D打印的光纤探头可以稳定的获取受试者在生理状态变化时脑血流变化。

本研究分析了30名健康受试者的相对血流变化，如图9所示，体位改变引起的脑血流变化很一致（对比度在均在150%～170%）反映了DCT在脑血流测量方面具有很好的稳定性。

图9 30例受试者在身体70°倾斜过程中的血流相对变化比

3 讨论

本文的主要工作是使用3D打印的平板式的光纤探头来进行仿体溶液和人体头部的血流成像。本文的结果先进性主要有以下两点：① 与传统的泡棉或硅胶式的光纤固定探头相比[20]，3D打印的平板式血流成像光纤探头在仿体异质物血流成像实验中表现出色，可以准确地定位和重建异质物，这是由于平板式的光纤探头在测量过程中可以和仿体很好的贴合，因此获取的血流数据也更为准确；② 人体头部的血流测量结果表明，利用3D打印技术制作的平板式光纤固定探头适合头部的血流测量[5]，30例受试者在平躺状态下和倾斜状态下的脑血流重建结果符合生理预期。

4 结论

在本研究中，将基于3D打印技术设计制作的光纤探头应用到了DCT中，并通过仿体实验和人体脑部试验对探头的有效性进行了验证。仿体中异质物可以被DCT成像准确地定位，表明本研究设计的3D打印光纤探头可以满足DCT的测量需求，即能够准确和稳定地固定光纤并获取光学信号；在人体脑部血流实验中，使用3D打印的血流成像探头可以准确地获取血流变化，这证明了使用3D打印技术制作的平板式光纤固定探头适合头部血流测量。然而，这种设计仍然存在一定的不足：由于人脑组织则是不规则的曲面，平板式的光纤探头难以与人脑前额完全贴合，这会带来一部分测量误差。在后续的工作中，将优化光纤探头的设计，比如设计更贴合人脑形状的曲面探头和利用软胶材料来进行探头的3D打印等。总之，3D打印技术可以快速、灵活的实现探头从设计图纸到真正的实际应用，准确地获取血流变化并进行成像，有重要的临床应用潜力，有望应用于临床的脑血流疾病检测中。