謝衛(wèi)華，陳大強(qiáng)，黃二亮，莊楚君

1 廣州市婦女兒童醫(yī)療中心 設(shè)備部，廣州市，510623

2 廣州醫(yī)軟智能科技有限公司，廣州市，510000

3 中山大學(xué)新華學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510520

0 引言

微循環(huán)是指血管網(wǎng)絡(luò)的微動(dòng)脈和微靜脈之間的血液循環(huán)，微循環(huán)系統(tǒng)是內(nèi)臟器官的重要構(gòu)成部分，也是人體新陳代謝必要的物質(zhì)交換和能量傳遞的重要場(chǎng)所[1]。正常情況下，微循環(huán)的血流量與人體組織器官的新陳代謝水平相適應(yīng)，如果組織器官的代謝功能出現(xiàn)異常，微循環(huán)會(huì)相應(yīng)地發(fā)生一定程度的改變[2]。如糖尿病、高血壓和冠心病等部分慢性疾病，會(huì)導(dǎo)致微循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)形態(tài)改變或造成機(jī)體損傷，引起特殊的微循環(huán)異常。可見(jiàn)微循環(huán)的成像研究對(duì)于多種疾病的診斷和評(píng)估能夠發(fā)揮重大作用并具有重要意義。

甲襞是覆蓋在指甲根部的皮膚皺褶，內(nèi)有皮膚真皮突起形成乳頭，各個(gè)乳頭區(qū)對(duì)應(yīng)一支呈袢狀的毛細(xì)血管，形成毛細(xì)血管袢，鱗狀上皮覆蓋形成表面。甲襞位于皮下約200 μm處，平行于皮膚表面生長(zhǎng)，因所處位置較淺，且周圍組織的吸收、散射性較低，是觀察微循環(huán)的良好部位[2]。甲襞所顯示的微循環(huán)清晰度、流速、流態(tài)及其微血管周圍狀態(tài)等，都是反映微循環(huán)灌流狀態(tài)的重要指標(biāo)，并在一定程度上反映大循環(huán)狀態(tài)[3]。微循環(huán)病變?cè)谥匕Y患者膿毒血癥、多器官衰竭、心源性休克等病程中有重要影響，因此在重癥患者監(jiān)護(hù)和治療過(guò)程中，微循環(huán)的檢測(cè)與管理有著重要意義[4]，醫(yī)生可以通過(guò)觀察甲襞微循環(huán)圖像及時(shí)了解病人的病情。

近年來(lái)微循環(huán)檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，成為許多學(xué)者的研究重點(diǎn)，其中能夠?qū)崿F(xiàn)微循環(huán)無(wú)損傷成像的方法包括非光學(xué)方法和光學(xué)方法。非光學(xué)成像方法包括核磁共振成像、正電子發(fā)射斷層成像、超聲波成像等；光學(xué)成像方法包括毛細(xì)管顯微鏡（nailfold capillaroscopy,NVC）、反射式共焦顯微鏡、光學(xué)相干斷層攝影、旁流暗視野成像（sidestream dark-field imaging,SDF）、正交偏振譜（orthogonal polarization spectral,OPS）以及激光多普勒成像等[5]。微循環(huán)成像技術(shù)發(fā)展雖然很快，且微循環(huán)成像裝置的研發(fā)也越來(lái)越多。但總體看來(lái)，微循環(huán)成像裝置研制主要集中在舌下和眼科類的應(yīng)用，甲襞微循環(huán)裝置很少，類似裝置的體積非常大，不便于攜帶，且圖像質(zhì)量很差。在使用時(shí)，由于患者的移動(dòng)，成像鏡頭的對(duì)焦等容易導(dǎo)致圖像抖動(dòng)，因此系統(tǒng)的對(duì)焦非常困難。

我們研制出一款尺寸小、重量輕且便攜的床旁甲襞微循環(huán)成像裝置，主要解決了甲襞微循環(huán)裝置尺寸大，不便于攜帶問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)裝置在床旁使用時(shí)的便利性；良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得裝置在采集圖像過(guò)程中能保持圖像穩(wěn)定，避免了因患者的身體或手的移動(dòng)導(dǎo)致圖像晃動(dòng)的現(xiàn)象。采用液體鏡片對(duì)焦技術(shù)，有效提高了裝置的調(diào)焦速度和調(diào)焦便利性。該研究進(jìn)一步地推廣了甲襞微循環(huán)裝置在床旁的使用，為醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)地觀察患者的甲襞微循環(huán)狀況提供了更有效的手段。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案描述

本研究基于工程設(shè)計(jì)的思想對(duì)新型甲襞微循環(huán)成像裝置進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，根據(jù)裝置功能要求進(jìn)行了模塊化劃分。如圖1所示為新型甲襞微循環(huán)成像裝置總體方案框圖，其主要由探頭主體和圖像顯示器兩大部分組成，其中探頭主體主要包括了照明裝置、成像探頭、圖像接收器、控制器、手指夾持結(jié)構(gòu)及相關(guān)連接線等。探頭主體實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲襞的高亮照明，并對(duì)甲襞微循環(huán)進(jìn)行成像放大和圖像的采集，采集完成后傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理分析和顯示?？刂破髦饕獙?duì)照明裝置工作、成像探頭和圖像接收裝置工作進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 The block diagram of the system

1.2 系統(tǒng)工作原理

新型甲襞微循環(huán)成像裝置以旁流暗視野成像為核心技術(shù)[6]，其基本原理如圖2所示，由多個(gè)特定單波長(zhǎng)LED燈珠組成的環(huán)形照明裝置安裝在探頭的前端，其直接照明的范圍不在成像探頭的觀察視場(chǎng)范圍內(nèi)，即成像視場(chǎng)內(nèi)的微血管并沒(méi)有被直接照明，而是靠視場(chǎng)外的光線穿過(guò)皮膚后經(jīng)散射和反射間接照明，從而實(shí)現(xiàn)暗視場(chǎng)成像。

操作時(shí)，醫(yī)護(hù)人員選擇患者任意一手指，并在手指的甲襞上涂上適當(dāng)?shù)南惆赜?，用透明隔膜將手指包裹，防止交叉感染。將患者手指放置于手指夾持結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)夾持結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)甲襞位置，固定好夾持裝置。環(huán)形照明裝置發(fā)出光線照射在甲襞上，成像探頭接收帶有甲襞微循環(huán)信息的光線，通過(guò)光學(xué)調(diào)焦將收集的光線投射至圖像接收裝置，圖像接收裝置完成光電轉(zhuǎn)換，并通過(guò)USB數(shù)據(jù)線將信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理和顯示。

圖2 SDF成像原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of SDF imaging principle

2 探頭主體設(shè)計(jì)

2.1 成像鏡頭

甲襞毛細(xì)血管直徑通常在6～12 μm之間，紅細(xì)胞直徑在6～8 μm之間[7]。現(xiàn)要求對(duì)毛細(xì)血管成像，因此光學(xué)的分辨率尺寸應(yīng)小于6 μm，同時(shí)要求鏡頭尺寸要小，使用時(shí)能快速調(diào)焦，便于醫(yī)護(hù)人員操作使用，因此成像光路的設(shè)計(jì)或選型非常重要。在保證成像質(zhì)量和調(diào)焦快速的前提下，保證裝置輕便，控制簡(jiǎn)單，最終選定了康定的Varioptic Lenses中一款顯微鏡模組如圖3(a)所示，該顯微模組集成了一片液體鏡片，液體鏡片采用電濕潤(rùn)法的工作原理。如圖3(b)所示，在兩種液體表面施加不同的電壓可以改變油溶液和水溶液交界面的形狀，從而改變透鏡的形狀。該鏡頭模組尺寸小，響應(yīng)時(shí)間快，變焦范圍廣，功耗低且價(jià)格便宜[8]，其中鏡頭直徑為13 mm，長(zhǎng)度為14.45 mm。同時(shí)，該模組內(nèi)置了FPC線纜與驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連接，便于對(duì)液體鏡頭與其它模塊進(jìn)行結(jié)合以及工作時(shí)能快速驅(qū)動(dòng)液體鏡片進(jìn)行對(duì)焦[9]。

如表1所示為系統(tǒng)成像的基本性能，放大倍率為-5X（由于系統(tǒng)成的是倒立的像，所以放大倍率為負(fù)數(shù)）。工作距離為5 mm，可調(diào)工作距離為±0.65 mm。鏡頭F#為2.9，計(jì)算可得其物方數(shù)值孔徑為0.17。因此當(dāng)采用波長(zhǎng)為415 nm的藍(lán)光作為照明光源時(shí)，根據(jù)式（1）[10]可計(jì)算其分辨率大小為1.26 μm。該分辨率值小于紅細(xì)胞直徑，因此理論分辨率符合裝置要求。

其中：μ為系統(tǒng)光學(xué)分辨率，λ為照明光源波長(zhǎng)，NA為系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。

圖3 自動(dòng)聚焦顯微模組Fig.3 Autofocus microscope module

表1 顯微模組性能Tab.1 Performance of the microscope module

2.2 圖像接收裝置

通過(guò)成像鏡頭將甲襞微循環(huán)圖像放大-5倍，需通過(guò)傳感器對(duì)圖像進(jìn)行采集?，F(xiàn)采用CCD工業(yè)相機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)USB數(shù)據(jù)線將接收的圖像信息傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

本研究選用了一款匹配成像鏡頭的面陣工業(yè)數(shù)字相機(jī)，大恒圖像的水星USB2.0系列MER-030-120UM相機(jī)。該相機(jī)采用堅(jiān)固的全金屬機(jī)身并配備線纜鎖緊裝置，尺寸為29 mm×29 mm×29 mm，約41 g，結(jié)構(gòu)尺寸小，傳輸性能穩(wěn)定，具體參數(shù)如表2所示。

2.3 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4為氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收光譜圖[11]，從圖4中可知氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白在波長(zhǎng)為415 nm時(shí)具有最強(qiáng)吸收峰；因此選擇中心波長(zhǎng)為415 nm的LED貼片燈珠，其規(guī)格為0603。

表2 CCD參數(shù)Tab.2 Parameters of the CCD

圖4 細(xì)胞內(nèi)氧合和脫氧血紅蛋白的吸收光譜Fig.4 The absorption spectra of intracellular oxygenation and deoxyhemoglobin

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)甲襞暗場(chǎng)照明[12]，現(xiàn)設(shè)計(jì)一可布置6個(gè)0603規(guī)格LED燈珠的環(huán)形PCB，焊接燈珠后將其用UV膠固定于照明裝置內(nèi)?？紤]照明裝置結(jié)構(gòu)的緊湊性和微型特點(diǎn)，同時(shí)為防止PCBA對(duì)反射光線的遮擋，提高光能利用率，要求環(huán)形PCB內(nèi)徑r=2.6 mm，外徑R=7.6 mm；厚度h=1.5 mm，其設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 環(huán)形PCB實(shí)物圖Fig.5 The practicality picture of annular PCB

2.4 控制方案設(shè)計(jì)

藍(lán)光LED工作時(shí)轉(zhuǎn)換效率低，長(zhǎng)時(shí)間工作容易發(fā)熱，影響整體產(chǎn)品的壽命，因此設(shè)計(jì)LED頻閃工作，其頻閃工作的頻率遠(yuǎn)高于相機(jī)工作時(shí)的采集幀率。系統(tǒng)主控芯片采用液體鏡頭廠家推薦的PIC16LF1827，此芯片自帶PWM端口，可直接使用內(nèi)部寄存器配置配合外部電路實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)頻調(diào)光。同時(shí)USB-HUB芯片采用與主控芯片品牌相同(Microchip)的USB2512B，方便元器件的采購(gòu)，控制原理如圖6所示[13]。

圖6 控制器原理圖Fig.6 Schematic diagram of controller

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了便于床旁使用，將裝置設(shè)計(jì)成夾持結(jié)構(gòu)，如圖7所示，將成像鏡頭和圖像接收裝置集成在夾持狀的結(jié)構(gòu)中，減小甲襞微循環(huán)成像裝置的體積；甲襞微循環(huán)成像裝置在使用時(shí)只需要將待觀察手指用該裝置按要求夾住即可，醫(yī)護(hù)人員能快速將裝置固定在患者的手指上，提高了在床旁觀察甲襞微循環(huán)的便利性，且減小了采集過(guò)程中由于患者晃動(dòng)導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降的影響。

圖7 甲襞微循環(huán)圖像采集裝置Fig.7 Image acquisition device of nail-fold microcirculation

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用研制出的甲襞微循環(huán)圖像采集裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可采集甲襞微循環(huán)視頻。在上位機(jī)預(yù)安裝圖像采集軟件，并調(diào)試軟件的對(duì)比度、曝光模式、信噪比等。采集甲襞微循環(huán)時(shí)的場(chǎng)景圖如圖8所示，采集過(guò)程分為：①開(kāi)啟裝置電源，同時(shí)啟動(dòng)肢端微循環(huán)成像軟件；②在待觀察手指的甲襞上涂上適量香柏油，用透明隔膜將手指包裹起來(lái)（防止油滴污染鏡片），將手指按要求放置于裝置本體的手指夾持器內(nèi)；③旋轉(zhuǎn)調(diào)焦按鈕，找到對(duì)焦位置；④點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鍵，開(kāi)始進(jìn)行錄像；⑤點(diǎn)擊“停止”，錄像停止。

圖8 甲襞微循環(huán)圖像采集實(shí)驗(yàn)Fig.8 Experimental of collecting nail-fold microcirculation image

采集完視頻后可在儲(chǔ)存盤內(nèi)調(diào)取視頻進(jìn)行觀察。圖9是用甲襞微循環(huán)采集裝置采集的甲襞微循環(huán)圖像。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，研制出的甲襞微循環(huán)圖像采集裝置獲得的微循環(huán)圖像具有較高的圖像對(duì)比度，操作方便，成像速度快，且可以對(duì)甲襞微循環(huán)狀況實(shí)時(shí)錄像，進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)。

圖9 甲襞微循環(huán)裝置顯示的圖像Fig.9 The display image of nail-fold microcirculation device

4 結(jié)論

本研究基于旁流暗視野成像技術(shù)對(duì)甲襞微循環(huán)成像裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該類裝置的小型化，利用液體鏡頭技術(shù)提高了裝置的操作便利性以及成像速度，同時(shí)采用夾持式的結(jié)構(gòu)減小了裝置成像時(shí)由于患者晃動(dòng)產(chǎn)生的圖像不良的影響，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品可以在床旁對(duì)患者的甲襞微循環(huán)狀況進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集。采集的數(shù)據(jù)可幫助相關(guān)醫(yī)務(wù)人員了解患者的甲襞微循環(huán)狀況，現(xiàn)階段采集的圖像數(shù)據(jù)可以為醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者病情診斷提供參考。下階段我團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步研究，計(jì)算微循環(huán)多種指標(biāo)，并對(duì)產(chǎn)品及相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行臨床評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者病情的定量診斷。同時(shí)該裝置可推動(dòng)對(duì)甲襞微循環(huán)與其他臟器微循環(huán)關(guān)系的研究，進(jìn)一步完善微循環(huán)檢測(cè)技術(shù)。