生物医学工程中的散斑计量法应用
散斑计量法是从六十年代发展起来的一种较新的实验应力分析方法,它最初被认为是一种带有无用信息的特殊噪声,到了1969年散斑所携带的信息得到了应用才发展成了一种测试方法。经过不断发展，散斑法作为全场性、非接触、高精度的实验方法已经越来越多被运用到工程中的各个领域，如水利、土建、机械、造船、航空、核电、材料、生物医学等，其本身也有了很大的发展，比如降低实验环境要求、简化实验过程、扩大测量范围、数据处理的自动化等。本文就生物医学工程中散斑计量法的应用，对散斑计量法的基本原理及特点进行概要的介绍和评价。
1．散斑计量法的定义
散斑计量法是实验力学中诸多光学测量方法中的一种。当相干光(激光)照射物体表面后，在物体表面前方空间形成的随机分布的明暗点被称为散斑，散斑随物体表面的变形或移动而运动，比较被记录下来的物体变形前后两个散斑图的变化从而检测物体表面各点位移或应变的方法被称为散斑计量法,简称散斑法。
根据光源的不同，散斑法可以被分为激光散斑法和白光散斑法。所谓白光散斑法是指利用在物体表面涂上银粉漆、玻璃微珠或者打毛抛光等方法进行人工斑化后，用非相干光照明，然后比较分析物体变形前后的散斑图从而提取出位移信息的方法。白光散斑法具有实验条件要求较低、测量灵敏度的范围较大、允许被测物面积较大等优点。
2．散斑照相法及散斑干涉法
散斑照相法（单光束散斑干涉法）和散斑干涉法（双光束散斑干涉法）是两种较传统的用散斑测量物体变形及位移的方法。
散斑照相法是把物体表面变形前后所形成的两个散斑图记录在同一张底片上形成双曝光散斑图然后对其进行分析以得到位移或位移导数的分布。记录散斑时既可以直接记录客观散斑，也可以通过透镜记录主观散斑。对双曝光散斑图进行分析可以采用逐点分析法或者全场分析法两种方法。
散斑干涉法是利用被测物体表面散射光所产生的散斑场与另一参考光相干涉然后对其形成的条纹进行分析来测量物体表面变形情况的方法。与单光束散斑法相比，双光束散斑法的灵敏度要高得多，但不足之处是每次只能测得一个方向的位移分量，而欲求另一位移分量时又得改变光路再测一次。
散斑照相法和散斑干涉法在很早就被引入到生物医学工程领域中,如通过散斑照相法研究人体股骨以及骨折后置入的内固定器在各种载荷情况下的变形，分析并探讨预防股骨颈骨折的方法、各种股骨内固定器的功效以及为制作人工股骨头提供力学数据[1]。之后散斑法在测量人体骨骼位移及变形方面有了更广泛的应用，如Kasprzak[2]等人利用激光散斑照相法分别对带有不同固定装置的断裂小腿骨在轴向加载下的变形情况进行了研究。1998年，伦敦大学的Mo[3]等人利用激光散斑照相法模拟正常生理环境,在水槽中对一骨样本分别在扭转和拉伸过程中进行了骨皮质的位移测量,并探讨了水深对其结果的影响。同年，Kirkpatrick[4]等人利用激光散斑应变仪测量了人体动脉壁在病理状态下的微小应变,对动脉粥样硬化的早期诊断起到了促进作用。
由于散斑法测量离面位移不够灵敏以及量程较小，它常常和其它光测力学的方法结合起来使用。有研究报道，通过用激光全息散斑法可以研究不同内固定方式对人体腰椎生物力学的影响以及口腔双端固定桥的稳定性[5][6]。
3．电子散斑干涉法（electronic speckle pattern interferometry ，ESPI）
散斑法的现代化是从电荷耦合器件(charge coupled device,简称CCD)摄像机等光电子器件被引入开始的。电子散斑干涉法就是这样一种方法，它是按照散斑干涉法原理设计的，所不同的是它以光电子元件代替了传统的银盐胶片，摆脱了烦琐的湿处理过程,并提高了测量速度，它是以电子学、数字化技术和散斑法相结合的产物。其基本原理为：光学干涉仪形成原始散斑干涉场,由CCD 探测器将其转换成标准视频信号输入到带图像卡的计算机进行图像处理,最后可以直接在屏幕上观察到与变形相关的干涉条纹。
数字散斑干涉(digital speckle pattern interferometry, DSPI)技术与电子散斑干涉法相比一个显著的特点是灵敏度可变。它通过控制某些参数,得到不同分辨的测量结果，因此在很多应用中有着更大的优势。因为DSPI是在传统的ESPI基础上发展起来的，所以在习惯上还是被人们称为ESPI。
1996年，Roman[8]等人通过加载模拟，研究了人在咀嚼时上颌骨和下颌骨运动及变形情况，对颌骨断裂的诊断及治疗、口腔外科手术、畸齿矫正术等均有重要意义。
张春紫于1998年利用电子散斑干涉法作了在矫正畸齿中的机械力扩弓与磁力扩弓效应的对比实验研究、固定桥基牙槽骨受力的变形分析，并对电子散斑干涉法在口腔修复力学的效果测量中的应用做了探讨[9]。
如果利用光导纤维可弯曲传光和传像的特点,将光纤与散斑计量结合就形成了光纤-散斑法。光纤-光散斑法简化了实验用光学元件，可测得远方或复杂结构物内腔的位移和变形，而且白光散斑分辨率较低，与低分辨率的光纤相适应，又无需使用单模光纤，因此是一种理想的光纤-光力学方法，在生物医学领域也获得了较大的应用。如 Rodriguez,等 [10]利用光导纤维对ESPI作了改进，并且运用于对人体颌骨机械行为的研究。
电阻应变计是广泛用来测量热应变的一种工具，但是由于其是接触式电测法其缺点是显而易见的。如果利用散斑的方法就可以较好的解决上述问题。Kishen[11,12]等人就分别利用ESPI和DSPI模拟口腔环境，实时测量了人体切牙面舌部在室温从25-50℃变化过程中的形变情况，并得出了牙颈部对温度的变化最为敏感的结论。
利用散斑法也可以测量物体的振动，其基本原理[13]如图2所示：被研究的表面用激光照明,并用一个可以控制散斑尺寸的可变孔径光阑成像；由表面波节区域散射光信息在观察平面上形成一个清晰的静止散斑图样；由于波节区的散斑对比度较高,故观察者可以观察到的散斑对比度的等值带就是振动振幅的等值线。早在70年代末Lokberg等人就利用ESPI 成功了测量了人体耳膜在接受声音时的振动情况[14]。同样，利用光纤，电子散斑干涉技术也可以用于对喉咙发声时喉节的振动情况进行检测，从而有利于更加准确及时的对喉部疾病进行早期疹断[15]。
4．数字散斑相关方法（digital speckle correlation method ,DSCM）
数字散斑相关方法是80年代初由山口一郎和Peter、Ranson等人同时独立提出的，它是现代数字图像处理技术与光学测量相结合的产物。相比之下数字相关方法彻底摆脱了特定测量环境的要求，避开了由条纹图作为信息载体而直接从物体表面微观结构及表面散斑场这些信息载体中提取变形信息，具有较大的优越性。在国内高建新等率先对此方法进行了系统研究[16]。其基本原理是：在给定物体变形前后的两个数字散斑场中识别出物体变形前后相对应的某一散斑子区,通过仿射变换后两散斑场之间的相似程度判断变形前后散斑场之间的相关性。在仿射变换中引入试凑散斑位移,这样就使物体变形前后两散斑场(经仿射变换)之间的相关性与散斑位移场联系起来,相关性成为散斑位移函数的一个泛函,而物体的变形量可从位移导出。所以，对物体变形的测量变为了散斑相关值对试凑散斑位移的数字迭代过程。
1996年张修银等[17]首次将数字相关方法用于牙冠形状的三维测量。1998年高建新[18]等人由两个摄像机同时记录，通过数字相关方法测出人体关节运动过程中各标志点的平面位移，然后用立体摄影法求解各测点在运动过程中的三维坐标，得到各标志点的三维运动,并针对刚体位移的特点，提出了被测区域的侧转和自转指标，实现对人体关节一般空间运动的定量分析，为医学手术的评价提供了实验测量基础。
2003年Zhang[19]用电子散斑干涉法及数字散斑相关法这两种方法分别在单纯拉力载荷情况下对人体软组织相应的持续应变进行了测量，并计算出了弹性模量和伸长率。国内的戴如春[20]等人分别截取老年对照者,年轻对照者及晚发型脊柱骨骺发育不良伴进行性骨关节病（SEDT—PA）病患者的股骨头软骨、胫骨平台、股骨头软骨并用DSCM对其进行拉伸性能的测试，得出如下结论：可以通过测定软骨标本拉伸性能的变化来区别出是年龄还是病变的影响。
于光[21]等人利用白光数字散斑相关方法，首次把散斑技术引入到了人的口型变化测量中，为唇语识别技术奠定了基础，也为唇读研究开辟了新的思路。相对于计算机唇读方法，散斑法研究唇读的优点在于：可避免照明、阴影等因素的影响,同时由于硬件的采用,必将减轻单纯应用计算机处理带来的算法复杂、数据计算量大、实时性不好等不利因素的影响。随着激光技术、图像处理技术、计算机技术的迅速发展,可以预见不久的将来散斑法会在语音识别技术中得到更深入的应用。
5．生物散斑
激光被生物组织散射形成的散斑,称为生物散斑(bio-speckle)。当一束入射光射入生物组织后,光子经过多次散射一部份被吸收,一部份被生物组织散射出体外,射出体外的散射光携带了生物体内部的许多生物信息。如果使用的是相干光源，出射的光子在自由空间中会进行相干叠加，形成生物动态散斑。动态散斑的运动包括平移和随机形成的沸腾；散斑中各斑点相对位置关系不变而整体移动，称为“平移散斑”（translation speckle）;散斑各斑点的亮度、大小等呈随机起伏，总体散斑位置不平移，称为“沸腾散斑”（boiling speckles）。生物散斑现象被发现以来就一直受到人们的关注，并在某些领域如监测水果的风干过程、评估水果的擦伤程度及植物种子的活性、微生物分类等取得了不少成就[22]。
生物散斑法在生物医学领域可以运用于心动位移诊断技术。由于激光散斑的无接触、高灵敏度以及全场检测等优点，早在80年代初就已经用于诊断心动位移[23]。经过一些年的发展，利用数字散斑测量心动位移已经比较成熟，具体说来如图3所示:利用激光对被测者心前区胸壁体表进行照射，在体表运动时通过同步控制触发激光进行双曝光，用CCD接收两幅干涉散斑图，分别存储于图像处理卡不同的帧存体中，然后经过数字图像相减得到散斑相关条纹图。触发信号可由三电极方法引出心电信号经前置放大和比较器提取出R波信号并输入同步控制单元获得。根据反映瞬时动态位移分布的生物散斑相关条纹就可以进行三维心动图的重建，并且可以定量地得到胸壁体表沿灵敏度矢量方向的空时位移分布。人体皮肤表层血液流动对心动的测量所产生的影响虽然很复杂但很微小。由于心动条纹图对房室机械运动非常敏感，因此房室的微小运动会使条纹图局部模式发生改变。根据这种局部模式的改变就有可能对心动正常和异常的条纹图进行特征选择和分类并为心动诊断提供依据[24]。
利用生物散斑还可以对人体微循环进行研究。由于皮肤真皮内存在许多微血管，当用激光照射皮肤时，这些微血管的运动信息都或多或少反映到激光散斑中，接收器接收到的散射光信号具有一定的统计平均效果，利用统计学方法处理散斑信号就可以对皮肤内的红血球密度[25]、血流量[26]进行测量。皮肤微血管内的血液流动非常复杂，流速在血管中心不同距离处往往不是相同值，以统计方法为数据分析手段的激光散斑必然具有多普劳动力血流计所不具有的一些优点。1996年刘迎等人[27]提出了生物散斑活力的概念及其物理表示，研究了皮肤散斑的活力对皮下微血管中红血球运动的敏感性，并指出了散斑信号跨零率（散斑时变强度值的跨越强度平均值的频率）与血流速度和其它血液动力学特性间的关系。2001年温午麒[28]等用生物散斑法对微循环自律运动进行了研究并证明了其可行性。
６．结束语
就生物医学工程特别是生物力学领域，我们可以看出散斑法的应用已经从人体表面到人体内部，从骨性组织到各种粘弹性组织，甚至包括流体，从微观到细观，从静态到动态，从对标本的测量到对活体的研究，都取得很大的进步。但就人体的复杂程度以及散斑法方法本身的局限性而言，在某些方面应用还是很有限，比如动态测量，活体测量方面。值得一提的是,对超声波在人体内部传播时散射和干涉时所形成的散斑进行研究,就能得到有关人体内部组织的运动信息[29,30,31],这一点较之光散斑法具有较大的优越性。
散斑法作为实验力学中光测力学的一类方法已经在生物医学工程领域获得了广泛的应用。可以预计随着激光技术、图像处理技术、计算机技术等学科的成就以及各个学科不断交叉渗透、各种研究方法的结合运用，散斑法一定会在生物医学工程领域发挥更大的作用。
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