激光散斑

早在十七世紀，許多科學家就已研究過斑紋現象。

1730年牛頓已經注意到"恆星閃爍"而行星不閃爍，光源發出的光被隨機介質散射在空間形成的一種斑紋 。

十九世紀後期，發現的散射光現象有牛頓漫射環；適度相干光被覆蓋有小顆粒的玻璃片衍射時產生的夫琅和費衍射環；

在二十世紀初勞厄完整地描述了夫琅和費衍射環內發現的斑紋圖案的統計特性，包括二階概率密度函數和強度自相關函數的推導等。1960年世界出現了激光器，高度相干性的激光照在粗糙表面很容易看到這種圖樣，散斑攜帶大量有用信息。隨着激光的發明和使用，激光散斑現象逐漸得到科學家和激光使用者的認識和關注。在激光應用的早期，激光散斑現象被認為是對光學系統的一種干擾，它嚴重影響了成像時的分辨能力。科學家們嘗試使用時間和空間部分相干光照明，使用有限孔徑和移動孔徑時間平均等方法來減弱散斑現象。然而沒過多久，科學家們就開始研究散斑的特有性質，同時發展激光散斑技術的實踐應用 ^[3] 

散斑在工程技術方面等各方面有廣泛的應用。散斑的理論是統計光學的一部分，與光的相干理論在很多地方相似和相通。激光散斑在信息處理、天文物理、工業測量和生命科學等領域都有廣泛的應用。比如，利用定向散斑或散斑的多次曝光作為信息存儲方法，使用調製斑紋圖樣的光學處理來研究物體的位移，物體表面粗糙程度測量，物體振動和運動測量，光學系統校準，星體斑紋干涉度量 ^[4]  ，微循環血流和灌注率測量，血小板聚合檢測和熒光散斑顯微鏡應用等。

當相干光從粗糙表面反射或從含有散射物質的介質內部後向散射或透射時，會形成不規則的強度分佈，出現隨機分佈的斑點。粗糙表面和介質中散射子可以看作是由不規則分佈的大量面元構成，相干光照射時，不同的面元對入射相干光的反射或散射會引起不同的光程差，反射或散射的光波動在空間相遇時會發生干涉現象。當數目很多的面元不規則分佈時，可以觀察到隨機分佈的顆粒狀結構的圖案，這就是光通過散射介質和自由空間傳播時形成的散斑（顆粒狀結構斑點稱為散斑） ^[5]  。

如果通過光學系統對散斑成像 ^[3]  ，圖像中任意點的光強等於所有到達該點光波的波幅代數和。如果合成波幅為零，是因為所有單個的波相互抵消，在該點形成的一個暗的散斑圖案，相反，如果所有到達該點的光波 ^[6]  都是同相的，就會觀察到一個最大亮度的散斑圖案，而來自照明區域內不同點的光會對像面上的所有像點的散斑強度都有貢獻。圖 1 説明了成像散斑的形成，粗糙表面任意點的相干反射光波通過透鏡後在像平面疊加。從圖 2中可以清楚的看到氦氖激光（波長為 632.8 nm）照射在白紙上形成的典型的散斑分佈圖像，散斑圖像是由明暗相間的單個散斑組成。散斑現象主要由可見的相干光形成，但應強調的是，在其它的電磁波譜區會出現此類現象。比如典型的例子有：人體器官超聲影像時的散射現象，綜合孔徑雷達在微波譜區的散射現象以及 X 射線在液體中的散射等等。

從圖 3 可知，激光散斑主要應用於微循環的血流監測，這是因為激光散斑測量法相對於放射性微球技術

^[7]  、熒光示蹤檢測法 ^[8]  和氫離子稀釋 ^[9]  等方法，具有非接觸、無創傷、能對血流分佈快速成像等優點。具有相同優點的另外一種光學檢測技術——激光多普勒速度測量技術，是利用粒子散射光的強度波動引起的多普勒頻移來測量散射子的速度，它可用於監控血流以及人體其它組織或器官的運動。激光多普勒技術用於測量血流速度的研究始於 20 世紀 70 年代，至今已經發展為成熟的醫療診斷工具。與激光多普勒技術不同的是，激光散斑是受激光照射物體產生的隨機干涉效應的顆粒狀圖案。如果物體由單個移動散射體（如血細胞）組成，散射圖案會有波動。這些波動包含了散射體運動變化的信息。儘管激光散斑技術看起來和激光多普勒技術大相徑庭，一個是多普勒現象，一個是干涉現象，但是通過數學分析，這兩種方法在最終的數學表達上是可以統一的 ^[10]  。

時變散斑是一種隨機現象，只能使用統計學的方法分析，Goodman 為此提出了詳細的理論解釋和分析 ^[11]  。其中的一個結論對激光散斑襯比成像技術非常重要，就是散斑圖像的一階統計特性。這裏的一階是指空間中一點散斑強度的統計特性，或者對時變散斑來説是時空的統計特性。對於光譜區內大多數實驗，直接測量的是光波的強度；而對超聲和微波譜區成像，可以直接測量場的幅度分佈。因此，首先考慮散斑的隨機復矢量振幅的統計特性，然後計算出散斑圖像強度的一階統計特性。

散斑的一階統計描述了單點光強的漲落，如果需要了解散斑圖像中光強從空間一點到另一點的快速變化，瞭解散斑的空間結構和散斑的尺寸，則需要進行散斑的二階統計 ^[12]  。散斑二階統計的常用方法就是計算散斑強度分佈的空間自相關函數和它的功率譜密度。

在靜態散斑研究中，散斑光強自相關函數可以幫助瞭解散斑空間結構的統計性質。對動態散斑而言，靜態散斑光強起伏的自相關函數概念可以推廣為動態散斑光強起伏的空間－時間互相關函數 ^[13]  。動態散斑的性質與散射物質的運動速度有關，因此可以使用動態散斑的二階統計來測量散射物質的運動速度。在照明光（高斯光束束腰半徑）、波面曲率半徑等有關參數已確定的條件下，測得給定點的散斑光強波動，求出相關函數的相關時間（時間相關函數半寬）或相關長度（空間相關函數半寬），即可確定散射物質速度的大小 ^[11]  。

使用空間頻譜分析的方法也可以進行動態散斑測量。在此方法中，需要在光探測器前放置一個與運動方向垂直的單縫光柵，探測器探測的信號輸入譜分析器，計算功率譜密度函數，一階譜對應的頻率與速度相關。如果物體運動的方向不可知，則需轉動光柵考察輸出功率譜的變化情況來判斷其運動方向。

由於具有非接觸，無創傷，在體快速成像等優點，激光散斑成像技術非常適用於微循環血流的測量。使用激光散斑技術可以測量血管管徑，血管密度，血液流速和血流灌注量等微循環參數，結合血壓、血氣等生理監測儀器，可以用來研究血液、淋巴液及組織液的流變學特性。通過考察微循環血管的結構，微循環功能以及代謝活動，可以研究炎症、水腫、出血、過敏、休克、腫瘤、燒傷、凍傷、放射損傷等基本病理過程中微循環改變的規律及其病理機制，對疾病診斷，病情分析，救治措施和藥物開發都具有重要的意義 ^[12]  。圖4展示了微循環的相關血流參數以及可應用的血流監測現象，通過這些參數和現象可以獲取血液微循環的功能、結構和代謝信息。

在微循環血流監測中，激光多普勒技術已經非常成熟，激光多普勒血流儀也已完全商品化。理論上，目前激光多普勒血流監測的應用都可以為激光散斑血流成像技術所替代，並且後者具有高時間和空間分辨率的全場測量優勢。

研究表明，大腦神經元活動與局部腦血流變化存在緊密聯繫 ^[14]  。Boas 研究小組率先使用激光散斑襯比成像監測腦血流（CBF: Cerebral Blood Flow）的時間和空間變化。他們通過對比激光散斑技術與激光多普勒技術的腦血流測量結果，驗證了激光散斑血流監測技術的有效性 ^[15]  ；並使用該技術監測了皮層擴散抑制（CSD: CorticalSpreading Depression）時皮層和軟腦膜的血流變化 ^[16]  ；Yodh 和 Luo 研究小組研究了對大鼠軀體功能刺激引起的腦血流變化，刺激強度與腦血流變化大小相關 ^[17]  ；結合內源光光譜成像和激光散斑成像技術，可以同時測量腦血流的血氧、血容和流速的變化 ^[18]  ；而結合熒光成像和激光散斑技術，可以測量腦血流和氧化代謝的動態變化。

腸繫膜是一種極薄而透明的膜樣組織，有簡單且完整的微血管網，顯微鏡下能清楚看到微血管、淋巴管及腔內細胞的流動狀態，因此，腸繫膜是非常理想的微循環監測模型 ^[12]  ，適用於藥物作用的研究。Tuchin 和 lyanov 等對腸繫膜上的不同血管管徑的微循環血流和淋巴流進行了在體監測 ^[2]  ；Cheng 等在腸繫膜上滴加不同濃度的酚妥拉明溶液和去甲腎上腺素，觀察微循環在藥物作用下的時空響應特性，為臨牀研究藥物的劑量安全性提供了一種新的測試方法 ^[19]  。

皮膚的真皮層及皮下組織有豐富的微血管，除維持皮膚的營養供應外，還對體温調節起重要作用。研究皮膚的微循環有利於各類皮膚病，局部炎症、外傷、燒傷和凍傷等診斷和治療。目前激光散斑應用於皮膚微循環的應用較少，Choi 觀察了齧齒動物背部皮膚的表皮及表皮以下血流變化 ^[1]  ；Bray 比較了激光多普勒和激光散斑的皮膚微循環血流測量 ^[20]  。激光多普勒技術在皮膚微循環測量中的應用非常廣泛：Newton在糖尿病潰爛康復的植皮治療中觀察到在潰爛處底部的血流增加，反映出新生血管的增加[50]；Gschwandtner 測量了缺血性潰爛的血流變化 ^[21]  ；對燒傷的評估發現，高血流灌注區域可以通過藥物和保守治療而恢復，低血流灌注區域則需要重新植皮；Quinn 用它來觀察過敏接觸的炎性反應和刺激反應[56]；激光多普勒成像也被用於皮膚斑，惡性皮膚腫瘤的診斷。