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一種掃描暗場激光散斑血流成像方法及裝置.pdf

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一種 掃描 暗場 激光 血流 成像 方法 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201510925401.2

申請日:

20151214

公開號:

CN105433906A

公開日:

20160330

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A61B5/00 主分類號: A61B5/00
申請人: 華中科技大學
發明人: 李鵬程,駱清銘,何珩,唐穎
地址: 430074 湖北省武漢市洪山區珞喻路1037號
優先權: CN201510925401A
專利代理機構: 北京華沛德權律師事務所 代理人: 房德權
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510925401.2

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明公開一種掃描暗場激光散斑血流成像方法及其裝置:采用空間局域化的線狀或點狀激光光束照明生物組織,并沿待測組織表面進行掃描,遍歷整個待測的區域。對每次掃描,以面陣CCD或CMOS相機通過光學成像系統采集整個待測區域(含被激光束直接照明的區域,及其周圍未被直接照明的區域)反射的激光散斑圖像,計算各像素對應的激光散斑襯比,將之轉換為血流圖像。對掃描照明激光束處于不同位置時得到的上述所有血流圖像,進行像素加權平均,得到最終的待測區域生物組織二維血流分布圖像。本發明的優點在于加大了在組織中歷經了多次散射的擴散光子對成像的貢獻,比傳統寬光束激光照明的激光散斑血流成像方法提高了檢測深度。

權利要求書

1.一種掃描暗場激光散斑血流成像方法,其步驟包括:(1)將空間局域化的線狀或點狀激光光束照射到被測生物組織待檢測區域中的某個局部位置;(2)用面陣CCD或CMOS相機通過光學成像系統對整個待檢測區域成像,待檢測區域包括被激光束直接照明的區域,及其周圍未被直接照明的區域,連續采集N幀整個待檢測區域的激光散斑圖像;(3)對步驟(2)采集所得N幀圖像,取出各幀圖像中相同位置處對應的像素,組成大小為N個像素的像素集,利用公式(I)計算該時間軸上的時間襯比K,其中,I代表N幀圖像中同一位置處對應N個像素中第p個像素的灰度值,為這N個像素灰度的平均值;(4)按步驟(3)遍歷圖像中所有的像素,獲得所有像素對應的時間襯比值K(i,j),其中i,j分別為該像素在圖像中的空間坐標位置;(5)利用所得激光散斑時間襯比計算該象素處的血流速度值V(i,j),公式如下:其中c為校正系數;(6)分別以每個像素對應的血流速度值為灰度,構建二維血流速度圖;(7)對步驟(6)所得血流速度圖,將其中被激光束直接照明區域相應各像素處的血流速度值設為零;(8)在被測生物組織待檢測區域中掃描移動線狀或點狀激光激光束,使之遍歷整個待檢測區域,并在每個掃描照明的空間位置處重復步驟(2)至(7),若共計掃描M個空間位置,則獲得M幀血流速度圖;(9)將上述步驟完成后獲得的M幀血流速度圖進行平均,即得到最終的整個待檢測區域生物組織血流速度圖像。2.根據權利要求1所述的掃描暗場激光散斑血流成像方法,其特征在于,步驟(3)-(5)用以下處理步驟代替:(3’)對采集到的被測對象反射產生的某一幀紅色通道圖像,在該幀圖像上選取一個尺寸為W×W的空間窗口,該空間窗口內的W×W個像素組成一個大小為W的像素集,該像素集內各像素的灰度值設為I,利用公式(III)計算該空間窗口內的空間散斑襯比K,賦值給該空間窗口的中心位置的像素;其中W為空間窗口的尺寸大小,I代表該W×W的空間窗口中第i個像素的灰度值,為這W個像素灰度的平均值;(4’)按步驟(3’)逐像素滑動空間窗口,遍歷整個紅色通道圖像,獲得所有像素對應的襯比值K(x,y);分別以每個像素對應的襯比值為灰度,構建二維的空間散斑襯比圖像;(5’)對所獲得的N幀紅色通道圖像重復步驟(3’)和(4’)操作,得到N幀二維空間散斑襯比圖像,然后把這N幀空間散斑襯比圖像點對點的累加起來取平均完成多幀平均運算,以獲取一幀信噪比較高的空間散斑襯比圖像K;以此散斑襯比圖像按下式計算獲得t時刻的生物組織二維血流圖像V(x,y,t),其中c為校正系數。3.一種實現上述掃描暗場激光散斑血流成像方法的裝置,其特征在于:包括:激光光源(1)、起偏器(2)、光束整形器(3)、擴束器(4)、柱透鏡(5)、掃描振鏡(6)、樣品(7)、第檢偏器(8)、光電成像系統(9)和計算機(10),所述激光光源(1)、第起偏器(2)、光束整形器(3)、擴束器(4)、柱透鏡(5)、掃描振鏡(6)和樣品(7)依次位于照明光路上,且起偏器(2)與入射激光光束(1)垂直;樣品(7)、檢偏器(8)以及光電成像系統(9)依次位于成像光路上,檢偏器(8)與光電成像系統(9)光軸方向垂直,與光電成像系統(9)同心,且其偏振方向與檢偏器(7)的偏振方向垂直;計算機(10)與掃描振鏡(6)相連,用于控制掃描振鏡將局域化的激光束照射到被測對象上,并掃描激光束;計算機(10)與光電成像系統(8)相連,用于采集激光束掃描至不同位置時被測對象反射的激光散斑圖像,并對采集的圖像進行時間襯比分析、血流值計算和圖像平均操作,獲得最終的被測對象二維血流分布。

說明書

技術領域

本發明涉及一種掃描暗場激光散斑血流成像方法及裝置,用于提高激光散斑血流成像技術的檢測深度,用于生理學、病理學、藥理學和藥效評價研究,以及臨床醫學診斷與治療。

背景技術

現有激光散斑血流成像是一種寬場的血流成像技術,時間和空間分辨率高,在生命科學基礎研究及臨床疾病診療中獲得了廣泛的應用。然而,該技術采樣深度受限,主要探測生物組織淺表層的血流信息。已有報道提高激光散斑血流成像采樣深度的方法包括使用光透明劑,采用透射式成像,以及將激光散斑血流成像與正交偏振方法結合等。使用光透明劑之后,由于組織透明度提高,組織吸收系數和散射系數均發生改變,可以提高激光散斑血流成像方法對血流信息的采樣深度,但是所使用光透明劑的生物安全性及其對血液動力學響應的影響仍需進行系統的評估。透射式成像系統的使用條件有限,僅適用于如手指、耳垂等薄組織的血流監測,而對于腦皮層、面部及軀干皮膚等類似半無限組織,透射式成像系統則不適用。激光散斑血流成像與正交偏振方法結合能消除成像時組織表面的鏡面反射光,從而從一定程度上提高了對血流信號的采樣深度,但改善的程度不高。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種掃描暗場激光散斑血流成像方法及裝置,以提高激光散斑血流成像的檢測深度。

為了解決上述技術問題,本發明專利采取的技術思路是增加在組織中歷經了多次散射的擴散光子對成像的貢獻,即提高那些在組織中穿透深度較大的光子在血流速度計算中所占的比重,具體方案為采用空間局域化的窄線狀或點狀激光光束照明待測生物組織,并沿待測組織表面進行掃描,遍歷整個待測的區域。對每一個激光束照明的位置,以面陣CCD或CMOS圖像傳感器通過光學成像系統采集整個待測區域(含被激光束直接照明的區域,及其周圍未被直接照明的區域)生物組織反射的激光散斑圖像;對采集的激光散斑圖像,計算各像素對應的激光散斑襯比,將之轉換為血流圖像。對掃描照明激光束處于不同位置時得到的上述所有血流圖像,進行平均,得到最終的待測區域生物組織二維血流分布圖像。具體步驟包括:

(1)將空間局域化的線狀或點狀激光光束照射到被測生物組織待檢測區域中的某個局部位置;

(2)用面陣CCD或CMOS相機通過光學成像系統對整個待檢測區域成像,整個待檢測區域包括被激光束直接照明的區域,及其周圍未被直接照明的區域,連續采集N幀整個待檢測區域的激光散斑圖像;

(3)對步驟(2)采集所得N幀圖像,取出各幀圖像中相同位置處對應的像素,組成大小為N個像素的像素集,利用公式(I)計算該時間軸上的時間襯比Kt,

K t = 1 N - 1 Σ p = 1 N ( I p - I ‾ ) 2 / I ‾ - - - ( I ) ]]>

其中,Ip代表N幀圖像中同一位置處對應N個像素中第p個像素的灰度值,為這N個像素灰度的平均值;

(4)按步驟(3)遍歷圖像中所有的像素,獲得所有像素對應的時間襯比值Kt(i,j),其中i,j分別為該像素在圖像中的空間坐標位置;

(5)利用所得激光散斑時間襯比計算該象素處的血流速度值V(i,j),公式如下:

其中c為校正系數;

(6)分別以每個像素對應的血流速度值為灰度,構建二維血流速度圖;

(7)對步驟(6)所得血流速度圖,將其中被激光束直接照明區域相應各像素處的血流速度值設為零;

(8)在被測生物組織待檢測區域中掃描移動線狀或點狀激光激光束,使之遍歷整個待檢測區域,并在每個掃描照明的空間位置處重復步驟(2)-(7),若共計掃描M個空間位置,則獲得M幀血流速度圖;

(9)將上述步驟完成后獲得的M幀血流速度圖進行平均,即得到最終的整個待檢測區域生物組織血流速度圖像。

其中,上述步驟(3)-(5)可用以下處理步驟代替:

(3’)對采集到的被測對象反射產生的某一幀紅色通道圖像,在該幀圖像上選取一個尺寸為W×W的空間窗口,該空間窗口內的W×W個像素組成一個大小為W2的像素集,該像素集內各像素的灰度值設為Ii,利用公式(III)計算該空間窗口內的空間散斑襯比Ks,賦值給該空間窗口的中心位置的像素;

K s = 1 W 2 - 1 Σ i = 1 W 2 ( I i - I ‾ ) 2 / I ‾ - - - ( I I I ) ]]>

其中W為空間窗口的尺寸大小,Ii代表該W×W的空間窗口中第i個像素的灰度值,為這W2個像素灰度的平均值;

(4’)按步驟(3’)逐像素滑動空間窗口,遍歷整個紅色通道圖像,獲得所有像素對應的襯比值Ks(x,y);分別以每個像素對應的襯比值為灰度,構建二維的空間散斑襯比圖像;

(5’)對所獲得的N幀紅色通道圖像重復步驟(3’)和(4’)操作,得到N幀二維空間散斑襯比圖像,然后把這N幀空間散斑襯比圖像點對點的累加起來取平均完成多幀平均運算,以獲取一幀信噪比較高的空間散斑襯比圖像Ks;以此散斑襯比圖像按下式計算獲得t時刻的生物組織二維血流圖像V(x,y,t),

其中c為校正系數。

實現上述掃描暗場激光散斑血流成像方法的裝置包括:激光光源(1)、起偏器(2)、光束整形器(3)、擴束器(4)、柱透鏡(5)、掃描振鏡(6)、樣品(7)、第檢偏器(8)、光電成像系統(9)和計算機(10),激光光源(1)、第起偏器(2)、光束整形器(3)、擴束器(4)、柱透鏡(5)、掃描振鏡(6)和樣品(7)依次位于照明光路上,且起偏器(2)與入射激光光束(1)垂直;樣品(7)、檢偏器(8)以及光電成像系統(9)依次位于成像光路上,檢偏器(8)與光電成像系統(9)光軸方向垂直,與光電成像系統(9)同心,且其偏振方向與檢偏器(7)的偏振方向垂直;計算機(10)與掃描振鏡(6)相連,控制掃描振鏡將局域化的激光束照射到被測對象上,并掃描激光束;計算機(10)與光電成像系統(8)相連,采集激光束掃描至不同位置時被測對象反射的激光散斑圖像,并對采集的圖像進行時間襯比分析、血流值計算和圖像平均等操作,獲得最終的被測對象二維血流分布。

本發明的優點在于加大了在組織中歷經了多次散射的擴散光子對成像的貢獻,比傳統寬光束激光照明的激光散斑血流成像方法提高了檢測深度。

附圖說明

圖1掃描暗場激光散斑血流成像系統裝置圖。

圖2掃描暗場激光血流成像方法流程圖。

圖3掃描暗場激光血流成像方法與現有方法動物實驗結果的血流圖對比圖,3(a)傳統寬場激光散斑血流成像方法得到的血流圖;3(b)掃描暗場激光血流成像方法得到的血流圖。

具體實施方式

如圖1所示,掃描暗場激光散斑血流成像方法的裝置包括:激光光源1、第起偏器2、光束整形器3、擴束器4、柱透鏡5、掃描振鏡6和樣品7依次位于照明光路上,且起偏器2與入射激光光束1垂直;樣品7、檢偏器8以及光電成像系統9依次位于成像光路上,檢偏器8與光電成像系統9光軸方向垂直,與光電成像系統9同心,且其偏振方向與檢偏器7的偏振方向垂直;計算機10與掃描振鏡6相連,控制掃描振鏡將局域化的激光束照射到被測對象上,并掃描激光束;計算機10與光電成像系統8相連,采集激光束掃描至不同位置時被測對象反射的激光散斑圖像,并對采集的圖像進行時間襯比分析、血流值計算和圖像平均等操作,獲得最終的被測對象二維血流分布。具體而言,He-Ne激光器(25-LHP系列,MellesGriot,美國)發出的激光通過擴束與準直透鏡組后,被一個長焦距柱透鏡(f=400mm)聚焦為一條直線,即線形光。線形光束通過一個與水平面呈45°角放置的分光鏡后,經由該分光鏡反射的線形光以90°角入射到被測樣本表面。由樣本反射之后的光則再次通過分光鏡,經分光鏡透射的光經由顯微鏡系統后(Z16APO,Leica,德國)由一個12位CCD(PixelFlyqe,PCOComputer,Germany)相機采集并保存在電腦中。同時,該分光鏡與一個微距線性移動平臺相連接,并由計算機其帶動控制分光鏡在水平方向上的微距移動,使得線形光束左右移動從而對被測樣本進行掃描照明。He-Ne激光器和擴束與準直透鏡組之間的可調節衰減片用于調節照明光光強,使得實驗中照明光光強在CCD動態范圍內,防止飽和現象出現。實驗時CCD相機前會放置一個線偏振器,用于消除鏡面反射的影響(圖1中未標出)。由于He-Ne激光器實際的出射光并非完全的線偏振光,還有少量其它偏振態的光,因此在He-Ne激光器和可調節衰減片之間會放置另一個線偏振器,用于阻擋其他偏振態的光,保證出射光為線偏振光。這種配置可以用來實現激光散斑血流成像與正交偏振方法的結合,從而驗證正交偏振方法對激光散斑血流成像采樣深度的影響。

通過動物實驗,將本發明的方法與傳統寬場照明成像方法作比較來驗證本方法可以提高血流成像的采樣深度。動物實驗對象是購自湖北省疾病預防與控制中心的成年Wistar大鼠,體重約200g。實驗中所用麻醉試劑為2%水合氯醛和10%烏拉坦的混合液。使用該混合液對大鼠腹腔進行注射,使用劑量為0.9mL/100g。待大鼠完全麻醉后對其進行開顱手術。先通過皮膚剪去掉頭骨上的毛皮,使用牙科鉆(FineScienceTools,USA)將暴露的頭骨區域一側頂骨磨薄,待磨薄到一定程度時將此處整個頭骨掀除,開一個4mm×3mm左右的觀測窗。整個開顱手術過程中,大鼠一直固定于腦立體定位儀上(MP8003,深圳瑞沃德生命科技),其體溫由反饋式體溫維持儀實時監測與控制,使其直腸溫度保持在37±0.5℃。此后,將腦立體定位儀連同大鼠等一起放置于防震光學平臺(VH3036W,Newport)上,調節體視顯微鏡(OlympusSZ6045TRZoom,Japan)直至聚焦于暴露的大鼠腦皮層區域。實驗開始前,將少量生理鹽水滴到大鼠暴露的腦皮層,以減少鏡面反射的影響。

按照圖2所示掃描暗場激光散斑血流成像方法的流程,進行如下步驟:

(1)計算機控制平移臺將線形激光光束掃描到位置1,直到微距線性移動平臺完全停止移動,才可觸發CCD相機采集原始激光散斑圖像。

(2)用面陣CCD或CMOS相機通過光學成像系統對整個待檢測區域(包括被激光束直接照明的區域,及其周圍未被直接照明的區域)成像,連續采集40幀整個待檢測區域的激光散斑圖像;

(3)對步驟(2)采集所得N幀圖像,取出各幀圖像中相同位置處對應的像素,組成大小為40個像素的像素集,利用公式(I)計算該時間軸上的時間襯比Kt,

K t = 1 N - 1 Σ p = 1 N ( I p - I ‾ ) 2 / I ‾ - - - ( I ) ]]>

其中,Ip代表N幀圖像中同一位置處對應40個像素中第p個像素的灰度值,為這40個像素灰度的平均值;

(4)按步驟(3)遍歷圖像中所有的像素,獲得所有像素對應的時間襯比值Kt(i,j),其中i,j分別為該像素在圖像中的空間坐標位置;

(5)利用所得激光散斑時間襯比計算該象素處的血流速度值V(i,j),公式如下:其中c為校正系數;

(6)分別以每個像素對應的血流速度值為灰度,構建二維血流速度圖;

(7)對步驟(6)所得血流速度圖,將其中被激光束直接照明區域相應各像素處的血流速度值設為零;

(8)在被測生物組織待檢測區域中掃描移動線狀或點狀激光激光束,使之遍歷整個待檢測區域,并在每個掃描照明的空間位置處重復步驟(2)-(7),共計掃描16個空間位置,則獲得16幀血流速度圖;

(9)將上述步驟完成后獲得的16幀血流速度圖進行平均,即得到最終的整個待檢測區域生物組織血流速度圖像。

作為同樣技術構思下的替代技術方案,步驟(3)-(5)用以下處理步驟代替,其余步驟保持不變:

(3’)對采集到的被測對象反射產生的某一幀紅色通道圖像,在該幀圖像上選取一個尺寸為W×W的空間窗口,該空間窗口內的W×W個像素組成一個大小為W2的像素集,該像素集內各像素的灰度值設為Ii,利用公式(III)計算該空間窗口內的空間散斑襯比Ks,賦值給該空間窗口的中心位置的像素;

K s = 1 W 2 - 1 Σ i = 1 W 2 ( I i - I ‾ ) 2 / I ‾ - - - ( I I I ) ]]>

其中W為空間窗口的尺寸大小,Ii代表該W×W的空間窗口中第i個像素的灰度值,為這W2個像素灰度的平均值;

(4’)按步驟(3’)逐像素滑動空間窗口,遍歷整個紅色通道圖像,獲得所有像素對應的襯比值Ks(x,y);分別以每個像素對應的襯比值為灰度,構建二維的空間散斑襯比圖像;

(5’)對所獲得的N幀紅色通道圖像重復步驟(3’)和(4’)操作,得到N幀二維空間散斑襯比圖像,然后把這N幀空間散斑襯比圖像點對點的累加起來取平均完成多幀平均運算,以獲取一幀信噪比較高的空間散斑襯比圖像Ks;以此散斑襯比圖像按下式計算獲得t時刻的生物組織二維血流圖像V(x,y,t),

其中c為校正系數。

上述兩種技術方案所獲得的動物實驗結果如圖3所示,圖3(a)為現有寬場激光散斑成像方法得到的血流圖像,而圖3(b)為本方法得到的血流圖像。從圖中可以看出,本方法分別出了更多的皮層小血管,特別是圖中箭頭所標示的三個位置均處于磨薄的頭骨之下,這里的三根血管在寬場方法下均不能被分辨出,而使用本方法均可以被分辨出來,表明本方法可以提高血流成像的采樣深度。

最后所應說明的是,以上具體實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制,盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明,本領域的普通技術人員應當理解,可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換,而不脫離本發明技術方案的精神和范圍,其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。

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