一種快速激光散斑血流成像方法
【專利摘要】一種快速激光散斑血流成像方法，該方法包括如下步驟：1)用激光器(1)作為光源，通過激光擴(kuò)束器(2)擴(kuò)束，再經(jīng)過平面鏡(3)反射，照射在毛玻璃(4)上；2)毛玻璃由步進(jìn)電機(jī)(5)帶動，進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)；3)激光通過勻速旋轉(zhuǎn)的毛玻璃形成不相關(guān)散射光源照射在被測對象(6)表面；4)被測對象表面對入射光產(chǎn)生散射，并在圖像采集設(shè)備(7)表面形成散斑；5)圖像采集設(shè)備以曝光時間T對散斑圖像進(jìn)行連續(xù)成像，并送至計算機(jī)(8)處理；6)計算機(jī)進(jìn)行計算后建立相對血流速度分布圖。相對于現(xiàn)有的激光散斑血流成像方法，本發(fā)明的方法具有運算量小，實時性好的優(yōu)點。
【專利說明】一種快速激光散斑血流成像方法
[0001]本申請是申請?zhí)枮椤?01310234441.3”、申請日為2013年6月13日、發(fā)明名稱為“一種快速激光散斑血流成像系統(tǒng)和方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像技術(shù)，特別涉及一種基于激光散斑原理的血流成像系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0003]激光散斑血流成像技術(shù)屬于光學(xué)成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具有光學(xué)成像無電離輻射、非接觸測量的優(yōu)勢。具體而言，該技術(shù)利用生物組織后向散斑來獲取血流速度信息，通過成像方式即獲得全場的二維高分辨率血流分布圖像，其優(yōu)勢在于:無需結(jié)合機(jī)械掃描；無需注入造影劑等外源性物質(zhì)，可實現(xiàn)長時間連續(xù)的血流監(jiān)測；結(jié)合CCD相機(jī)等圖像采集設(shè)備及高性能并行運算設(shè)備，該技術(shù)可達(dá)到微米量級的空間分辨率和毫秒量級的時間分辨率，真正實現(xiàn)了實時高分辨血流成像。因此，激光散斑血流成像系統(tǒng)簡單有效，通過與其他成像技術(shù)相結(jié)合，可以用于測量血管管徑、血管密度、血液流速和血流灌注等微循環(huán)參數(shù)，通過考察微循環(huán)血管的結(jié)構(gòu)，微循環(huán)功能以及代謝活動，可以研究炎癥、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(huán)改變的規(guī)律及其病理機(jī)制，對疾病診斷、病情分析和救治措施都具有重要的意義。
[0004]現(xiàn)有的激光散斑血流成像方法主要可分為以下三種:
[0005](I)空間對比度成像法:中國發(fā)明專利CN1391869A “利用激光散斑成像儀監(jiān)測腸系膜上微循環(huán)血流時空響應(yīng)特性的方法”，該方法的主要缺點是圖像空間分辨率較低。
[0006](2)時間對比度成像法:中國發(fā)明專利CN1792323A “一種經(jīng)顱腦血流高分辨成像方法及其裝置”，該方法的主要缺點是圖像時間分辨率較低，容易受圖像抖動的影響。
[0007](3)時空聯(lián)合對比度成像法:中國發(fā)明專利CN101485565A “一種激光散斑血流成像分析方法”，中國發(fā)明專利CN102429650A“一種激光散斑血流成像襯比分析方法”，這兩種方法都是利用空間和時間結(jié)合的方法提高成像的空間分辨率和時間分辨率，但是都存在算法運算量過大、速度較慢的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的激光散斑血流成像系統(tǒng)和方法運算量大、速度慢的問題，提出了一種快速激光散斑血流成像系統(tǒng)和方法。
[0009]本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種快速激光散斑血流成像系統(tǒng)，包括:激光器、激光擴(kuò)束器、平面鏡、毛玻璃、步進(jìn)電機(jī)、被測對象、圖像采集設(shè)備、計算機(jī)，其中，激光器發(fā)射出的激光通過激光擴(kuò)束器進(jìn)行擴(kuò)束，經(jīng)過平面鏡反射后，再通過由步進(jìn)電機(jī)帶動的勻速旋轉(zhuǎn)的毛玻璃散射后，照射在被測對象表面，被測對象對入射來的激光產(chǎn)生后向散射，所產(chǎn)生的后向散射光在圖像采集設(shè)備表面形成散斑，圖像采集設(shè)備對所形成的散斑進(jìn)行成像，并將所成像的圖像送至計算機(jī)進(jìn)行處理，計算機(jī)遍歷第P幀圖像中所有像素點，計算得到所有像素點的散斑圖像模糊度，然后計算所有像素點對應(yīng)的相對血流速度，并根據(jù)像素點的相對血流速度建立相對血流速度分布圖。
[0010]計算機(jī)按公式⑴-⑶計算第P幀圖像上橫縱坐標(biāo)分別為x，y的像素點的散斑圖像模糊度Kb (X，y, P):
Y ( 、 Ux,y, P、
[_] = ⑴

IP y+i x+i
[0012]I腿.(χ.> ρ) = ~77~.—~7ψ Σ Σ ΣΑ’μ)

+ IJ p=p-q y=y-1 χ=χ-?(2)

P y+i x+i
[0013]U-U’/O = Σ Σ Zl^ p)~ 1REF^y ^ p)\
[0014]其中，I (x, y, p)表示圖像采集設(shè)備連續(xù)采集到的第P幀圖像上x，y點的像素灰度值，Ieef(χ.y, P)表示第P巾貞圖像上X，y點的平均像素灰度值，Isd(X，y, P)表示第P巾貞圖像上X，y點的統(tǒng)計像素灰度值與平均像素灰度值的差，i*i表示空間統(tǒng)計窗口的大小，q表示當(dāng)前幀P之前的q幀圖像，
[0015]計算機(jī)遍歷圖像中所有的像素點，得到所有像素點的散斑圖像模糊度，然后計算所有像素點對應(yīng)的相對血流速度V(X，y, P) =C.Kb(X，y, ρ),并建立相對血流速度分布圖。其中，C為歸一化系數(shù)。
[0016]本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種快速激光散斑血流成像方法，包括快速激光散斑血流成像系統(tǒng)，其特征在于，方法包括如下步驟:
[0017]I)用激光器作為光源，通過激光擴(kuò)束器擴(kuò)束，再經(jīng)過平面鏡反射，照射在毛玻璃上；
[0018]2)毛玻璃由步進(jìn)電機(jī)帶動,進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)；
[0019]3)激光通過勻速旋轉(zhuǎn)的毛玻璃形成不相關(guān)散射光源照射在被測對象表面；
[0020]4)被測對象對入射光產(chǎn)生散射，并在圖像采集設(shè)備表面形成散斑；
[0021]5)圖像采集設(shè)備以曝光時間T對散斑圖像進(jìn)行連續(xù)成像，并送計算機(jī)處理；
[0022]6)計算機(jī)遍歷第P幀圖像中所有像素點，計算得到所有像素點的散斑圖像模糊度，然后計算所有像素點對應(yīng)的相對血流速度，并根據(jù)像素點的相對血流速度建立相對血流速度分布圖。
[0023]其中，步驟6)進(jìn)一步包括步驟:
[0024]61)計算機(jī)按公式(1)-(3)計算第ρ幀圖像上橫縱坐標(biāo)分別為x，y的像素點的散斑圖像模糊度Kb (X，y, ρ):
^ ,、 Λ"./..(Λ% 少，/?)
IP V+/ Χ+?
[0026]IREF (Χ,少，P、~.Σ Σ ΣΑ，.>’’/,)

CJ\2,l + IJ p=p-q y=y-1 x=x-1(2)

P y+i x+i
[0027]IsD(x，y,P)= Σ Σ ly^y^p^-hFF (x,y,p)\
p=p-q v=v—i χ—χ—?(3)
[0028]這里I (x，y, p)表示圖像采集設(shè)備連續(xù)采集到的第P幀圖像上X，y點的像素灰度值，Ieef(χ.y, P)表示第P巾貞圖像上X，y點的平均像素灰度值，Isd(X，y, P)表示第P巾貞圖像上X，y點的統(tǒng)計像素灰度值與平均像素灰度值的差，i*i表示空間統(tǒng)計窗口的大小，q表示當(dāng)前幀P之前的q幀圖像；
[0029]62)按步驟61)遍歷圖像中所有的像素點，得到所有像素點對應(yīng)的相對血流速度V(X，y, P) =C.Kb(X，y, p),并建立相對血流速度分布圖,其中，C為歸一化系數(shù)。
[0030]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明的快速激光散斑血流成像系統(tǒng)和方法相對于現(xiàn)有激光散斑血流成像方法具有運算量小，實時性好的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的快速激光散斑血流成像系統(tǒng)的原理框圖。
[0032]圖2為本發(fā)明的快速激光散斑血流成像方法的模糊度計算原理圖。
[0033]圖3為實際成像效果圖，其中(a)為正常手指原始圖像，(b)為正常手指的血流圖像，(C)為手指充血后的血流圖像，(d)為偽彩色示意圖。

【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0035]圖1為本發(fā)明的快速激光散斑血流成像系統(tǒng)的原理框圖。本發(fā)明的快速激光散斑血流成像系統(tǒng)包括:激光器1、激光擴(kuò)束器2、平面鏡3、毛玻璃4、步進(jìn)電機(jī)5、被測對象6、CCD相機(jī)7、計算機(jī)8。其中，激光器I發(fā)射出的激光通過激光擴(kuò)束器2擴(kuò)束，經(jīng)過平面鏡3反射后，再通過由步進(jìn)電機(jī)5帶動的勻速旋轉(zhuǎn)的毛玻璃4散射，然后照射在被測對象6的表面，被測對象6的表面組織對入射光產(chǎn)生后向散射,所產(chǎn)生的后向散射光在CCD相機(jī)7表面形成散斑，CCD相機(jī)7對所形成的散斑進(jìn)行成像，并將成像后的圖像送至計算機(jī)8進(jìn)行處理。
[0036]計算機(jī)8按公式(1)-(3)計算第P幀圖像上橫縱坐標(biāo)分別為x，y的像素點的散斑圖像模糊度Kb (X，y, P):
ν ( χ 1RiAx^y^p)
[0037]人 H (尤，少，廠)—~Γ~(Γ
乙D (W)⑴

IP V+/ Χ+?
[0038]IREF (Χ,少,P、~ /.W Σ Σ Z7(W)

+ IJ P=P-C] V=V-J X=X-1(2)

P y+i x+i
[0039]ISD
(x,.v, p)= Σ Σ' Σ阼


p=p~q y=y~i χ-χ-1
[0040]其中，I (x, y, P)表示(XD相機(jī)連續(xù)采集到的第ρ巾貞圖像上x, y點的像素灰度值，Ikef(χ, y, ρ)表示第ρ巾貞圖像上x,y點的平均像素灰度值,Isd (x, y, P)表示第P巾貞圖像上χ,y點的統(tǒng)計像素灰度值與平均像素灰度值的差，i*i表示空間統(tǒng)計窗口的大小，q表示當(dāng)前幀P之前的q幀圖像(參見圖2)，
[0041]計算機(jī)8遍歷圖像中所有的像素點，得到所有像素點的散斑圖像模糊度，然后計算所有像素點對應(yīng)的相對血流速度V (χ, y, ρ) = C.Kb (χ, y, ρ),并建立相對血流速度分布圖。其中，C為歸一化系數(shù)。
[0042]這里的血流速度是指相對血流速度，因此和模糊度一樣是一個無量綱量。相對血流速度和模糊度的關(guān)系是，相對血流速度越快，圖像模糊度越高，KB值越大。
[0043]CCD相機(jī)之類的能夠進(jìn)行圖像采集的設(shè)備都可以用來替代上述優(yōu)選實施例中的CCD相機(jī)。
[0044]被測對象一般是指生物體的表皮，如人體的皮膚和血管等。
[0045]后向反射光也稱為“背散射光”，是指與入射光相反方向的散射光，由于在光散射中，一般默認(rèn)光的入射方向為前向，所以與之相反的方向稱為“后向”。
[0046]本發(fā)明的快速激光散斑血流成像方法包括以下步驟:
[0047]I)用激光器I作為光源，通過激光擴(kuò)束器2擴(kuò)束，經(jīng)過平面鏡3反射后，照射在毛玻璃4上；
[0048]2)毛玻璃4由步進(jìn)電機(jī)5帶動，進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)；
[0049]3)激光通過勻速旋轉(zhuǎn)的毛玻璃4形成不相關(guān)散射光源照射在被測對象6的表面；
[0050]4)被測對象6的皮膚和血管等組織對入射光產(chǎn)生散射，所產(chǎn)生的后向散射光在CXD相機(jī)7表面形成散斑；
[0051]5)C⑶相機(jī)7以曝光時間T對所形成的散斑進(jìn)行連續(xù)成像，并將成像后的圖像送至計算機(jī)8處理；
[0052]6)計算機(jī)按公式(1)-(3)計算第ρ幀圖像上橫縱坐標(biāo)分別為X，y的像素點的散斑圖像模糊度Kb (χ, y, ρ):
v ( hi (x,y,p)
[0053]Kb (λ , y, ρ) — — ~- -
h,Ax^y ^ P)⑴

Iρ y+i χ+i
[0054]hiE1-- (x, p) = / ? Σ Σ Z,(w)

cIxrl + p=p-q y=y-1 -'?(2)

P V^ri x+i
[0055]/SY；(x, V,/?)= Σ Σ ΣΙ"-λ' y,p)-1MF(x,y,p)\
p=p-q v=v~i x-x-1(3)
[0056]其中，I (x, y, p)表示(XD相機(jī)連續(xù)采集到的第ρ巾貞圖像上x, y點的像素灰度值，Ikef(χ, y, ρ)表示第ρ巾貞圖像上x,y點的平均像素灰度值,Isd (x, y, P)表示第P巾貞圖像上χ,y點的統(tǒng)計像素灰度值與平均像素灰度值的差，i*i表示空間統(tǒng)計窗口的大小，q表示當(dāng)前幀P之前的q幀圖像(參見圖2)。
[0057]7)按步驟6)遍歷圖像中所有的像素點，得到所有像素點對應(yīng)的相對血流速度V(x, y, ρ) = C.Kb(X，y, P),并建立相對血流速度分布圖。其中，C為歸一化系數(shù)。
[0058]以下為實驗實例:
[0059]用波長638納米的半導(dǎo)體激光器作為光源，通過激光擴(kuò)束器擴(kuò)束，再經(jīng)過平面鏡反射，照射在毛玻璃上，毛玻璃由步進(jìn)電機(jī)帶動而勻速旋轉(zhuǎn)，激光通過勻速旋轉(zhuǎn)的毛玻璃形成不相關(guān)散射光源照射在被測對象的手上，手指對入射光產(chǎn)生反向散射，發(fā)向散射光在CCD相機(jī)表面形成散斑。其中，CXD相機(jī)的像素為768*494，曝光時間20ms，連續(xù)采集50幀圖像。計算機(jī)按照公式(I)到公式(3)計算出血流速度分布V(x, y, ρ),其中窗口大小為i*i取值為3*3，時域幀數(shù)q = 6。實際成像效果如圖3所示，其中(a)為正常手指原始圖像，(b)為正常手指的血流圖像，(C)為手指充血后的血流圖像，(d)為偽彩色示意圖，其中越上面的顏色表示血流越慢的區(qū)域，越往下表示血流越快。
【權(quán)利要求】
1.一種快速激光散斑血流成像方法，該方法包括如下步驟: 1)用激光器(I)作為光源，通過激光擴(kuò)束器(2)擴(kuò)束，再經(jīng)過平面鏡(3)反射，照射在毛玻璃⑷上； 2)毛玻璃由步進(jìn)電機(jī)(5)帶動，進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)； 3)激光通過勻速旋轉(zhuǎn)的毛玻璃形成不相關(guān)散射光源照射在被測對象(6)表面； 4)被測對象表面對入射光產(chǎn)生散射，并在圖像采集設(shè)備(7)表面形成散斑； 5)圖像采集設(shè)備以曝光時間T對散斑圖像進(jìn)行連續(xù)成像，并送至計算機(jī)(8)處理； 6)計算機(jī)遍歷第P幀圖像中所有像素點，計算得到所有像素點的散斑圖像模糊度，然后計算所有像素點對應(yīng)的相對血流速度，并根據(jù)像素點的相對血流速度建立相對血流速度分布圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟6)進(jìn)一步包括步驟: 61)計算機(jī)按公式(1)-(3)計算第P幀圖像上橫縱坐標(biāo)分別為x，y的像素點的散斑圖像模糊度Kb (X，y, P): r ( 、 1RiAx,.y,P) K" (X, y, P) = -Yl---1sn{x,y,p)(1)
IP V+/ Χ+? !RE!.' V, p) = -7-~Σ Σ Z7(W) q[2l + l) P=P-q y=y-1 x=x-1(2)
p v+i x+i
Σ Σ ZI7(aW) -ΙΜΡ(χ,ν,ρ)\
P二p-q.V=V-?' x=x-1(3) 這里I(x，y，P)表示圖像采集設(shè)備連續(xù)采集到的第P幀圖像上x，y點的像素灰度值，Ikef(X，y, P)表示第P巾貞圖像上x,y點的平均像素灰度值,Isd (x, y, P)表示第P巾貞圖像上x,y點的統(tǒng)計像素灰度值與平均像素灰度值的差，i*i表示空間統(tǒng)計窗口的大小，q表示當(dāng)前幀P之前的q幀圖像； 62)按步驟61)遍歷圖像中所有的像素點，得到所有像素點對應(yīng)的相對血流速度V(X，y, P) =C.Kb(X，y, p),并建立相對血流速度分布圖,其中，C為歸一化系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述被測對象是指人體的皮膚和/或血管。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述圖像采集設(shè)備是CCD相機(jī)。
【文檔編號】A61B5/026GK104287713SQ201410482800
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月13日
【發(fā)明者】楊暉, 孔平, 鄭剛 申請人:上海理工大學(xué)