CN109085378A - 一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置及方法，包括低相干光源、光源输出器、毛细玻璃片、电机支架、转动电机、样品活塞、样品管、远心镜头以及图像采集相机，转动电机驱动样品活塞转动，低相干光源与光源输出器相连，毛细玻璃片安放在光源输出器前方，光源输出器输出的低相干光束先后通过毛细玻璃片、待测样品以及远心镜头进入到图像采集相机中。本发明利用低相干光源作为投影光源，具有较好的鲁棒性，可满足不同的测试环境需求，测量精度高。本方法通过转动电机驱动待测样品进行360度转动，计算出各个角度下待测样品的血液流动的投影速度，其中多个投影速度中的最大值即为待测样品血管内血液流动的实际流速，检测准确度高。

Description

一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流速测量技术领域，更具体地说涉及应用在实验室环境下的一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置，该装置主要用于检测血管血液流速检测。

背景技术

现有技术中，在血管血液流动速度测量方面，主要有以下三种方法：第一种方法是通过硬件仪器装置来测量血管三维速度，此类方法需要在测量目标位置上安装测量装置，比如在血管表面安装一种光敏元件组成的传感器测量血管表面相对于传感器的速度；第二种方法是利用超声多普勒效应进行速度测量，一般均采用对两束超声束分别产生的正反向多普勒平均频移进行运算实现，超声发射器向血管发射特定频率的超声波，再通过正反向多普勒平均频移进行运算测定接收到的声波频率变化来计算血管血液的三维流动速度，如医学上的超声多普勒诊断仪测量血管的流速；第三种方法是基于图像处理技术测量血流速度，该方法是利用血管内流动的细胞在测量前预先设定的时间间隔下工业相机抓拍下的两帧图像中的位置差异，确定出血管内血液在该时间内流动路程，通过流动路程与时间间隔之比得到血管血液流速。

其中第一种方法通过硬件仪器装置来测量血流三维流速的方法，需要额外安装传感器等硬件，使用不便，只能测量表面流速，测量效率不高；第二种方法利用超声多普勒效应进行速度测量，会受多普勒角的影响，使测量出的血管流度并非血管的真实流速；第三种方法基于图像处理技术测量血流速度测量，对光照条件要求高，与此同时，它只能测量血流的投影速度，而不是得到血流的三维速度。

综上所述，对流体流速测量的现有技术中主要存在缺点是测量结果的准确度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何提高生物体内血管内血液流动速度测量的准确度。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置，包括低相干光源、光源输出器、毛细玻璃片、电机支架、转动电机、样品活塞、样品管、远心镜头以及图像采集相机，所述转动电机安装在电机支架上，所述转动电机驱动样品活塞转动，所述样品管通过样品活塞固定在转动电机上，所述低相干光源与光源输出器相连，所述毛细玻璃片安放在光源输出器前方，所述光源输出器输出的低相干光束通过毛细玻璃片照射在待测样品上，经过远心镜头汇聚，被图像采集相机接收。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光源输出器以及毛细玻璃片均配置有4个，所述低相干光源分别与各个光源输出器相连，多个所述毛细玻璃片分别安放在各个光源输出器前方，多个所述光源输出器分别等间距地置于以待测样品为圆心的圆周上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述转动电机是伺服电机。

作为上述技术方案的进一步改进，所述样品活塞包括底部的悬挂端、中部的限位端以及顶部的固定端，所述样品活塞的限位端直径与样品管端口的直径相匹配，所述样品活塞的固定端安装在转动电机上，所述样品活塞的限位端塞入样品管内且与样品管内壁抵接。

本发明的有益效果是：本发明通过转动电机驱动待测样品进行360度等角度旋转，实现待测样品一系列投影面的流速检测，360度旋转所采集的一系列投影面中包含血管与图像采集相机的成像面平行的情况，这一系列投影面血流速度绝对值的最大值即为三维血流速度；同时利用低相干光源作为投影光源，具有较好的鲁棒性，可满足不同的测试环境需求，测量精度高。

本发明创造同时还公开了一种流速测量方法，所述流速测量方法包括以下步骤：

步骤1，搭建所述三维流速测量装置，并对所述三维流速测量装置进行初始化，初始化内容包括设置采集帧率、曝光时间以及转动角度差；

步骤2，在当前角度下，为待测样品采集N个图像，定义为采集图像；

步骤3，在当前角度下的采集图像，采用基于信号分析互相关算法以及结合采集帧率，定义采集图像上的一像素点为第一标记位置，设置图像子区域窗口，对该像素点与图像子区域窗口内所有像素点做基于信号处理互相关算法分析，找出相关系数最大的点，定义相关系数最大的点为第二标记位置，获取血红细胞运动信号在这两个位置的延迟时间，定义为渡越时间；

步骤4，根据图像采集相机的放大倍率以及采集图像的像素尺寸，计算第一标记位置以及第二标记位置之间的实际距离，将此距离定义为渡越位移；

步骤5，根据渡越位移以及渡越时间，在当前角度下，计算待测样品血管内血液流动的投影速度；

步骤6，根据转动角度差控制待测样品转动，重复步骤2至步骤5，直到待测样品完成360度转动，获得各个角度下待测样品血管内血液流动的投影速度，多个投影速度中的最大值即为待测样品血管内血液流动的实际流速。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1，初始化滤波窗口；

步骤3.2，对每组采集图像上的每个像素，沿时间轴进行傅里叶变换；

步骤3.3，根据所设置的滤波窗口，分离出每个像素的动态频域信号以及静态频域信号；

步骤3.4，对动态频域信号以及静态频域信号分别进行逆傅里叶变换，得到每个像素的动态时域信号I_ac(x,y,t)以及静态时域信号I_dc(x,y,t)；

步骤3.5，定义瞬时调制深度Q(x,y,t)，根据血管内红细胞的对低相干光的吸收涨落调制效应，得到瞬时调制深度

步骤3.6，选定采集图像的一个像素点作为待测点，在待测点附近设置图像子区域窗口，对待测点与图像子区域窗口内所有像素点做基于信号处理互相关算法分析，计算出相关系数R_AB(t)，其中其中A、B分别代表两个采集图像中的两个像素点，T₀表示采集N个采集图像的总时长，τ表示血红细胞运动信号在像素A、B这两个位置的延迟时间，即所定义的渡越时间，相关系数R_AB(t)最大对应的两个像素点即为相关性最大的两个位置，即第一标记位置以及第二标记位置。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤2中所采集的采集图像数量为512个。

本发明的有益效果是：本发明所述三维流速测量方法通过转动电机驱动待测样品进行360度转动，在各个角度下采集待测样品的多个采集图像，采用基于信号分析互相关算法获取多个采集图像中相关性最大的两个位置，并根据相关性最大的两个位置距离和对应的时间差，计算出各个角度下待测样品的血液流动的投影速度，其中多个投影速度中的最大值即为待测样品血管三维实际流速，检测准确度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明创造的结构示意图；

图2是本发明创造的样品活塞结构示意图；

图3是本发明创造的方法流程图；

图4是本发明创造的待测样品360度图像采集示意图；

图5是本发明创造中流速最大时待测样品的图像采集示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1～图2，本发明创造公开了一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置，该装置主要用于测量生物体内血管内血液流动速度，包括低相干光源1、光源输出器2、毛细玻璃片3、电机支架4、转动电机5、样品活塞6、样品管7、远心镜头8以及图像采集相机9，所述转动电机5安装在电机支架4上，所述转动电机5驱动样品活塞6转动，所述样品管7通过样品活塞6固定在转动电机5上，待测样品10粘连在样品活塞6底部，且置于样品管7内部，所述低相干光源1与光源输出器2相连，所述毛细玻璃片3安放在光源输出器2前方，所述光源输出器2输出的低相干光束先后通过毛细玻璃片3、待测样品10以及远心镜头8进入到图像采集相机9中。

具体地，本发明创造通过转动电机5驱动待测样品10进行360度转动，实现待测样品10一系列投影面的流速检测，360度旋转所采集的一系列投影面中包含血管与图像采集相机的成像面平行的情况，这一系列投影面血流速度绝对值的最大值即为三维血流速度；同时利用低相干光源1作为投影光源，具有较好的鲁棒性，可满足不同的测试环境需求，测量精度高。另外，本发明创造通过远心镜头8实现图像采集，待测样品10转动过程中，确保其处于景深范围内。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述光源输出器2以及毛细玻璃片3均配置有4个，所述低相干光源1分别与各个光源输出器2相连，多个所述毛细玻璃片3分别安放在各个光源输出器2前方，多个所述光源输出器2分别等间距地置于以待测样品10为圆心的圆周上。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述转动电机5是伺服电机，本发明创造通过伺服电机控制待测样品10转动，控制精度高。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述样品活塞6包括底部的悬挂端61、中部的限位端62以及顶部的固定端63，所述样品活塞6的限位端62直径与样品管7端口的直径相匹配，所述样品活塞6的固定端63安装在转动电机5上，所述样品活塞6的限位端62塞入样品管7内且与样品管7内壁抵接。优选的，所述悬挂端61、限位端62以及固定端63是一体成型的。

参照图3，本发明创造同时还公开了一种流速测量方法，所述流速测量方法包括以下步骤：

步骤1，搭建所述三维流速测量装置，并对所述三维流速测量装置进行初始化，初始化内容包括设置采集帧率、曝光时间以及转动角度差；

步骤2，在当前角度下，为待测样品10采集N个图像，定义为采集图像；

步骤3，在当前角度下的采集图像，采用基于信号分析互相关算法以及结合采集帧率，定义采集图像上的一像素点为第一标记位置，设置图像子区域窗口，对该像素点与图像子区域窗口内所有像素点做基于信号处理互相关算法分析，找出相关系数最大的点，定义相关系数最大的点为第二标记位置，获取血红细胞运动信号在这两个位置的延迟时间，定义为渡越时间，记为t₀；

步骤4，根据图像采集相机的放大倍率以及采集图像的像素尺寸，计算第一标记位置以及第二标记位置之间的实际距离，将此距离定义为渡越位移，根据第一标记位置以及第二标记位置的像素距离H以及放大倍数β，计算第一标记位置以及第二标记位置之间的渡越位移S，

步骤5，根据渡越位移以及渡越时间，在当前角度下，计算待测样品10血管内血液流动的投影速度V，

步骤6，根据转动角度差控制待测样品10转动，重复步骤2至步骤5，直到待测样品10完成360度转动，获得各个角度下待测样品10血管内血液流动的投影速度，多个投影速度中的最大值即为待测样品10血管内血液流动的实际流速。

具体地，参照图4，本发明所述三维流速测量方法通过转动电机驱动5待测样品10进行360度转动，在各个角度下采集待测样品10的多个采集图像，采用基于信号分析互相关算法获取多个采集图像中相关性最大的两个位置，并根据相关性最大的两个位置距离和对应的时间差，计算出各个角度下待测样品10的血液流动的投影速度，其中多个投影速度中的最大值即为待测样品10血管三维实际流速，参照图5，这是由于待测样品10转动过程中，总有一个角度是待测样品10中的目标血管与图像采集相机9的成像平面11平行或者接近平行，此角度下所得到的投影速度最大，也最接近待测样品10血管内血液流动的实际流速。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1，初始化滤波窗口；

步骤3.2，对每组采集图像上的每个像素，沿时间轴进行傅里叶变换；

步骤3.3，根据所设置的滤波窗口，分离出每个像素的动态频域信号以及静态频域信号；

步骤3.4，对动态频域信号以及静态频域信号分别进行逆傅里叶变换，得到每个像素的动态时域信号I_ac(x,y,t)以及静态时域信号I_dc(x,y,t)；

步骤3.5，定义瞬时调制深度Q(x,y,t)，根据血管内红细胞的对低相干光的吸收涨落调制效应，得到瞬时调制深度

步骤3.6，选定采集图像的一个像素点作为待测点，在待测点附近设置图像子区域窗口，对待测点与图像子区域窗口内所有像素点做基于信号处理互相关算法分析，计算出相关系数R_AB(t)，其中其中A、B分别代表两个采集图像中的两个像素点，T₀表示采集N个采集图像的总时长，τ表示血红细胞运动信号在像素A、B这两个位置的延迟时间，即所定义的渡越时间，相关系数R_AB(t)最大对应的两个像素点即为相关性最大的两个位置，即第一标记位置以及第二标记位置。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，步骤2中所采集的采集图像数量为512个。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置，其特征在于：包括低相干光源(1)、光源输出器(2)、毛细玻璃片(3)、电机支架(4)、转动电机(5)、样品活塞(6)、样品管(7)、远心镜头(8)以及图像采集相机(9)，所述转动电机(5)安装在电机支架(4)上，所述转动电机(5)驱动样品活塞(6)转动，所述样品管(7)通过样品活塞(6)固定在转动电机(5)上，所述低相干光源(1)与光源输出器(2)相连，所述毛细玻璃片(3)安放在光源输出器(2)前方，所述光源输出器(2)输出的低相干光束先后通过毛细玻璃片(3)、待测样品以及远心镜头(8)进入到图像采集相机(9)中。

2.根据权利要求1所述的一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置，其特征在于：所述光源输出器(2)以及毛细玻璃片(3)均配置有4个，所述低相干光源(1)分别与各个光源输出器(2)相连，多个所述毛细玻璃片(3)分别安放在各个光源输出器(2)前方，多个所述光源输出器(2)分别等间距地置于以待测样品为圆心的圆周上。

3.根据权利要求1所述的一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置，其特征在于：所述转动电机(5)是伺服电机。

4.根据权利要求1所述的一种低相干光投影层析成像的三维流速测量装置，其特征在于：所述样品活塞(6)包括底部的悬挂端(61)、中部的限位端(62)以及顶部的固定端(63)，所述样品活塞(6)的限位端(62)直径与样品管(7)端口的直径相匹配，所述样品活塞(6)的固定端(63)安装在转动电机(5)上，所述样品活塞(6)的限位端(62)塞入样品管(7)内且与样品管(7)内壁抵接。

5.一种流速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，搭建如权利要求1至4任一项所述的三维流速测量装置，并对所述三维流速测量装置进行初始化，初始化内容包括设置采集帧率、曝光时间以及转动角度差；

步骤2，在当前角度下，为待测样品采集N个图像，定义为采集图像；

步骤3，在当前角度下的采集图像，采用基于信号分析互相关算法以及结合采集帧率，定义采集图像上的一像素点为第一标记位置，设置图像子区域窗口，对该像素点与图像子区域窗口内所有像素点做基于信号处理互相关算法分析，找出相关系数最大的点，定义相关系数最大的点为第二标记位置，获取血红细胞运动信号在这两个位置的延迟时间，定义为渡越时间；

步骤4，根据图像采集相机的放大倍率以及采集图像的像素尺寸，计算第一标记位置以及第二标记位置之间的实际距离，将此距离定义为渡越位移；

步骤5，根据渡越位移以及渡越时间，在当前角度下，计算待测样品血管内血液流动的投影速度；

步骤6，根据转动角度差控制待测样品转动，重复步骤2至步骤5，直到待测样品完成360度转动，获得各个角度下待测样品血管内血液流动的投影速度，多个投影速度中的最大值即为待测样品血管内血液流动的实际流速。

6.根据权利要求5所述的一种流速测量方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1，初始化滤波窗口；

步骤3.2，对每组采集图像上的每个像素，沿时间轴进行傅里叶变换；

步骤3.3，根据所设置的滤波窗口，分离出每个像素的动态频域信号以及静态频域信号；

步骤3.4，对动态频域信号以及静态频域信号分别进行逆傅里叶变换，得到每个像素的动态时域信号I_ac(x,y,t)以及静态时域信号I_dc(x,y,t)；

步骤3.5，定义瞬时调制深度Q(x,y,t)，根据血管内红细胞的对低相干光的吸收涨落调制效应，得到瞬时调制深度

步骤3.6，选定采集图像的一个像素点作为待测点，在待测点附近设置图像子区域窗口，对待测点与图像子区域窗口内所有像素点做基于信号处理互相关算法分析，计算出相关系数R_AB(t)，其中其中A、B分别代表两个采集图像中的两个像素点，T₀表示采集N个采集图像的总时长，τ表示血红细胞运动信号在像素A、B这两个位置的延迟时间，即所定义的渡越时间，相关系数R_AB(t)最大对应的两个像素点即为相关性最大的两个位置，即第一标记位置以及第二标记位置。

7.根据权利要求5所述的一种流速测量方法，其特征在于：步骤2中所采集的采集图像数量为512个。