CN101156769A - 激光散斑法眼底血液流量测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医用测量仪器，特别指利用激光散斑技术对眼底的血液流量进行测量的仪器，具体为激光散斑法眼底血液流量测量仪，包括激光散斑采集器，输入端与激光散斑采集器的输出端相连接的数据处理器，输入端与数据处理器的输出端相连接的终端显示器。本发明采用面扫描，测量机构的机械和电子控制部分相对比SLDF/HRF简单，因此仪器的成本相对较低，操作也相对简单。另外，本发明也填补了我国在眼底血流量影像仪器研究方面空白，有助于加快我国对眼底血流变化所引起的疾病的研究，同时能够通过对血流的测量来对相关疾病进行诊断。通过对眼底血流变化的规律的研究，有利于预防与血流量相关的疾病，例如青光眼和糖尿病。

Description

激光散斑法眼底血液流量测量仪

技术领域

本发明涉及一种医用测量仪器，特别指利用激光散斑技术对眼底的血液流量进行测量的仪器，具体为激光散斑法眼底血液流量测量仪。

背景技术

在现有的医学领域，利用某种技术来测量视网膜，脉络膜或者视盘的血液流量，从而进行病理诊断和病因分析，进而定量的或者定性的分析视盘、视网膜或者脉络膜的血液微循环系统，这对于诊断青光眼、糖尿病、前部缺血性视神经病变、眼部血管阻塞性疾病、眼缺血综合征、急性视网膜坏死综合征等多种疾病都具有很重要的意义。例如青光眼，很多学者都认为青光眼是由于眼压的增高造成的，但有很多青光眼病人的眼压并没有增高。因此，许多专家认为青光眼是眼内的血液微循环系统的不稳定性或供血不足所造成的。但是到目前为止还没有发现究竟是什么因素造成视盘的血液微循环系统的不稳定性或供血不足。而且，目前也没有足够的研究结果来区分视神经头的血液微循环系统的健康状态和病态。因此，研制一台临床能够使用的无创的测量眼底的血流量的仪器，具有很重要的科研意义和临床诊断意义。

近年来，活体无创伤性眼血流测量倍受关注，有很多研究围绕着激光多普勒速度仪(Laser Doppler Velocimetry，LDV)、激光多普勒流量仪(LaserDoppler Flowmetry，LDF)、扫描式激光多普勒流量仪(Scanning Laser DopplerFlowmetry，SLDF)、彩色多普勒成像(Color Doppler Imaging，CDI)、激光扫描检眼镜(scanning laser ophthalmoscope，SLO)联合荧光血管造影术(Fluorescent Angiography，FA)和搏动性眼血流测定(Pulsatile OcularBlood Flow，POBF)等展开，但是这些仪器在测量原理上的限制使他们不能得到较为准确的结果，从而也限制了这些仪器在临床上的使用：

1、激光多普勒速度仪采用激光多普勒干涉原理快速、准确的测量流体的速度，但是该仪器的测量面积很小，仅仅能够对血管的某一点进行测量，不能提供区域毛细血管的血流量信息，也无法测量细小血管的流量信息；

2、激光多普勒流量仪能够分析测量点的血流速度、红细胞数量和流量，它相比于激光多普勒速度仪的优点在于可以测量小范围的毛细血管的血流量。但是他的测量范围也仅仅限于某一个很小的区域，不能对全区域(例如视盘)的血流信息进行分析。由于测量的范围很小，因此不能保证每次的测量都在同一区域，所以激光多普勒流量仪的另外一个很大的缺点是无法进行测量个体之间的比较。

3、扫描式激光多普勒流量仪是LDF的发展，它将LDF和激光扫描技术相结合，可以在二维点阵内完成激光多普勒测定，形成二维血流灌注图形，克服了LDF仅能测定眼底某很小范围血流的缺陷，Heidelberg视网膜血流量仪(HRF)就是这样的一类仪器。但是点扫描的缺点是区域测量的数据没有同时性和实时性，扫描时间内被测物的参数的很小变化都可以引起很大的测量误差，例如眼球运动或固视不良，都会影响结果的准确性。因此这类仪器的复现能力都不好。LDF和SLDF等仪器都很昂贵，而且操作复杂。

4、彩色多普勒成像(color Doppler imaging，CDI)是采用超声波的多普勒现象来测量眼球后部血管的位置、血流方向和流速，并由此分析血流的一些相对指标。但是CDI无法准确测得血管直径，因而得到的只是待测血管的血流速度，并非血流量。组织灌注情况只能由血流速度推测。另外，CDI的分辨率也有限。目前常用CDI仪的检测受最低血流速度限制，对小血管检测不到多普勒频移时，并不意味不存在血流。因而CDI尚不能直接检测微小血管的血流或流速，也无法测量脉络膜血流。

5、激光扫描检眼镜联合荧光血管造影术是动态记录和测量视网膜、脉络膜血流的现代方法。记录资料客观，重复性好，可对流体动力学数据进行测量和分析。但眼底照相机摄取的图像分辨率受光源、胶片等因素限制；FFA的脉络膜血管成像也是个难题；而且仪器昂贵，限制了在临床的广泛应用。

6、搏动性眼血流测定是通过连续眼压描记测量总体眼血流量的方法，但其测量值受心率、血压、眼压、视盘筛板的材料特性及其他未知因素的影响，给临床应用时的结果判定带来很大的困难。

因此，测量速度快，准确性高，也很有利于进行测量个体之间的比较，更适合作为一种临床的诊断仪器在国内外还见有过报道。

发明内容

本发明针对现有的对眼底的血液流量进行测量的仪器存在的上述缺陷，提供了一种测量速度快，准确性高，也很有利于进行测量个体之间的比较，更适合作为一种临床的诊断仪器，即激光散斑法眼底血液流量测量仪。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种激光散斑法眼底血液流量测量仪，包括激光散斑采集器，输入端与激光散斑采集器的输出端相连接的数据处理器，输入端与数据处理器的输出端相连接的终端显示器。激光散斑采集器由激光二极管、眼底显微镜、CCD平面图像传感器和图像采集卡组成，其制作及连接技术为现有技术。所有采集到的图像都保存到终端显示器中，在测量结束后用特殊的信号处理软件提出血流量信息。

当激光照射到组织上，组织里的流动的血细胞使激光产生散斑，散斑的模式随着血细胞的速度变化而变化。CCD摄像机采集散斑的光强，通过图像采集卡，送到计算机，经过特殊的算法，就可以提取光强对比度，从而分析血流的变化。由于无法对单个像素进行光强对比度分析，所有我们把被测量区域(例如，视盘，一块视网膜等)定义成多个窗口的集合，每一个窗口由数十个像素(例如，5*5或者7*7像素)组成，那么，每一个窗口内平均光强的时间序列就可以记为{I_t(i，j)|t＝1，2，K，N}，其中t是时间序列值，i，j为空间的窗口序列。对于所有的窗口I_t(i，j)，离散化的空间的散斑对比度为：

$K_t(i,j)=\frac{{\mathrm{\σ}}_t(i,j)}{\⟨I_t(i,j)\⟩}---\left(1\right)$

其中：

$\⟨I_t(i,j)\⟩=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_t(i,j)---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_t^2(i,j)=\frac{1}{N-1}\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_t(i,j)-\⟨I_t(i,j)\⟩)}^2---\left(3\right)$

σ_t(i，j)是光强序列I_t(i，j)的标准偏差。因此，通过公式(1)，(2)和(3)，光强对比度就可以采用离散化的信息进行处理。

本发明采用面扫描，测量机构的机械和电子控制部分相对比SLDF/HRF简单，因此仪器的成本相对较低，操作也相对简单。另外，本发明也填补了我国在眼底血流量影像仪器研究方面空白，有助于加快我国对眼底血流变化所引起的疾病的研究，同时能够通过对血流的测量来对相关疾病进行诊断。通过对眼底血流变化的规律的研究，有利于预防与血流量相关的疾病，例如青光眼和糖尿病。综合而言，本发明具有如下的优点：

1、全域面测量

散斑技术相比于多普勒技术，是一种全域技术，既测量的范围取决于图像传感器的分辨率和显微镜的放大倍数，而不是像LDF和SLDF/HRF那样采用点测量或者点扫描方式。

2、测量速度快

由于采用散斑技术，本仪器能够实现对测量区域的面扫描方式，因此，对于同样面积的测量区域，本仪器的测量速度高于HRF。

3、测量的实时性好

面扫描方式的另外一个优点是测量的实时性好。对于同样的测量对象，数据采集一次性完成，因此对于同一测量对象的不同区域的测量没有扫描时间差，数据保持高度的同时性。

4、眼球运动对测量结果的影响相对较小

点扫描的另外一个缺点是眼球的运动对测量的结果影响很大，也就是说，眼球的运动会导致扫描点在空间上没有连贯性，使实际测量的结果偏离期望的结果。本仪器对测量面进行一次性扫描，每个像素所代表的测量单元具有很好的空间连续性。

5、测量结果便于进行个体之间的比较

对生物量的测量的变化远远大于物理量的测量，因此个体之间的比较成为生物仪器的一个很重要的指标。LDF由于测量单点，不具备个体比较的能力。采用特制的血流量全域分析算法和区域分析算法，本仪器不但可以实现不同个体之间的相同部位的比较，也能实现同一个体的不同部位的比较，从而便于进行群体的正常和病态等不同状态的统计研究，来发现隐含的统计规律。

6、测量准确度比目前的产品高

无论是连续测量还是间断测量，或者隔天测量，本仪器的测量结果的重复性都好于HRF，参见3.4的初步测量结果分析。

7、眼内动脉的搏动分析

采用专门的滤波算法，本仪器可以实现眼内动脉的搏动分析。

8、适用范围广

配用不同的镜头，本仪器可以使用于眼底或者皮肤的血流量的测量。

下面是本发明的复现性的实验证明：

表1：对同一对象的连续测量数据(实验条件为标准条件，测量方法为标准方法)

试验次数	rb1	rb2	rb3	rb4	rb5	rb6
							1	9.2	12	12.7	10	8.4	7.3
2	9.3	12	12.7	10.2	8.6	7.8
							3	9.2	12.1	12.8	9.8	8.9	7.7
4	8.9	12.1	12.5	9.8	9.0	7.7
							5	9.2	12.5	13.0	10.0	9.1	7.7
6	9.0	12.3	12.9	10.0	8.8	7.5
							平均值	9.133	12.17	12.77	9.967	8.8	7.617
标准偏差	0.151	0.197	0.175	0.151	0.261	0.183

表1中的数据是血流量的相对值，数值越大，表示血流量越大。可以看出，对同一区域，6次测量的数据都很接近，其标准偏差已经大大好于一般的生物体的实验数据。因此，可以下结论说，对于连续测量，本发明具有很好的复现性。

为了进一步证明本发明的复现性，我们对同一被测物体进行了间断测量，也就是说，每次测量结束后，把本发明复位，再重新校准，然后测量。如此反复多次，比较间断测量的复现性，这样有利于进行不同个体之间的测量比较。表2和表3分别是两个个体的间断测量的实验数据。

表2：间断测量-眼睛1

试验次数	rb1	rb2	rb3	rb4	rb5	rb6
							1	6.3	8.4	7.7	8	5.7	6
2	6.9	8.1	7.3	8	6	6.4
							3	7.6	8.4	7.5	8.2	5.7	6.9
平均值	6.933	8.3	7.5	8.067	5.8	6.433
							标准偏差	0.651	0.173	0.2	0.115	0.173	0.451

表面上看起来，表2的数据没有表现出很好的复现性，我们有必要进行进一步的统计分析。在这里，我们用最简单方差分析(ANOVA：Analysis ofVariance)。表3是对表2(间断测量-眼睛2)的数据的方差分析。

表3：表2中数据的方差分析

变量名	SS	df	MS	F	P-value	F crit
							每组之间(A)	13.99	5	2.799	22.7	9.87E-06	3.106
每组中(W)	1.48	12	0.123
							总量	13.99	5	2.799	22.7

在表3中，P＝9.87E-06，这意味着表2中每列数据(每个测量框)在每次测量中不同的概率小于0.01％，也就是说，每列中的每次测量数据有99.99％的概率是同一个区域。这生物体的物理特性的测量中，这是个很高的概率。我们可以用下面的标准方法来计算重复性：

r＝S²A/(S²A+MS_w)(10)

其中，S²A＝(MS_A-MS_w)/n，MS_A＝2.799，MS_w＝0.123，n＝3是测量次数。那么，根据公式(10)，表3中的数据的重复性就是r＝0.88。

因此，无论是连续测量，还是间接测量，本发明都具有相当高的重复性。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为视盘的立体照片与血流量的比较图；

图3为病态眼睛和正常眼睛的血流量的比较图；

具体实施方式

一种激光散斑法眼底血液流量测量仪，包括激光散斑采集器，输入端与激光散斑采集器的输出端相连接的数据处理器，输入端与数据处理器的输出端相连接的终端显示器。

1、视盘的立体照片与血流量图的比较

对短尾猴同一眼睛的视盘及周边视网膜的立体照片和激光散斑眼底血流仪测量的结果进行对比(血流量图)，左图是眼底的立体照片，右图是血流量的对比图。右图中，血流量大小变化关系在图2的最右端：浅色区域代表血流量最大，深色区域代表血流量最小；0-25是血流量的相对变化值。由于不知道血管大小，该方法仍然只能研究血流量的相对变化量。由图中可以看出，血流量图的颜色对比跟视盘的血管分布非常的吻合。因此，我们可以说，血流量图很好的反应了血流量的大小。

2、病态眼睛和正常眼睛的血流量图的比较

为了进一步证明仪器测量结果的正确性，我们测量了病态眼睛和正常眼睛的对比图。图3的左边是病态眼睛(BOP：Bilateral Optic Atrophy)的视盘及周边视网膜的血流量图，右边是正常眼睛的视盘及周边视网膜的血流量图。图3中，颜色比例都是0-25。可见，病态眼睛(BOA)的视盘的血流量比正常眼睛偏低，这与实际预测相吻合。通过分析图中颜色变化和血流量变化的对比关系，可以定量的计算病态眼睛的血流量与正常眼睛的血流量的关系，图3中，病态眼睛的视盘的毛细血管区的血流量大于比正常眼睛低26％。因此通过定量的分析每个个体的毛细血管区的血流量和正常量的对比关系，该仪器不但可以用来进行各种病态眼睛的血流量研究，还有利于疾病的诊断。

Claims (1)

1.一种激光散斑法眼底血液流量测量仪，其特征在于：包括激光散斑采集器，输入端与激光散斑采集器的输出端相连接的数据处理器，输入端与数据处理器的输出端相连接的终端显示器。

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