CN103300841A

CN103300841A - 一种快速激光散斑血流成像系统和方法

Info

Publication number: CN103300841A
Application number: CN2013102344413A
Authority: CN
Inventors: 杨晖; 杨海马; 孔平; 郑刚; 于小强; 宋磊磊
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-06-13
Also published as: CN103300841B; CN104287713A; CN104287713B

Abstract

一种快速激光散斑血流成像系统和方法，所述系统包括激光器、激光扩束器、平面镜、毛玻璃、步进电机、被测对象、CCD相机和计算机。其中，激光器发射出的激光通过激光扩束器、平面镜、毛玻璃后，照射在被测对象表面，被测对象所产生的后向散射光在CCD相机表面形成散斑，CCD相机将散斑的成像图像送至计算机进行处理，计算机遍历第p帧图像中所有像素点，计算得到所有像素点的散斑图像模糊度，根据模糊度计算对应的相对血流速度、建立相对血流速度分布图。相对于现有的激光散斑血流成像方法和系统，本发明的方法和系统具有运算量小，实时性好的优点。

Description

一种快速激光散斑血流成像系统和方法

技术领域

本发明涉及一种光学成像技术，特别涉及一种基于激光散斑原理的血流成像系统及方法。

背景技术

激光散斑血流成像技术属于光学成像技术领域，具有光学成像无电离辐射、非接触测量的优势。具体而言，该技术利用生物组织后向散斑来获取血流速度信息，通过成像方式即获得全场的二维高分辨率血流分布图像，其优势在于：无需结合机械扫描；无需注入造影剂等外源性物质，可实现长时间连续的血流监测；结合CCD相机等图像采集设备及高性能并行运算设备，该技术可达到微米量级的空间分辨率和毫秒量级的时间分辨率，真正实现了实时高分辨血流成像。因此，激光散斑血流成像系统简单有效，通过与其他成像技术相结合，可以用于测量血管管径、血管密度、血液流速和血流灌注等微循环参数，通过考察微循环血管的结构，微循环功能以及代谢活动，可以研究炎症、水肿、出血、过敏、休克、肿瘤、烧伤、冻伤、放射损伤等基本病理过程中，微循环改变的规律及其病理机制，对疾病诊断、病情分析和救治措施都具有重要的意义。

现有的激光散斑血流成像方法主要可分为以下三种：

(1)空间对比度成像法：中国发明专利CN1391869A“利用激光散斑成像仪监测肠系膜上微循环血流时空响应特性的方法”，该方法的主要缺点是图像空间分辨率较低。

(2)时间对比度成像法：中国发明专利CN1792323A“一种经颅脑血流高分辨成像方法及其装置”，该方法的主要缺点是图像时间分辨率较低，容易受图像抖动的影响。

(3)时空联合对比度成像法：中国发明专利CN101485565A“一种激光散斑血流成像分析方法”，中国发明专利CN102429650A“一种激光散斑血流成像衬比分析方法”，这两种方法都是利用空间和时间结合的方法提高成像的空间分辨率和时间分辨率，但是都存在算法运算量过大、速度较慢的问题。

发明内容

本发明为了解决现有的激光散斑血流成像系统和方法运算量大、速度慢的问题，提出了一种快速激光散斑血流成像系统和方法。

本发明的一个目标是提供一种快速激光散斑血流成像系统，包括：激光器、激光扩束器、平面镜、毛玻璃、步进电机、被测对象、图像采集设备、计算机，其中，激光器发射出的激光通过激光扩束器进行扩束，经过平面镜反射后，再通过由步进电机带动的匀速旋转的毛玻璃散射后，照射在被测对象表面，被测对象对入射来的激光产生后向散射，所产生的后向散射光在图像采集设备表面形成散斑，图像采集设备对所形成的散斑进行成像，并将所成像的图像送至计算机进行处理，计算机遍历第p帧图像中所有像素点，计算得到所有像素点的散斑图像模糊度，然后计算所有像素点对应的相对血流速度，并根据像素点的相对血流速度建立相对血流速度分布图。

计算机按公式（1）-（3）计算第p帧图像上横纵坐标分别为x，y的像素点的散斑图像模糊度K_B(x,y,p)：

K_{B} (x, y, p) = \frac{I_{REF} (x, y, p)}{I_{SD} (x, y, p)} - - - (1)

I_{REF} (x, y, p) = \frac{1}{q {(2 i + 1)}^{2}} Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} I (x, y, p) - - - (2)

I_{SD} (x, y, p) = Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} | I (x, y, p) - I_{REF} (x, y, p) | - - - (3)

其中，I(x,y,p)表示图像采集设备连续采集到的第p帧图像上x，y点的像素灰度值，I_REF(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的平均像素灰度值，I_SD(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的统计像素灰度值与平均像素灰度值的差，i*i表示空间统计窗口的大小，q表示当前帧p之前的q帧图像，

计算机遍历图像中所有的像素点，得到所有像素点的散斑图像模糊度，然后计算所有像素点对应的相对血流速度V(x,y,p)＝C·K_B(x,y,p)，并建立相对血流速度分布图。其中，C为归一化系数。

本发明的另一个目标是提供一种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统，其特征在于，方法包括如下步骤：

1）用激光器作为光源，通过激光扩束器扩束，再经过平面镜反射，照射在毛玻璃上；

2）毛玻璃由步进电机带动，进行匀速旋转；

3）激光通过匀速旋转的毛玻璃形成不相关散射光源照射在被测对象表面；

4）被测对象对入射光产生散射，并在图像采集设备表面形成散斑；

5）图像采集设备以曝光时间T对散斑图像进行连续成像，并送计算机处理；

6）计算机遍历第p帧图像中所有像素点，计算得到所有像素点的散斑图像模糊度，然后计算所有像素点对应的相对血流速度，并根据像素点的相对血流速度建立相对血流速度分布图。

其中，步骤6）进一步包括步骤：

61）计算机按公式（1）-（3）计算第p帧图像上横纵坐标分别为x，y的像素点的散斑图像模糊度K_B(x,y,p)：

K_{B} (x, y, p) = \frac{I_{REF} (x, y, p)}{I_{SD} (x, y, p)} - - - (1)

I_{REF} (x, y, p) = \frac{1}{q {(2 i + 1)}^{2}} Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} I (x, y, p) - - - (2)

I_{SD} (x, y, p) = Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} | I (x, y, p) - I_{REF} (x, y, p) | - - - (3)

这里I(x,y,p)表示图像采集设备连续采集到的第p帧图像上x，y点的像素灰度值，I_REF(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的平均像素灰度值，I_SD(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的统计像素灰度值与平均像素灰度值的差，i*i表示空间统计窗口的大小，q表示当前帧p之前的q帧图像；

62）按步骤61)遍历图像中所有的像素点，得到所有像素点对应的相对血流速度V(x,y,p)＝C·K_B(x,y,p)，并建立相对血流速度分布图，其中，C为归一化系数。

本发明的有益效果在于：本发明的快速激光散斑血流成像系统和方法相对于现有激光散斑血流成像方法具有运算量小，实时性好的优点。

附图说明

图1为本发明的快速激光散斑血流成像系统的原理框图。

图2为本发明的快速激光散斑血流成像方法的模糊度计算原理图。

图3为实际成像效果图，其中（a）为正常手指原始图像，（b）为正常手指的血流图像，（c）为手指充血后的血流图像，（d）为伪彩色示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

图1为本发明的快速激光散斑血流成像系统的原理框图。本发明的快速激光散斑血流成像系统包括：激光器1、激光扩束器2、平面镜3、毛玻璃4、步进电机5、被测对象6、CCD相机7、计算机8。其中，激光器1发射出的激光通过激光扩束器2扩束，经过平面镜3反射后，再通过由步进电机5带动的匀速旋转的毛玻璃4散射，然后照射在被测对象6的表面，被测对象6的表面组织对入射光产生后向散射，所产生的后向散射光在CCD相机7表面形成散斑，CCD相机7对所形成的散斑进行成像，并将成像后的图像送至计算机8进行处理。

计算机8按公式（1）-（3）计算第p帧图像上横纵坐标分别为x，y的像素点的散斑图像模糊度K_B(x,y,p)：

K_{B} (x, y, p) = \frac{I_{REF} (x, y, p)}{I_{SD} (x, y, p)} - - - (1)

I_{REF} (x, y, p) = \frac{1}{q {(2 i + 1)}^{2}} Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} I (x, y, p) - - - (2)

I_{SD} (x, y, p) = Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} | I (x, y, p) - I_{REF} (x, y, p) | - - - (3)

其中，I(x,y,p)表示CCD相机连续采集到的第p帧图像上x，y点的像素灰度值，I_REF(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的平均像素灰度值，I_SD(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的统计像素灰度值与平均像素灰度值的差，i*i表示空间统计窗口的大小，q表示当前帧p之前的q帧图像（参见图2），

计算机8遍历图像中所有的像素点，得到所有像素点的散斑图像模糊度，然后计算所有像素点对应的相对血流速度V(x,y,p)＝C·K_B(x,y,p)，并建立相对血流速度分布图。其中，C为归一化系数。

这里的血流速度是指相对血流速度，因此和模糊度一样是一个无量纲量。相对血流速度和模糊度的关系是，相对血流速度越快，图像模糊度越高，KB值越大。

CCD相机之类的能够进行图像采集的设备都可以用来替代上述优选实施例中的CCD相机。

被测对象一般是指生物体的表皮，如人体的皮肤和血管等。

后向反射光也称为“背散射光”，是指与入射光相反方向的散射光，由于在光散射中，一般默认光的入射方向为前向，所以与之相反的方向称为“后向”。

本发明的快速激光散斑血流成像方法包括以下步骤：

1)用激光器1作为光源，通过激光扩束器2扩束，经过平面镜3反射后，照射在毛玻璃4上；

2)毛玻璃4由步进电机5带动，进行匀速旋转；

3)激光通过匀速旋转的毛玻璃4形成不相关散射光源照射在被测对象6的表面；

4)被测对象6的皮肤和血管等组织对入射光产生散射，所产生的后向散射光在CCD相机7表面形成散斑；

5)CCD相机7以曝光时间T对所形成的散斑进行连续成像，并将成像后的图像送至计算机8处理；

6）计算机按公式（1）-（3）计算第p帧图像上横纵坐标分别为x，y的像素点的散斑图像模糊度K_B(x,y,p)：

K_{B} (x, y, p) = \frac{I_{REF} (x, y, p)}{I_{SD} (x, y, p)} - - - (1)

I_{REF} (x, y, p) = \frac{1}{q {(2 i + 1)}^{2}} Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} I (x, y, p) - - - (2)

I_{SD} (x, y, p) = Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} | I (x, y, p) - I_{REF} (x, y, p) | - - - (3)

其中，I(x,y,p)表示CCD相机连续采集到的第p帧图像上x，y点的像素灰度值，I_REF(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的平均像素灰度值，I_SD(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的统计像素灰度值与平均像素灰度值的差，i*i表示空间统计窗口的大小，q表示当前帧p之前的q帧图像（参见图2）。

7）按步骤6)遍历图像中所有的像素点，得到所有像素点对应的相对血流速度V(x,y,p)＝C·K_B(x,y,p)，并建立相对血流速度分布图。其中，C为归一化系数。

以下为实验实例：

用波长638纳米的半导体激光器作为光源，通过激光扩束器扩束，再经过平面镜反射，照射在毛玻璃上，毛玻璃由步进电机带动而匀速旋转，激光通过匀速旋转的毛玻璃形成不相关散射光源照射在被测对象的手上，手指对入射光产生反向散射，发向散射光在CCD相机表面形成散斑。其中，CCD相机的像素为768*494，曝光时间20ms，连续采集50帧图像。计算机按照公式（1）到公式（3）计算出血流速度分布V(x,y,p)，其中窗口大小为i*i取值为3*3，时域帧数q=6。实际成像效果如图3所示，其中（a）为正常手指原始图像，（b）为正常手指的血流图像，（c）为手指充血后的血流图像，（d）为伪彩色示意图，其中越上面的颜色表示血流越慢的区域，越往下表示血流越快。

Claims

1.一种快速激光散斑血流成像系统，包括：激光器（1）、激光扩束器（2）、平面镜（3）、毛玻璃（4）、步进电机（5）、被测对象（6）、图像采集设备（7）、计算机（8），其特征在于，激光器发射出的激光通过激光扩束器进行扩束，经过平面镜反射后，再通过由步进电机带动的匀速旋转的毛玻璃散射后，照射在被测对象表面，被测对象对入射来的激光产生后向散射，所产生的后向散射光在图像采集设备表面形成散斑，图像采集设备对所形成的散斑进行成像，并将所成像的图像送至计算机进行处理，计算机遍历第p帧图像中所有像素点，计算得到所有像素点的散斑图像模糊度，然后计算所有像素点对应的相对血流速度，并根据像素点的相对血流速度建立相对血流速度分布图。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算机按公式（1）-（3）计算第p帧图像上横纵坐标分别为x，y的像素点的散斑图像模糊度K_B(x,y,p)：

K_{B} (x, y, p) = \frac{I_{REF} (x, y, p)}{I_{SD} (x, y, p)} - - - (1)

I_{REF} (x, y, p) = \frac{1}{q {(2 i + 1)}^{2}} Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} I (x, y, p) - - - (2)

I_{SD} (x, y, p) = Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} | I (x, y, p) - I_{REF} (x, y, p) | - - - (3)

其中，I(x,y,p)表示图像采集设备连续采集到的第p帧图像上x，y点的像素灰度值，I_REF(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的平均像素灰度值，I_SD(x,y,p)表示第p帧图像上x，y点的统计像素灰度值与平均像素灰度值的差，i*i表示空间统计窗口的大小，q表示当前帧p之前的q帧图像；

计算机遍历图像中所有的像素点，得到所有像素点的散斑图像模糊度。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述计算机按照公式V(x,y,p)＝C·K_B(x,y,p)计算所有像素点对应的相对血流速度V(x,y,p)，其中，C为归一化系数。

4.如权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述被测对象是指生物体的表皮。

5.如权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述被测对象是指人体的皮肤和/或血管。

6.如权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述图像采集设备是CCD相机。

7.一种快速激光散斑血流成像方法，该方法包括如下步骤：

1）用激光器（1）作为光源，通过激光扩束器（2）扩束，再经过平面镜（3）反射，照射在毛玻璃（4）上；

2）毛玻璃由步进电机（5）带动，进行匀速旋转；

3）激光通过匀速旋转的毛玻璃形成不相关散射光源照射在被测对象（6）表面；

4）被测对象表面对入射光产生散射，并在图像采集设备（7）表面形成散斑；

5）图像采集设备以曝光时间T对散斑图像进行连续成像，并送至计算机（8）处理；

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤6）进一步包括步骤：

K_{B} (x, y, p) = \frac{I_{REF} (x, y, p)}{I_{SD} (x, y, p)} - - - (1)

I_{REF} (x, y, p) = \frac{1}{q {(2 i + 1)}^{2}} Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} I (x, y, p) - - - (2)

I_{SD} (x, y, p) = Σ_{p = p - q}^{p} Σ_{y = y - i}^{y + i} Σ_{x = x - i}^{x + i} | I (x, y, p) - I_{REF} (x, y, p) | - - - (3)

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述被测对象是指人体的皮肤和/或血管。

10.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述图像采集设备是CCD相机。