CN103330557A - 基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法，搭建激光散斑血流成像系统后，CCD相机以曝光时间T对被测对象成像送入计算机，选定目标检测点；用CCD相机分别以曝光时间T ₁ ,T ₂ ,…,T _m 对目标检测点连续采集n帧图像得到m个图像集合

，

，…，，并送计算机处理；计算机按公式计算不同曝光时间

下的图像灰度值衬比度

；根据激光散斑血流成像理论知道，衬比度的平方

和CCD相机的曝光时间T_i，以及散射光强波动的自相关函数衰减时间

关系进行计算和拟合，得到

的倒数A的拟合值A _fit ；设置曝光时间T₀=1.1/A _fit 对检测对象进行血流检测，得到血流速度分布。本发明根据不同检测对象血流速度，自动测定CCD相机的曝光时间，提高激光散斑血流成像方法监测血流波动的准确性。

Description

基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法

技术领域

本发明涉及一种血流成像测试，特别涉及一种基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法。

背景技术

血流是衡量生物体机能状态的重要指标，实时在体的血流监测对生命科学的基础研究、疾病的临床诊疗以及药物研发等均具有重要作用，因此血流监测手段的研究一直是生物医学领域研究的热点。

激光散斑血流成像（Laser Speckle Flowgraphy, LSFG）技术是一种新型的、无需扫描的全场成像血流波动监测技术。其原理是：当激光照射到生物组织时，组织中的散射粒子对入射计算产生散射,散射光经过随机干涉在远场产生散斑，由于一些散射粒子（主要指血液中的红细胞）的运动，使得散斑发生波动，形成动态散斑。又因为动态散斑的变化快慢与血液中红细胞的运动速度有关，因此，通过检测动态散斑的变化快慢就可以监测血流变化情况。

LSFG 技术通常采样CCD相机作为检测器件，其中CCD相机曝光时间是一个重要的参数，并且曝光时间的设置与血流速度有关。如果曝光时间过短，那么血流产生的散斑图像波动来不及被积分，其结果是散斑图像高衬比度过高，反之过长的曝光时间会使散斑图像低衬比度过低。由于生物体不同部位的血流速度有较大差异，如大脑的血流速度远大于手指和耳朵等部位的血流速度，如果用相同的曝光时间去检测，势必产生较大误差。但现有的激光散斑血流成像技术，如：“一种激光散斑血流成像分析方法” （中国发明专利CN101485565）， “一种激光散斑血流成像衬比分析方法”（中国发明专利CN102429650），“激光散斑血流成像系统参数性能分析”《中国科技论文在线》等，采用的都是固定的曝光时间。因此，当用于监测血流速度差异较大的对象时，检测结果误差较大。

发明内容

本发明是针对现在激光散斑血流成像系统和方法采用固定曝光时间在监测血流速度差异较大的对象时，检测误差较大的问题，提出了一种基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法，提高激光散斑血流成像方法监测血流波动的准确性。

本发明的技术方案为：一种基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法，具体包括如下步骤：

1）搭建测试系统，用激光器作为光源，经过平面镜反射，再通过凹透镜发散后照射在被测对象表面，被测对象对入射光产生散射，在接收器CCD相机表面形成散斑；

2）曝光时间测定，步骤如下：

A:CCD相机以曝光时间T对被测对象成像送入计算机，并在计算机上显示，在图像上选择一个目标检测点，该点在图像中的坐标设为（x, y）；

B:CCD相机分别以曝光时间T ₁ ,T ₂ ,…,T _m 对目标检测点连续采集n帧图像得到m个图像集合                                               

，

，…，

，T _m 为最大曝光时间，m，n都是大于4的自然数，并送计算机处理；

C:计算机按下面公式计算不同曝光时间下的图像灰度值衬比度

，i=1,2,…,m的自然数，

              （1）

这里

和

分别表示曝光时间为

的图像集

中，所有图像(x, y)点的像素灰度值的标准差和均值，从而得到(x,y)点，以[T ₁ ,T ₂ ,…,T _m ]为自变量，[

,

,…, 

]为因变量的对应关系；

D:根据激光散斑血流成像理论知道，衬比度的平方

和CCD相机的曝光时间T_i，以及散射光强波动的自相关函数衰减时间

关系：

令1/=A ，     

      

为光学系统常数，用公式对步骤C中的[T ₁ ,T ₂ ,…,T _m ]和[

,

,…, 

]对应关系进行计算，采用最小二乘的方法进行拟合，得到A的拟合值A _fit ，和

的拟合值

；

E:设置曝光时间T₀=1.1/ A _fit ；

3）根据激光散斑血流成像方法开始血流检测：

①用曝光时间测定的曝光时间T₀，对检测对象成像，得到图像Q，并送计算机处理；

②计算机按下面公式计算图像Q的灰度值衬比度

，

  

这里

和

分别表示图像Q中以(x, y)点中心，N_S*N_S窗口内所有像素灰度值的标准差和均值；

③按步骤②遍历图像Q，得到图像Q的衬比度分布K(x,y)，如图2所示，衬比度K与血流的相对速度V成反比，得到血流速度分布：

V(x,y)=C/K(x,y) ，C为归一化常数。

所述步骤2）曝光时间测定中图像(x, y)点的像素灰度值的均值：

 ，

图像(x, y)点的像素灰度值的标准差：

     

I_j(x,y)为图像集

中第j帧图像（x,y）点的像素灰度值。

本发明的有益效果在于：本发明基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法，与现有激光散斑血流成像方法相比，能够根据不同检测对象血流速度的不同，自动测定CCD相机的曝光时间，减少检测误差，从而提高激光散斑血流成像方法监测血流波动的准确性。

附图说明

图1为本发明激光散斑血流成像系统原理框图；

图2为本发明图像Q的灰度值衬比度

图；

图3为本发明衬比度平方K²及其拟合曲线图。

具体实施方式

一种基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法，包括如下步骤：

1、用激光器1作为光源，经过平面镜2反射，再通过凹透镜3发散后照射在被测对象4表面；

2、被测对象4的皮肤和血管等组织对入射光产生散射，并在CCD相机5表面形成散斑；

3、系统初始化获取最佳曝光时间，包括以下步骤：

1） CCD相机以曝光时间T对被测对象成像送入计算机，并在计算机上显示，用户在图像上选择一个目标检测点，该点在图像中的坐标为（x, y）；

2）CCD相机分别以曝光时间T ₁ ,T ₂ ,…,T _m 对目标检测点连续采集n帧图像得到m个图像集合，

，…，，T _m 为最大曝光时间，m，n都是大于4的自然数，并送计算机处理；

3）计算机按公式（1）计算不同曝光时间

下的图像灰度值衬比度

，i=1,2,…,m的自然数。

              （1）

这里

和

分别表示曝光时间为

的图像集

中，所有图像(x, y)点的像素灰度值的标准差和均值，计算方法如下：

            （2）

     （3）

I_j(x,y)为图像集

中第j帧图像（x,y）点的像素灰度值。

从而得到(x,y)点，以[T ₁ ,T ₂ ,…,T _m ]为自变量，[

,

,…, 

]为因变量的对应关系。

4）另一方面，根据激光散斑血流成像理论知道，衬比度的平方

和CCD相机的曝光时间T_i，以及散射光强波动的自相关函数衰减时间

有如下关系：

      （4）

这里

是光学系统有关的常数。因为散射光强波动的自相关函数衰减时间

与相对血流速度成反比，因此令1/

=A，这样A就是一个相对血流速度成正比的量，则公式（4）变成：

      （5）

用公式（5）对第3）步计算得到的[T ₁ ,T ₂ ,…,T _m ]和[

,

,…, 

]对应关系，采用最小二乘的方法进行拟合，得到A的拟合值A _fit ，和

的拟合值

。

5）、目前的研究显示当

=1.1时，检测的灵敏度最好，因此设置曝光时间T₀=1.1/ A _fit 。

4、根据激光散斑血流成像方法开始血流检测：

①以曝光时间T₀，对检测对象成像，得到图像Q，并送计算机处理；

②计算机按公式（6）计算图像Q的灰度值衬比度

。

              （6）

这里

和

分别表示图像Q中以(x, y)点中心，N_S*N_S窗口内所有像素灰度值的标准差和均值。

将

值赋予(x,y)；衬比度

代表了（x,y）这一点的灰度值变化情况，这一变化是由于血流引起的动态散斑，从而导致的图像灰度值的变化。即要检测的血流相对速度。

③按步骤②遍历图像Q，得到图像Q的衬比度分布K(x,y)，如图2所示，因为衬比度K与血流的相对速度V成反比，因此

V(x,y)=C/K(x,y)             （7）

C为归一化常数。

用波长638纳米的半导体激光器作为光源，通过平面镜反射后，由凹透镜发散后照射在被测对象的手上，CCD相机的像素为768*494，曝光时间10ms，用户在监测对象的手上任取一点作为目标点。CCD相机分别以曝光时间10ms，20ms，40ms，60ms，80ms和100ms，各连续采集50帧图像。计算机按照公式（1）到公式（3）不同曝光时间下的图像衬比度K(10ms)，K(20ms)，K(40ms)，K(60ms)，K(80ms)，K(100ms)，图3中圆圈。再利用公式（5）对测得的曝光时间和衬比度平方值进行拟合，拟合曲线为图2中曲线。拟合得到A _fit =53.15， 

=0.25，根据曝光时间T₀=1.1/ A _fit ，所以系统的曝光时间为20ms。CCD相机再次以曝光时间20ms拍摄图像，利用公式（6）计算图像的衬比度K(x,y)，其中窗口大小为5*5，最后利用公式（7）计算出相对血流速度分布V(x,y)。

Claims (2)

1.一种基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）搭建测试系统，用激光器作为光源，经过平面镜反射，再通过凹透镜发散后照射在被测对象表面，被测对象对入射光产生散射，在接收器CCD相机表面形成散斑；

2）曝光时间测定，步骤如下：

A:CCD相机以曝光时间T对被测对象成像送入计算机，并在计算机上显示，在图像上选择一个目标检测点，该点在图像中的坐标设为（x, y）；

B:CCD相机分别以曝光时间T ₁ ,T ₂ ,…,T _m 对目标检测点连续采集n帧图像得到m个图像集合                                               

，

，…，，T _m 为最大曝光时间，m，n都是大于4的自然数，并送计算机处理；

C：计算机按下面公式计算不同曝光时间

下的图像灰度值衬比度

，i=1,2,…,m的自然数，

              （1）

这里

和

分别表示曝光时间为

的图像集

中，所有图像(x, y)点的像素灰度值的标准差和均值，从而得到(x,y)点，以[T ₁ ,T ₂ ,…,T _m ]为自变量，[,,…, 

]为因变量的对应关系；

D:根据激光散斑血流成像理论知道，衬比度的平方

和CCD相机的曝光时间T_i，以及散射光强波动的自相关函数衰减时间

关系：

令1/

=A ，     

      

为光学系统常数，用公式对步骤C中的[T ₁ ,T ₂ ,…,T _m ]和[

,

,…, ]对应关系进行计算，采用最小二乘的方法进行拟合，得到A的拟合值A _fit ，和

的拟合值

；

E:设置曝光时间T₀=1.1/ A _fit ；

3）根据激光散斑血流成像方法开始血流检测：

①用曝光时间测定的曝光时间T₀，对检测对象成像，得到图像Q，并送计算机处理；

②计算机按下面公式计算图像Q的灰度值衬比度

，

  

这里

和

分别表示图像Q中以(x, y)点中心，N_S*N_S窗口内所有像素灰度值的标准差和均值；

③按步骤②遍历图像Q，得到图像Q的衬比度分布K(x,y)，如图2所示，衬比度K与血流的相对速度V成反比，得到血流速度分布：

V(x,y)=C/K(x,y) ，C为归一化常数。

2.根据权利要求1所述基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法，其特征在于，所述步骤2）曝光时间测定中图像(x, y)点的像素灰度值的均值：

 ，

图像(x, y)点的像素灰度值的标准差：

     

I_j(x,y)为图像集

中第j帧图像（x,y）点的像素灰度值。

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