CN104168823A - 一种血液流速的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种血液流速的测量装置及方法。采用本发明实施例提供的一种血液流速的测量装置及方法的技术方案，通过在样品臂模块中设置光路旋转反射模块，将分束到样品臂模块的光束进行旋转，并将旋转后的光束传输给被检测物体，然后分束器接收样品臂模块散射回来的光，并与参考臂反射回来的光发生干涉，探测模块探测到干涉光，处理模块根据该干涉光，获得被检测物体的至少一个血管的与旋转角度对应的至少一个血液流速分量，并根据至少一个血液流速分量，获得被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速，从而可以在不需要知道扫描光束与血液流动方向之间的夹角的情况下就可以简便而准确测量出血液的流速。

Description

一种血液流速的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学相干断层成像技术领域，尤其涉及一种血液流速的测量装置及方法。

背景技术

光学相干断层成像技术（Optical Coherence Tomography，简称OCT）是一种新型的光学成像技术，能够对组织结构域生理功能进行非侵入、高分辨率的在体成像，在生物医学成像与无损检测领域有着广泛应用前景。

为了获得组织的功能信息，多种功能型OCT相继得到发展。其中，多普勒OCT能够实现血液流速的成像，在医学研究和临床应用中具有重要意义。OCT的可用性允许测量多普勒频移，但此信息单独地只能与沿扫描方向的血液流量相关联，在多普勒频移中未直接反映沿垂直于扫描光束的方向的血液运动。因此，为了测量血液的准确流速，还必须知道扫描光束与血液流动方向之间的夹角。

如图1所示，OCT信号可以通过相位解析得到沿探测光方向的流速分量v1，但是由于流速和探测光之间存在夹角，无法得到整个流速v。OCT的测量精度直接受到多普勒角、取样定律和频率分辨率等因素的制约。在实际应用中，如活体组织中血液流速监测，常常由于血管几何形状复杂以及深埋在高散射生物组织中而无法确定多普勒角的大小，导致往往只能进行定性分析。

所以为了测得真正的流速，目前有两种方法：一种是通过双环方式扫描，得到血管近似的落差，从而得到夹角算出血流量，专利申请号为CN200880018565.5、发明名称为“使用多普勒光学相干层析成像进行血液流量测量的方法和系统”的文件中描述了这种扫描方法。这种方法的缺点是测量内环和外环之间存在时间差(即一幅OCT图像的采集时间)。在这段时间内眼睛可能前后移动，从而导致计算的夹角不准确，流速也就不能准确得到。

另外一种方法参见文献《Bidirectional Doppler Fourier-domain opticalcoherence tomography for measurement of absolute flow velocities in human retinalvessels》(《OPTICS LETTERS》，Vol.33，No.24，2008年12月15日)，该文献的内容通过引用全部包含在本发明的内容中。如图2所示，用偏振装置把OCT入射光分为两束偏振态正交、有一定距离的平行光，于是这两束光学照射在眼底时的方向K₁和K₂之间就存在一个夹角Δα。OCT返回光分别用两个光谱仪接收，从而同时得到K₁和K₂的OCT信号，进行多普勒计算K₁、K₂光束测得的相位移动：

φ1＝2K₁vT,φ2＝2K₂vT….公式(1)

这两个相位之间存在差别，即：

$\mathrm{\Δ\φ}=\mathrm{\φ}1-\mathrm{\φ}2=\frac{4\mathrm{\πnvT\Δ\α}\cos \mathrm{\β}}{\mathrm{\λ}}$ ….公式(2)

其中v就是真正的流速。β角是流速(血管方向)和K1、K2组成平面之间的夹角，这个夹角可以通过眼底成像设备得到。

这种方法的优点是测量血管的流速更准确，缺点是：

1、光路复杂，使用偏振器件导致OCT系统无法使用基于光纤的系统，光路不稳定；

2、使用两套光谱仪同时对两种偏振态的干涉光进行测量，成本高；

3、无法测量当β角为90°时的情况，因为一旦等于90°，则两束光测量的相位移动一定是相等的。因此这个方法无法做视盘环扫。因为环扫的时候很可能碰到方向和K₁K₂平面垂直的血管。

综上所述，如何提供一种简便而准确的血液流速的测量装置及方法是当前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种血液流速的测量装置及方法，在不需测得扫描光束与血液流动方向之间的夹角下可以简便而准确地实现血液流速的测量。

一方面，提供了一种血液流速的测量装置，包括：与分束器的一端分别连接的光源和探测模块、与所述分束器的另一端分别连接的参考臂和样品臂模块、以及与所述探测模块连接的处理模块，所述光源输出的光经过所述分束器向所述样品臂模块和所述参考臂提供光，所述样品臂模块包括至少一个透镜，其特征在于，所述样品臂模块还包括光路旋转反射模块；

所述光路旋转反射模块将所述光源经所述分束器分束到所述样品臂模块的光束进行0°～360°的旋转，并将旋转后的所述光束经所述至少一个透镜传输给被检测物体；

所述分束器接收所述样品臂模块散射回来的光，并与所述参考臂反射回来的光发生干涉，所述探测模块用于探测所述干涉光；

所述处理模块用于根据所述干涉光，获得所述被检测物体的至少一个血管的与所述旋转角度对应的至少一个血液流速分量，并根据所述至少一个血液流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速。

优选地，所述处理模块用于根据所述至少一个血液流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速，具体为：

所述处理模块用于根据所述至少一个血液流速分量中的最大流速分量和最小流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速。

优选地，所述光路旋转反射模块包括至少一个可变方向的光反射装置和相应的驱动装置。

优选地，所述旋转后的光束为平行的、具有设定距离的光束。

优选地，所述样品臂反射装置还包括扫描模块；

所述旋转后的光束经所述扫描模块和所述至少一个透镜传输给所述被检测物体；

所述扫描模块用于转动设定角度，利用所述旋转后的光束扫描所述被检测物体的至少一个血管，以获得所述至少一个血管的至少一个血液流速分量。

另一方面，提供了一种血液流速的测量方法，包括：

将光源输出的光分束为第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束分别提供给参考臂和样品臂模块；

将所述第二光束进行0°～360°的旋转，并将旋转后的所述第二光束传输给被检测物体；

接收所述样品臂模块散射回来的光，并与所述参考臂反射回来的光发生干涉，并探测所述干涉光；

根据探测到的所述干涉光，获得所述被检测物体的至少一个血管的与所述旋转角度对应的至少一个血液流速分量；

根据所述至少一个血液流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速。

优选地，所述根据所述至少一个血液流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速，具体为：

根据所述至少一个血液流速分量中的最大流速分量和最小流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速。

优选地，所述旋转后的第二光束为平行的、具有设定距离的光束。

优选地，所述将旋转后的所述第二光束传输给被检测物体，具体为：

将旋转后的所述第二光束经扫描模块传输给所述被检测物体，将所述扫描模块转动设定角度，利用所述旋转后的第二光束扫描所述被检测物体的至少一个血管，以获得所述至少一个血管的至少一个血液流速分量。

优选地，所述样品臂模块包括光路旋转反射模块和至少一个透镜，所述光路旋转反射模块包括至少一个可变方向的光反射装置和相应的驱动装置。

采用本发明实施例提供的一种血液流速的测量装置及方法的技术方案，通过在样品臂模块中设置光路旋转反射模块，将分束到样品臂模块的光束进行旋转，并将旋转后的光束传输给被检测物体，然后分束器接收样品臂模块散射回来的光，并与参考臂反射回来的光发生干涉，探测模块探测到干涉光，处理模块根据该干涉光，获得被检测物体的至少一个血管的与旋转角度对应的至少一个血液流速分量，并根据至少一个血液流速分量，获得被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速，从而可以在不需要知道扫描光束与血液流动方向之间的夹角的情况下就可以简便而准确测量出血液的流速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为血液流速与探测光的夹角示意图；

图2为现有技术中的血液流速测量示意图；

图3为本发明实施例提供的一种血液流速的测量装置的示意图；

图4为光路旋转反射装置工作原理示意图；

图5为本发明实施例的血液流速测量示意图；

图6为本发明实施例提供的一种血液流速的测量方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3，为本发明实施例提供的一种血液流速的测量装置的示意图，该测量装置包括光源101、分束器102、探测模块105、处理模块106、参考臂和样品臂模块，光源101和探测模块105与分束器102的一端连接，参考臂和样品臂模块与分束器102的另一端连接，探测模块105还与处理模块106连接。

其中，处理模块106可以是计算机，参考臂可以包括参考臂光路透镜103和参考臂反射镜104，分束器102可以为光纤耦合器，样品臂模块包括一个或多个透镜和光路旋转反射模块108。

下面以被检测物体为人眼E为例，详细说明本发明实施例的测量装置的工作原理：

如图3所示，光源101为弱相干光源，其输出的光经过分束器102提供给参考臂和样品臂模块。参考臂具有已知长度并通过参考臂反射镜104将光反射回到分束器102中。样品臂模块向被检人眼E提供光，来自被检人眼E的反射光与参考臂的反射回来的光在分束器102中发生干涉，干涉光被探测系统105探测到，再经过处理模块106处理，最后显示出来。

光路旋转反射模块108将光源101经分束器102分束到样品臂模块的光束进行0°～360°的旋转，得到多个旋转后的光束，多个旋转后的光束经透镜传输给被检人眼E，被检人眼E反射回的光与参考臂反射回来的光在分束器102中发生干涉，干涉光波被探测模块105探测到，处理模块106根据探测模块105获得的干涉光波，获得被检人眼E某一个血管的多个血液流速分量，然后，处理模块106根据该多个血液流速分量，获得被检人眼E的该血管的绝对流速，作为一种实施方式，处理模块106根据该多个血液流速分量中的最大流速分量和最小流速分量，获得被检人眼E的该血管的绝对流速。光路旋转反射模块108包括一个或多个可变方向的光反射装置和相应的驱动装置，例如可以是电机和反射镜、电机和全反射棱镜、二维振镜、微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)或者压电陶瓷驱动的偏转镜等，，如图4所示的光路旋转反射模块工作原理示意图，分束到样品臂模块的光束经过该光路旋转反射模块108旋转后，形成多束平行的有一定距离的光束。对被检人眼E的某个血管进行流速测量时，扫描装置109及110不动。

如图5所示，测量一个位置的血管时候，只要根据公式(3)和公式(4)得到最大的速度分量v_max和最小速度分量v_min，就可以计算得到该血管的血液的绝对流速v。其中：

v_max＝v cos(β)…公式(3)

v_min＝v cos(β+Δα)…公式(4)

其中，Δα为扫描光束K₁和K₂之间的夹角，是由系统设计决定的，β是流速(血管方向)和K1、K2组成平面之间的夹角。

根据公式(3)和公式(4)可以推导出公式(5)，从而解出实际的血液流速v：

$v=\sqrt{\frac{v_{m\mathrm{ax}}^2-2v_{\max }{v}_{\min }\cos \mathrm{\Δ\α}+v_{\min }^2}{{\sin }^2\mathrm{\Δ\α}}}$ …公式(5)

其中，

其中，L为两束光分开的距离，M为透镜111和透镜112组成的望远光路系统的放大率。

从公式(5)可以看出，血液流速v与β角无关。

在图3所示例的测量装置中，样品臂发射装置还可以包括扫描装置，该扫描装置可以是二维光路扫描装置例如图3中所示的X方向光路扫描装置109和Y方向光路扫描装置110，也可以是三维光路扫描装置。旋转后的光束经扫描模块和一个或多个透镜传输给被检人眼E，扫描模块用于转动设定角度，利用旋转后的光束扫描被检测物体的多个血管，以获得多个血管的多个血液流速分量。在图3所示的实施例中，旋转后的光束可以经过扫描装置109及110传输给被检人眼E，扫描装置109和110与光路旋转发射装置108配合振动，多维扫描被检人眼，可以得到人眼视网膜总的血流量，即人眼多个血管的绝对血液流速。通过扫描装置109及110对被检人眼E进行扫描，实现断层成像。由上可知，该测量方法不必依赖于对流体夹角进行测量，可以在未知OCT系统样品臂端口发出的扫描光束与血液流速的夹角的情况下测量出流体的流速分布，即测量与该入射角无关。

样品臂模块的透镜可以包括调焦透镜107、中继透镜111和眼底镜112，其中，调焦透镜107分别与分束器102和光路旋转反射模块108连接，中继透镜111分别连接眼底镜112和扫描装置。

OCT光源101输出波长为近红外光，本发明实施例采用波长为800～880nm的近红外光。

根据本发明实施例提供的一种血液流速的测量装置，通过在样品臂模块中设置光路旋转反射模块，将分束到样品臂模块的光束进行旋转，并将旋转后的光束传输给被检测物体，然后分束器接收样品臂模块散射回来的光，并与参考臂反射回来的光发生干涉，探测模块探测到干涉光，处理模块根据该干涉光，获得被检测物体的至少一个血管的与旋转角度对应的至少一个血液流速分量，并根据至少一个血液流速分量，获得被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速，从而可以在不需要知道扫描光束与血液流动方向之间的夹角的情况下就可以简便而准确测量出血液的流速。

请参阅图6，为本发明实施例提供的一种血液流速的测量方法的流程图。该方法包括以下步骤：

步骤S101，将光源输出的光分束为第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束分别提供给参考臂和样品臂模块。

本实施例中的光源为弱相干光源，其输出的光经过分束器分束后提供给参考臂和样品臂模块。参考臂具有已知长度并通过参考臂反射镜将光反射回到分束器中。光源输出波长为近红外光，本发明实施例采用波长为800～880nm的近红外光。该样品臂模块包括光路旋转反射模块和一个或多个透镜，该光路旋转反射模块包括一个或多个可变方向的光反射装置和相应的驱动装置，例如可以是电机和反射镜、电机和全反射棱镜、二维振镜、MEMS或者压电陶瓷驱动的偏转镜等。

步骤S102，将所述第二光束进行0°～360°的旋转，并将旋转后的所述第二光束传输给被检测物体。

将光源经分束器分束到样品臂模块的光束进行0°～360°的旋转，得到多个旋转后的光束，多个旋转后的光束传输给被检物体。如图4所示，分束到样品臂模块的光束经过该光路旋转反射模块后，形成多束平行的有一定距离的光束。

步骤S103，接收所述样品臂模块散射回来的光，并与所述参考臂反射回来的光发生干涉，并探测所述干涉光。

被检物体反射回的光与参考臂反射回来的光在分束器中发生干涉，干涉光波被探测模块探测到。

步骤S104，根据探测到的所述干涉光，获得所述被检测物体的至少一个血管的与所述旋转角度对应的至少一个血液流速分量。

根据探测模块获得的干涉光波，获得被检物体某一个血管的多个血液流速分量。

步骤S105，根据所述至少一个血液流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速。

根据获得的多个血液流速分量，获得被检物体的该血管的绝对流速。

作为一种实施方式，处理模块根据该多个血液流速分量中的最大流速分量和最小流速分量，获得被检物体该血管的绝对流速。

如图5所示，测量一个位置的血管时候，只要根据公式(3)和公式(4)得到最大的速度分量v_max和最小速度分量v_min，就可以计算得到该血管的血液的绝对流速v。其中：

v_max＝vcos(β)…公式(3)

v_min＝vcos(β+Δα)…公式(4)

其中，Δα为扫描光束K₁和K₂之间的夹角，是由系统设计决定的，β是流速(血管方向)和K1、K2组成平面之间的夹角。

根据公式(3)和公式(4)可以推导出公式(5)，从而解出实际的血液流速v：

$v=\sqrt{\frac{v_{\max }^2-2v_{\max }{v}_{\min }\cos \mathrm{\Δ\α}+v_{\min }^2}{{\sin }^2\mathrm{\Δ\α}}}$ …公式(5)

其中，

其中，L为两束光分开的距离，M为透镜111和透镜112组成的望远光路系统的放大率。

从公式(5)可以看出，血液流速v与β角无关。

由上可知，该测量方法不必依赖于对流体夹角进行测量，可以在未知OCT系统样品臂端口发出的扫描光束与血液流速的夹角的情况下测量出流体的流速分布，即测量与该入射角无关。

该测量方法还可以包括步骤：

将旋转后的所述第二光束经扫描模块传输给所述被检测物体，将所述扫描模块转动设定角度，利用所述旋转后的第二光束扫描所述被检测物体的至少一个血管，以获得所述至少一个血管的至少一个血液流速分量。

以被检物体为人眼为例，旋转后的光束可以经过二维或三维扫描装置传输给被检人眼，扫描装置与光路旋转发射装置配合振动，多维扫描被检人眼，可以得到人眼视网膜总的血流量，即人眼多个血管的绝对血液流速。通过二维或三维扫描装置被检人眼E进行扫描，实现断层成像。

根据本发明实施例提供的一种血液流速的测量方法，通过将分束到样品臂模块的光束进行旋转，并将旋转后的光束传输给被检测物体，然后接收样品臂模块散射回来的光，并与参考臂反射回来的光发生干涉，探测到该干涉光，根据探测到的该干涉光，获得被检测物体的至少一个血管的与旋转角度对应的至少一个血液流速分量，并根据至少一个血液流速分量，获得被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速，从而可以在不需要知道扫描光束与血液流动方向之间的夹角的情况下就可以简便而准确测量出血液的流速。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为根据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以用硬件实现，或固件实现，或它们的组合方式来实现。当使用软件实现时，可以将上述功能存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。以此为例但不限于：计算机可读介质可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、电可擦可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(Compact Disc Read-OnlyMemory，CD-ROM)或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。此外。任何连接可以适当的成为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字用户线（Digital SubscriberLine，DSL）或者诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术从网站、服务器或者其他远程源传输的，那么同轴电缆、光纤光缆、双绞线、DSL或者诸如红外线、无线和微波之类的无线技术包括在所属介质的定影中。如本发明所使用的，盘（Disk）和碟（disc）包括压缩光碟（CD）、激光碟、光碟、数字通用光碟（DVD）、软盘和蓝光光碟，其中盘通常磁性的复制数据，而碟则用激光来光学的复制数据。上面的组合也应当包括在计算机可读介质的保护范围之内。

总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种血液流速的测量装置，包括：与分束器的一端分别连接的光源和探测模块、与所述分束器的另一端分别连接的参考臂和样品臂模块、以及与所述探测模块连接的处理模块，所述光源输出的光经过所述分束器向所述样品臂模块和所述参考臂提供光，所述样品臂模块包括至少一个透镜，其特征在于，所述样品臂模块还包括光路旋转反射模块；

所述光路旋转反射模块将所述光源经所述分束器分束到所述样品臂模块的光束进行0°～360°的旋转，并将旋转后的所述光束经所述至少一个透镜传输给被检测物体；

所述分束器接收所述样品臂模块散射回来的光，并与所述参考臂反射回来的光发生干涉，所述探测模块用于探测所述干涉光；

所述处理模块用于根据所述干涉光，获得所述被检测物体的至少一个血管的与所述旋转角度对应的至少一个血液流速分量，并根据所述至少一个血液流速分量，

获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理模块用于根据所述至少一个血液流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速，具体为：

所述处理模块用于根据所述至少一个血液流速分量中的最大流速分量和最小流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光路旋转反射模块包括至少一个可变方向的光反射装置和相应的驱动装置。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述旋转后的光束为平行的、具有设定距离的光束。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品臂反射装置还包括扫描模块；

所述旋转后的光束经所述扫描模块和所述至少一个透镜传输给所述被检测物体；

所述扫描模块用于转动设定角度，利用所述旋转后的光束扫描所述被检测物体的至少一个血管，以获得所述至少一个血管的至少一个血液流速分量。

6.一种血液流速的测量方法，其特征在于，包括：

将光源输出的光分束为第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束分别提供给参考臂和样品臂模块；

将所述第二光束进行0°～360°的旋转，并将旋转后的所述第二光束传输给被检测物体；

接收所述样品臂模块散射回来的光，并与所述参考臂反射回来的光发生干涉，并探测所述干涉光；

根据探测到的所述干涉光，获得所述被检测物体的至少一个血管的与所述旋转角度对应的至少一个血液流速分量；

根据所述至少一个血液流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少一个血液流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速，具体为：

根据所述至少一个血液流速分量中的最大流速分量和最小流速分量，获得所述被检测物体的至少一个血管的绝对血液流速。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述旋转后的第二光束为平行的、具有设定距离的光束。

9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述将旋转后的所述第二光束传输给被检测物体，具体为：

将旋转后的所述第二光束经扫描模块传输给所述被检测物体，将所述扫描模块转动设定角度，利用所述旋转后的第二光束扫描所述被检测物体的至少一个血管，以获得所述至少一个血管的至少一个血液流速分量。

10.如权利要求6-9任意一项所述的方法，其特征在于，所述样品臂模块包括光路旋转反射模块和至少一个透镜，所述光路旋转反射模块包括至少一个可变方向的光反射装置和相应的驱动装置。