CN105380638B - 一种用于激光散斑血流速度的定量成像装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于激光散斑血流速度的定量成像装置及其方法，其中装置包括激光器、毛玻璃、图像采集设备、计算机，所述激光器的下方设有所述毛玻璃；所述图像采集设备与计算机连接，所述图像采集设备的下方设有分光镜。本发明的成像装置及方法具有同时在时间域和空间域的高精度，定量性好的优点，可以实现局部激光多普勒信号的测量；且成像装置分辩率高，成像质量好，图像稳定性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学成像技术，尤其涉及一种基于激光散斑原理和多普勒原理的血流成像系统及方法。
背景技术
目前，激光散斑血流成像技术越来越成熟，其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。
现有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、CCD相机、计算机，其原理是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。但是这种成像系统时间分辨率较低，步进电机容易抖动，造成图像抖动，使其稳定性差。
现有的多次曝光对比度成像法，如美国发明专利申请US20120095354“激光散斑多次曝光定量成像方法”，这种方法是利用多次曝光的方法提高成像的定量性，但是存在系统复杂昂贵、速度较慢的问题。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种用于激光散斑血流速度的定量成像装置，该装置具有在空间域的高精度、定量性好的优点，可以实现局部激光多普勒信号的测量；且其稳定性好，提高了成像的定量性，速度快、结构简单、成本低。
本发明实现第一发明目的所采用的技术方案是：
一种用于激光散斑血流速度的定量成像装置，其中：包括激光器、毛玻璃、图像采集设备、计算机，所述激光器的下方设有所述毛玻璃；所述图像采集设备与计算机连接，所述图像采集设备的下方设有分光镜。
这样，激光器发出的光，通过图像采集设备的采集，更好地形成激光散斑，成像质量更好。
进一步地，为了使成像装置的成像质量更好，上述分光镜的下方设有明场照明。
进一步地，为了只允许和激光器发射出的激光波长相同的光波通过，上述分光镜和所述明场照明之间设有滤光片。
进一步地，为了压制其他光源如室内杂散光源的影响，从而提高激光散斑的对比度，上述激光器为两个或两个以上。
进一步地，为了提高图像的稳定性，上述图像采集设备为两个或两个以上。
本发明的第二目的是提供一种用于激光散斑血流速度的定量成像方法，该方法具有在时间域的高精度，定量性好的优点，可以实现局部激光多普勒信号的测量；且其稳定性好，提高了成像的定量性，速度快，操作简单。
本发明实现第二发明目的所采用的技术方案是：
一种用于激光散斑血流速度的定量成像方法，包括以下步骤：
A、照射：
用激光器作为光源，通过毛玻璃，照射在被测对象表面上，然后进行下一步；
B、形成散斑：
被测对象表面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，然后进行下一步；
C、曝光成像：
图像采集设备依次以基准曝光时间t曝光成像，并将成像的无缝时间序列送至计算机，进行下一步处理；
D、散斑图像对比度：
计算机遍历所有成像中所有像素点，计算得到所有像素点的散斑图像对比度，然后进行下一步；
E、建立血流速度分布图：
根据散斑图像对比度，计算所有像素点对应的相对血流速度，建立血流速度分布图。
进一步地，上述D步计算得到所有像素点的散斑图像对比度，包括计算横纵坐标分别为x、y的像素点的散斑图像对比度Cnt(x,y,n,m)：
等效曝光时间nt对应的图像Int(x,y)＝I(x,y,1)+…+I(x,y,k)+…+I(x,y,n)；
Cnt(x,y,n,m)＝SD(Int(x,y),m)/MEAN(Int(x,y),m)；
MEAN(Int(x,y),m)＝∑i,jInt(x-i,y-j)/(m×m)；
其中，t是基准曝光时间；n是一个选定的自然数，nt是n倍于基准曝光时间的等效曝光时间；k为自然数,k遍历1到n；i,j均为遍历‐(‐1+m)/2到(‐1+m)/2，m表示窗口大小，MEAN(Int(x,y),m)表示图像上以x、y点为中心点的m×m大小采样窗口的平均像素灰度值，SD(Int(x,y),m)表示图像上表示图像上以x、y点为中心点的m×m大小采样窗口的统计像素灰度值与平均像素灰度值的标准公差。
进一步地，上述E步建立血流速度分布图，包括：
等效曝光时间nt的散斑图像对比度
Cnt＝sqrt(Tc×(1-exp(-2×nt/Tc))/(2×nt))
其中sqrt是平方根函数，Tc是像素点对应的速度相关时间，nt是等效曝光时间；exp是以e为底数的指数函数；
然后计算所有像素点对应的相对血流速度V(x,y)，建立相对血流速度分布图，
V(x,y)＝Lamda/((2×Pi)×Tc)
其中，Lamda为激光波长，Pi是圆周率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(一)、本发明具有同时在时间域和空间域的高精度，定量性好的优点，可以实现局部激光多普勒信号的测量；且成像装置分辩率高，成像质量好，图像稳定性强。
(二)、本发明排除杂散光源的影响，提高激光散斑的对比度。
(三)、本发明结构简单，形成散斑速度快，成本低。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图(箭头表示光的方向)。
图2为本发明实施例一的对比度计算原理图。
图3为本发明实施例一的血流速度分布图。
具体实施方式
实施例一
图1示出，本例的结构是这样的：
一种用于激光散斑血流速度的定量成像装置，其中：包括三个激光器1、毛玻璃2、两个CMOS相机4、计算机5，所述激光器1的下方设有所述毛玻璃2；所述两个CMOS相机4分别与计算机5连接，所述两个CMOS相机4的下方设有50:50分光镜6。
而且，本例的50:50分光镜6的下方设有发光二极管8；在所述50:50分光镜6和发光二极管8之间设有滤光片7。
本例用波长785纳米的半导体激光器作为光源，CMOS相机的像素为640×480，曝光时间0.6ms，读出频率750帧每秒。
使用本例的装置，实现定量成像的方法，采用如下步骤：
A、照射：
用激光器作为光源，通过毛玻璃，照射在被测对象表面上，然后进行下一步；
B、形成散斑：
被测对象表面对入射来的激光产生后向散射，所产生的后向散射光在两个相机的表面(即成像镜头)形成散斑，然后进行下一步；
C、曝光成像：
两个相机依次以基准曝光时间t曝光成像，并将成像的无缝时间序列送至计算机；计算机把两个相机获取的图像按时间次序排列，基准曝光时间是t,I(x,y,n)表示两个相机连续采集到的第n帧图像上x、y点的像素灰度值，t是基准曝光时间；n是一个选定的自然数，nt是n倍于基准曝光时间的等效曝光时间；k为自然数,k遍历1到n；这样在假设信号不变和忽略读出噪声的情况下，就可以组成不同等效曝光时间的图像，例如
等效曝光时间t,It(x,y)＝I(x,y,1)；
等效曝光时间2t,I2t(x,y)＝I(x,y,1)+I(x,y,2)；
等效曝光时间nt,Int(x,y)＝I(x,y,1)+…+I(x,y,k)+…+I(x,y,n)；
对于等效曝光时间nt,图像就是Int(x,y)。
然后进行下一步处理；
D、散斑图像对比度：
计算机遍历所有成像中所有像素点，计算得到所有像素点的散斑图像对比度，包括计算图像上横纵坐标分别为x、y的像素点的散斑图像基于等效曝光时间nt和采样窗口(m×m)的对比度Cnt(x,y,n,m)：如图2所示，
等效曝光时间x、y对应的图像Int(x,y)＝I(x,y,1)+…+I(x,y,k)+…+I(x,y,n)；
Cnt(x,y,n,m)＝SD(Int(x,y),m)/MEAN(Int(x,y),m)；
MEAN(Int(x,y),m)＝∑i,jInt(x-i,y-j)/(m×m)；
其中，t是基准曝光时间；n是一个选定的自然数，nt是n倍于基准曝光时间的等效曝光时间；k为自然数,k遍历1到n；i,j均为遍历‐(‐1+m)/2到(‐1+m)/2，m表示窗口大小，MEAN(Int(x,y),m)表示图像上以x、y点为中心点的m×m大小采样窗口的平均像素灰度值，SD(Int(x,y),m)表示图像上表示图像上以x、y点为中心点的m×m大小采样窗口的统计像素灰度值与平均像素灰度值的标准公差。
m×m一般为奇数例如3×3，5×5,7×7等等，本例采用的是5×5；
然后进行下一步；
E、建立血流速度分布图
遍历图像中所有的像素点，得到所有像素点的散斑图像对比度。再通过改变等效曝光时间(从1到n)，重复这个过程，这样对于任意点，都可以得到对比度与等效曝光时间的相应关系。这个关系也就是散斑信号的曲线。这条曲线可以用一些已知的关于散斑对比度与曝光时间的模型曲线来拟合，例如洛伦茨速度分布模型，从而得出图像的时间Tc。
洛伦茨速度分布，Cnt＝sqrt(Tc×(1-exp(-2×nt/Tc))/(2×nt))
其中sqrt是平方根函数，Tc是像素点对应的速度相关时间，nt是等效曝光时间；exp是以e为底数的指数函数。
曲线拟合方法可以使用一般的非线性拟合数学工具如Matlab。
V(x,y)＝Lamda/((2×Pi)×Tc)
其中，Lamda为激光波长，Pi是圆周率，计算所有像素点对应的相对血流速度V(x,y)，并根据理论曲线拟合建立血流速度分布图。
本例的工作原理是：
用波长785纳米的半导体激光器1作为光源，通过毛玻璃2柔光，照射在被测对象3上，被测对象3对入射光产生后向散射，所产生的后向散射光通过滤光片7压制背景光，后向散射光传播到50:50分光镜6，一半的光直接投射到CMOS相机2，一半的光反射到CMOS相机1，在两个CMOS相机的表面分别形成散斑，两个相机对所形成的散斑进行成像，两个相机无缝交错连续采集200帧图像，并将所成像的图像送至计算机5进行处理，计算机5计算出血流速度V(x,y)，其中窗口大小取值为5×5，并根据像素点的血流速度建立相对血流速度分布图。实际成像效果如图3所示，其中颜色越浅的区域(对比度越高)表示血流越慢的区域，颜色越深的区域(对比度越低)表示血流越快的区域。
并且当设定相机只读出一个小的有效区域或像素融合的情况下，若设定只读出640×10区域的情况下，总有效帧频数可以接近和大于8，000帧每秒。
本例的后向反射光也称为“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”。
当然，本发明在连续无缝拍摄了图像后，例如基准曝光时间是0.6ms(n＝1，第一幅图像),一共200张图片，就可以通过图片的叠加运算，计算机合成等效曝光时间分别为1.2ms(n＝2第一幅和第二幅图像相加),1.8ms(n＝3第一幅，第二幅，第三幅图像相加),2.4ms(n＝4第一幅，第二幅，第三幅，第四幅图像相加),等等。对一般血流速度范围而言，叠加至50ms左右(n＝83，第一幅，第二幅……第八十三幅图像相加))，形成的图像序列就足以保证不同速度范围的散斑图像的对比度与速度的比例关系。
另，在入射激光强度足够的情况下(比如移走毛玻璃)，接近和大于8，000帧每秒的总有效帧频数就使得当基准曝光时间是t时，时间序列信号I(x,y,n)(n可以大于1000帧)里包含的多普勒信号有可能被读出来。因为相对于激光散斑血流速度技术，激光多普勒技术一般很昂贵，但定量性更好，可以将激光多普勒技术与本例装置结合起来在选择区域里同时使用，从而达到血流速度定标的目的。
当然，本发明的激光器也可以二个、五个等等；图像采集设备还可以是CCD相机等等；被测对象除了是人体的皮肤，还可以是血管。本发明使用的滤光片是只允许和激光器发射出的激光波长相同的光波通过，压制其他光源如室内杂散光源的影响，从而提高激光散斑的对比度。如果使用发光二极管照明时，可以不使用滤光片。
Claims (3)
1.一种用于激光散斑血流速度的定量成像方法，使用的定量成像装置包括激光器、毛玻璃、图像采集设备、计算机，所述激光器的下方设有所述毛玻璃；所述图像采集设备与计算机连接，所述图像采集设备的下方设有分光镜；所述分光镜的下方设有明场照明；在所述分光镜和所述明场照明之间设有滤光片；所述激光器为两个或两个以上；所述图像采集设备为两个或两个以上；其特征在于，定量成像方法包括以下步骤：
A、照射：
用激光器作为光源，通过毛玻璃，照射在被测对象表面上，然后进行下一步；
B、形成散斑：
被测对象表面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，然后进行下一步；
C、曝光成像：
图像采集设备依次以基准曝光时间t曝光成像，并将成像的无缝时间序列送至计算机，进行下一步处理；
D、散斑图像对比度：
计算机遍历所有成像中所有像素点，计算得到所有像素点的散斑图像对比度，然后进行下一步；
E、建立血流速度分布图：
根据散斑图像对比度，计算所有像素点对应的相对血流速度，建立血流速度分布图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述D步计算得到所有像素点的散斑图像对比度，包括计算横纵坐标分别为x、y的像素点的散斑图像对比度Cnt(x，y，n，m)：
等效曝光时间nt对应的图像Int(x，y)＝I(x，y，1)+…+I(x，y，k)+…+I(x，y，n)；
Cnt(x，y，n，m)＝SD(Int(x，y)，m)/MEAN(Int(x，y)，m)；
MEAN(Int(x，y)，m)＝∑i，jInt(x-i，y-j)/(m×m)；
其中，t是基准曝光时间；n是一个选定的自然数，nt是n倍于基准曝光时间的等效曝光时间；k为自然数，k遍历1到n；i，j均为遍历-(-1+m)/2到(-1+m)/2，m表示窗口大小，MEAN(Int(x，y)，m)表示图像上以x、y点为中心点的m×m大小采样窗口的平均像素灰度值，SD(Int(x，y)，m)表示图像上表示图像上以x、y点为中心点的m×m大小采样窗口的统计像素灰度值与平均像素灰度值的标准公差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述E步建立血流速度分布图，包括：
等效曝光时间nt的散斑图像对比度
Cnt＝sqrt(Tc×(1-exp(-2×nt/Tc))/(2×nt))
其中sqrt是平方根函数，Tc是像素点对应的速度相关时间，nt是等效曝光时间；exp是以e为底数的指数函数；
然后计算所有像素点对应的相对血流速度V(x，y)，建立相对血流速度分布图，
V(x，y)＝Lamda/((2×Pi)×Tc)
其中，Lamda为激光波长，Pi是圆周率。
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