CN105395184B - 生物组织血流、血氧和血容量的多参数检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物组织血流、血氧和血容量的多参数检测方法及装置。该方法用两个不同波长激光同时照射到生物组织，光电成像系统连续采集若干帧被激光束照明的生物组织彩色图像。取出图像上每个像素上的红色通道与绿色通道光强值，分别构成红色通道图像与绿色通道图像。应用激光散斑血流成像数据分析方法及双波长光谱数据分析方法处理上述红色通道图像与绿色通道图像，得到相应生物组织的血流、氧合血红蛋白浓度、还原血红蛋白浓度多个生理参数的二维空间分布及其动态变化信息。本发明解决了基于多波长分时成像的多参数血流成像系统难以实现准确时间同步的缺点，也避免了基于多相机拍摄的多参数血流成像系统需使用多个相机从而增加成本的缺点。

Description

生物组织血流、血氧和血容量的多参数检测方法及装置

技术领域

本发明专利属于生物医学成像领域，具体涉及一种使用简便，成本低廉的多参数检测方法及装置，能够实现对如人体皮肤，脑皮层等生物组织的多个血流动力学信息进行实时成像以及连续监测。

背景技术

对生物组织血液动力学的多参数监测对于研究生物体生理状态具有十分重要的意义。一般的多参数血流成像系统都是通过结合各种荧光成像，内源信号光学成像以及激光散斑血流成像等基本的光学成像方法来实现，而这些光学成像都是通过利用非相干或者相干光源照射生物组织，收集其反射光，并分析反射光信息来获取血液动力学参数。而对于多参数血流成像系统来说，实时收集不同波长的生物组织反射光是该系统的难点之一。目前，国际上的多参数血流成像系统主要有两类方式来克服这一难点：

1.单个相机分时复用，不同时刻采集不同波长光源照明的生物组织图像。

这种基于该方式的系统一般也有两种实现方法：一是利用白光光源以及旋转的滤光轮，分时的获取不同波段的反射光信号；另一种是利用分时点亮不同波段的激光二极管或者发光二极管来照明样品。由于这两种方法都能够在极端时间内(毫秒量级)切换照明光源，这种方式能够一定程度上实现实时监测与成像。其缺点也在于由于分时获取不同波段的反射光信号，从而分析某一时刻血容以及血氧含量所使用的数据并不是对应时刻上获取，这样就会造成血液的血容和血氧含量分析的误差，同时所获取的血液流速存在一定的时间间隔。

2.多个相机同时采集，不同相机获取不同波长光源照明的生物组织图像。

这种系统利用分束器与滤光片，将携带信号的反射光按照不同的波长进行分束，然后利用多个单色相机进行收集，这样一种方式可以避免多波长信号的分时获取，但这种方式需要设计专门的光学、机械结构保障不同相机所得图像间的精确配准，且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种能够同时对血流速度、含氧血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度二维空间分布及其动态变化的多参数检测方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种生物组织血流、血氧、血容量的多参数检测方法，其总体构思是使用两个不同波长的激光器经过透镜组扩束后同时照射到生物组织上，利用配置了彩色相机的光电成像系统连续采集若干帧的被激光束照明的生物组织图像。对彩色相机输出的原始光强数据，取出每个像素上的红色通道与绿色通道光强值，分别构成红色通道图像与绿色通道图像。应用激光散斑血流成像数据分析方法及双波长光谱数据分析方法处理上述红色通道图像与绿色通道图像，得到相应生物组织的血流、氧合血红蛋白浓度、还原血红蛋白浓度多个生理参数的二维空间分布及其动态变化信息。

包括以下具体步骤：

(1)以两束不同波长的激光光束同时照明被测生物组织，在t时刻用配置了彩色相机的光电成像系统连续采集N帧被激光束照明的生物组织图像；

(2)对彩色相机输出的每一帧原始RGB三通道图像数据，取出每个像素上的红色通道与绿色通道光强值，分别构成相应的红色通道图像与绿色通道图像，共获得N帧红色通道图像与N帧绿色通道图像；

(3)对于步骤(2)所得N帧红色通道图像，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为N个像素的像素集，利用公式(1)计算该像素集灰度值的统计量C，

其中N为所采集的图像帧数，I_i代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第i个像素的灰度值，为这N个像素灰度的平均值；

(4)利用所得C值计算该象素处的血流值V(x,y)，x,y分别代表该象素在图像中的坐标，公式如下：

其中b为校正系数；

(5)按步骤(2)-(3)遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(x,y)。分别以每个像素对应的V值为灰度，构建t时刻的生物组织二维血流图像V(x,y,t)；

(6)对步骤(2)所得N帧红色通道图像做平均，得到红色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₁,t)，步骤(2)所得N帧绿色通道图像做平均，得到绿色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₂,t)；

(7)在不同时刻t₁和t₂，按步骤(1)-(6)得到t₁时刻的红绿色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₁,t₁)、I(x,y,λ₂,t₂)，及t₂时刻的红绿色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₁,t₂)、I(x,y,λ₂,t₂)；

(8)利用上述步骤后所得数据，按下式计算氧合血红蛋白与还原血红蛋白浓度的变化：

式(II)中分别代表含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白在两个照明激光束波长λ₁与λ₂对应的摩尔消光系数，与分别代表是波长λ₁与λ₂对应的路径差分因子；

(9)利用步骤(8)中所得含氧血红蛋白浓度变化Δ[HbO₂(t)]与脱氧血红蛋白浓度变化Δ[HbR(t)]即可按下式计算血氧、血容量变化，

血氧：

血容量：ΔBV＝Δ[HbO₂(t)]＋Δ[HbR(t)]。

特别的，对于照明的激光光束需选取特定的波段，两个照明激光光束的中心波长应分别在530±5纳米，以及635±5纳米范围内选取，以避免两个波长间的串扰问题。

此外，若所用彩色相机为内置Bayer滤光片的单感光芯片面阵CCD彩色相机或面阵CMOS彩色相机，则因为每个像素只有一个颜色的滤光片，需对步骤(2)中提取出的红色通道与绿色通道图像进行相邻像素上灰度的空间插值，使之与原始图像像素数相同。

可优选的，步骤(3)-(5)用以下处理步骤(3’)-(5’)代替：

(3’)对采集到的被测对象反射产生的某一帧红色通道图像，在该帧图像上选取一个尺寸为W×W的空间窗口，该空间窗口内的W×W个像素组成一个大小为W²的像素集，该像素集内各像素的灰度值设为I_i，利用公式(III)计算该空间窗口内的空间散斑衬比K_s，赋值给该空间窗口的中心位置的像素；

其中W为空间窗口的尺寸大小，I_i代表该W×W的空间窗口中第i个像素的灰度值，为这W²个像素灰度的平均值；

(4’)按步骤(3’)逐像素滑动空间窗口，遍历整个红色通道图像，获得所有像素对应的衬比值K_s(x,y)；分别以每个像素对应的衬比值为灰度，构建二维的空间散斑衬比图像；

(5’)对所获得的N帧红色通道图像重复步骤(3’)和(4’)操作，得到N帧二维空间散斑衬比图像，然后把这N帧空间散斑衬比图像点对点的累加起来取平均完成多帧平均运算，以获取一帧信噪比较高的空间散斑衬比图像K_s；以此散斑衬比图像按下式计算获得t时刻的生物组织二维血流图像V(x,y,t)，

其中b为校正系数。

本发明同时提供了一种实现上述生物组织血流、血氧、血容量的多参数检测方法的装置，该装置包括第一激光器，第一扩束镜，第二激光器，第二扩束镜，成像镜头，彩色相机，数据传输线以及计算机；

所述第一激光器与第二激光器，分别经过第一扩束镜以及第二扩束镜得到发散的激光光束，并同时照射到生物组织样品上，成像镜头将被照射的生物组织成像到彩色相机上，数据传输线将彩色相机连续拍摄到图像保存到计算机进行数据处理。

可选的，所述彩色相机为彩色面阵列CCD或CMOS相机。

本发明专利的有益效果是，本发明解决了基于多波长分时成像的多参数血流成像系统难以实现准确时间同步的缺点，也避免了基于多相机拍摄的多参数血流成像系统需使用多个相机从而增加成本的缺点。仅利用单个彩色相机以及设计的数据处理方式，不需要设计分光光路以及增加相机，在较低成本的条件下就实现了多个血液动力学参数的监测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做出进一步具体说明：

图1是本发明专利的系统结构示意图。

图2是内置Bayer滤光片的彩色相机的红绿色通道图像数据获取方式示意图。

图3是Bayer滤光片红绿蓝三个通道的相对响应率曲线。

图4是该方法及装置对人体手指供血阻断及恢复过程中的不同阶段时获取相对血流速度、含氧血红蛋白浓度变化以及脱氧血红蛋白浓度变化图像。

图5是该方法及装置对人体手指供血阻断及恢复过程中血流速度、含氧血红蛋白浓度变化以及脱氧血红蛋白浓度随时间变化的曲线。

具体实施方式

如图1所示：该装置包括第一激光器1，第一扩束镜2，第二激光器3，第二扩束镜4，成像镜头5，彩色面阵CCD或彩色面阵CMOS相机6，数据传输线7以及计算机8。

第一激光器1(光功率为20毫瓦，波长为635±5纳米)与第二激光器(光功率为20毫瓦，波长为530±5纳米)3，分别经过第一扩束镜2以及第二扩束镜2得到发散的激光光束，并同时照射到生物组织样品上，如图1中所示人的手背。成像镜头5将被照射的生物组织成像到彩色相机6上，数据传输线7(千兆网线)将彩色相机6连续拍摄到图像保存到计算机8进行数据处理。

具体方法如下：

(1)以两束不同波长的激光光束同时照明被测生物组织，在t时刻用配置了彩色相机的光电成像系统连续采集N帧被激光束照明的生物组织图像；

(2)对彩色相机输出的每一帧原始RGB三通道图像数据，取出每个像素上的红色通道与绿色通道光强值，分别构成相应的红色通道图像与绿色通道图像，共获得N帧红色通道图像与N帧绿色通道图像；

图2显示了Bayer滤光片的结构示意图，相机的每一个图像传感器上覆盖着一个波段的滤光片(红，绿，蓝)，而Bayer滤光片以二乘以二的二维矩阵为一个基本单位，并且按照红、绿、绿、蓝来分布(从左向右，从上至下)。本方法的数据处理过程首先是将这种内置有Bayer滤光片的彩色相机收集到的二维图像12，对应Bayer滤光片不同颜色区域分离为绿色通道图像13以及红色通道图像14。

(3)对于步骤(2)所得N帧红色通道图像，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为N个像素的像素集，利用公式(1)计算该像素集灰度值的时域统计量C，

其中N为所采集的图像帧数，I_i代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第i个像素的灰度值，为这N个像素灰度的平均值；

(4)利用所得C值计算该象素处的血流值V(x,y)，公式如下：

其中b为校正系数；

(5)按步骤(2)-(3)遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(x,y)；分别以每个像素对应的V值为灰度，构建t时刻的生物组织二维血流图像V(x,y,t)；

(6)对步骤(2)所得N帧红色通道图像做平均，得到红色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₁,t)，步骤(2)所得N帧绿色通道图像做平均，得到绿色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₂,t)；

(7)在不同时刻t₁和t₂，按步骤(1)-(6)得到t₁时刻的红绿色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₁,t₁)、I(x,y,λ₂,t₂)，及t₂时刻的红绿色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₁,t₂)、I(x,y,λ₂,t₂)

(8)利用上述步骤后所得数据，按下式计算氧合血红蛋白与还原血红蛋白浓度的变化：

式(II)中分别代表含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白在两个照明激光束波长λ₁与λ₂对应的摩尔消光系数，与分别代表是波长λ₁与λ₂对应的路径差分因子。

(9)利用步骤(8)中所得含氧血红蛋白浓度变化Δ[HbO₂(t)]与脱氧血红蛋白浓度变化Δ[HbR(t)]即可按下式计算血氧、血容量变化

血氧：

血容量：ΔBV＝Δ[HbO₂(t)]＋Δ[HbR(t)]

作为一种替代方案，上述步骤(3)-(5)可以用以下处理步骤代替：

(3’)对采集到的被测对象反射产生的某一帧红色通道图像，在该帧图像上选取一个尺寸为W×W的空间窗口，该空间窗口内的W×W个像素组成一个大小为W²的像素集，该像素集内各像素的灰度值设为I_i，利用公式(III)计算该空间窗口内的空间散斑衬比K_s，赋值给该空间窗口的中心位置的像素；

其中W为空间窗口的尺寸大小，I_i代表该W×W的空间窗口中第i个像素的灰度值，为这W²个像素灰度的平均值；

(4’)按步骤(3’)逐像素滑动空间窗口，遍历整个红色通道图像，获得所有像素对应的衬比值K_s(x,y)；分别以每个像素对应的衬比值为灰度，构建二维的空间散斑衬比图像；

(5’)对所获得的N帧红色通道图像重复步骤(3’)和(4’)操作，得到N帧二维空间散斑衬比图像，然后把这N帧空间散斑衬比图像点对点的累加起来取平均完成多帧平均运算，以获取一帧信噪比较高的空间散斑衬比图像K_s；以此散斑衬比图像按下式计算获得t时刻的生物组织二维血流图像V(x,y,t)，

其中b为校正系数。

结合绿色通道图像13与红色通道图像14，以及内源光信号分析方法，能够获取所监测生物组织二维空间内血容随时间的变化以及氧含量随时间的变化。一般血容变化与血液中血红蛋白总量的变化成线性关系，而血红蛋白总量变化等于含氧血红蛋白浓度以及脱氧血红蛋白浓度变化的叠加，而氧含量也等于含氧血红蛋白浓度与脱氧血红蛋白浓度之比，所以在本系统中利用内源光信号分析方法获取的含氧血红蛋白的浓度变化与脱氧血红蛋白浓度变化，进而得到血容变化与氧含量变化。这样，通过该系统设计的数据获取以及数据分析方式，多个血液动力学参数就能够从彩色相机拍摄的单帧图像中提取出来。

进一步讨论本方法利用彩色相机拍摄可能引入的信号串扰的问题。图3显示了内置有Bayer滤光片的彩色相机对应红绿蓝三个通道对应不同波段光的相对响应率。曲线15，曲线16以及曲线17分别对应三种颜色滤光片下探测器像素的相对响应率随着波长的变化曲线。从曲线16以及曲线17可以看出在530±5nm的照明波段，绿色通道的相对响应率与红色通道的相对响应率之间的比率能够超过2000％，同时在635±5nm的照明波段，红色通道的相对响应率与绿色通道的相对响应率的比值超过2000％。以上数据说明内置有Bayer滤光片的彩色相机6的红色通道收集的是635nm的第一激光器1照射到样品时反射形成的图像，而绿色通道收集基本上是532nm的第二激光器3照射到样品时反射形成图像。这样，通过选择两个特定波段的相干照明光源，不同颜色通道之间串扰可以忽略。

下面以一个具体实验为例，阐述该系统在活体生物实验中的效果。实验对象为年龄二十五岁的健康成年男性，实验监测区域为被试者手指区域，实验过程为被试者首先保持静息状态2分钟，然后迅速扎紧加载在被试者大臂上的绑带，造成被试者手指区域的缺血，保持这样缺血2分钟，然后完全释放绑带，恢复被试者手指的供血。整个过程利用本发明所述方法及装置进行实时检测。

图4为手指供血阻断及恢复过程中获取的人手指区域内的多个血液动力学参数的空间分布信息。图像18，图像19，图像20为静息、供血阻断以及供血恢复后的血流速度空间分布，可以明显观测到缺血时的手指血流降低，及恢复供血后血流的恢复。图像21，图像22，图像23为同样三个阶段内获取的含氧血红蛋白浓度变化的空间分布，可以明显发现缺血时由于手指血液供应不足组成的血红蛋白浓度的降低，恢复血液供应后血红蛋白浓度基本恢复。图像24，图像25，图像26为三个阶段内获取的脱氧血红蛋白浓度变化的空间分布，可以明显发现缺血时，氧代谢仍然持续所造成的脱氧血红蛋白浓度的升高，恢复血液供应以及氧供应后，脱氧血蛋白转化，从而浓度降低。

图5为提取人手指指尖血管较丰富区域内，多个血液动力学参数在整个实验过程中随时间的变化。曲线27代表血流速度随着时间的相对变化趋势，可以发现缺血过程血流速度降低至基线值的20％，说明手指区域的血液供应基本被阻断，而在松开绑带之后由于阻塞在前段的血流的冲入，血流速度出现一个峰值，之后逐渐恢复到基线值。曲线28代表含氧血红蛋白浓度随时间的相对变化，在缺血过程中有明显的下降趋势，随血液的供应恢复，含氧血蛋白的浓度也出现一个峰值，之后逐渐恢复到基线值。曲线29代表脱氧血红蛋白浓度随时间的相对变化的，在缺血过程中氧代谢过程的持续进行造成脱氧血红蛋白浓度的持续上升，恢复血液供应之后，逐渐恢复到基线值。曲线30代表血容量的变化，在缺血过程中，动脉血供并未被完全阻隔，造成血容轻微上升，恢复血液供应之后也出现一个峰值，之后逐渐恢复到基线值。图5右边标尺显示的时监测参数相对于基线值的百分比变化幅度，右下标尺显示的时间长度。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种生物组织血流、血氧和血容量的多参数检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以两束不同波长的激光光束同时照明被测生物组织，在t时刻用配置了彩色相机的光电成像系统连续采集N帧被激光束照明的生物组织图像；

(2)对彩色相机输出的每一帧原始RGB三通道图像数据，取出每个像素上的红色通道与绿色通道光强值，分别构成相应的红色通道图像与绿色通道图像，共获得N帧红色通道图像与N帧绿色通道图像；

(3)对于步骤(2)所得N帧红色通道图像，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为N个像素的像素集，利用公式(I )计算该像素集灰度值的时域统计量C，

其中N为所采集的图像帧数，I_i代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第i个像素的灰度值，为这N个像素灰度的平均值；

(4)利用所得C值计算该象素处的血流值V(x,y)，x,y分别代表该象素在图像中的坐标，公式如下：

其中b为校正系数；

(5)按步骤(2)-(3)遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(x,y)；分别以每个像素对应的V值为灰度，构建t时刻的生物组织二维血流图像V(x,y,t)；

(6)对步骤(2)所得N帧红色通道图像做平均，得到红色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₁,t)，步骤(2)所得N帧绿色通道图像做平均，得到绿色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₂,t)；

(7)在不同时刻t₁和t₂，按步骤(1)-(6)得到t₁时刻的红绿色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₁,t₁)、I(x,y,λ₂,t₁)，及t₂时刻的红绿色通道平均反射光强图像I(x,y,λ₁,t₂)、I(x,y,λ₂,t₂)；

(8)利用上述步骤后所得数据，按下式计算氧合血红蛋白与还原血红蛋白浓度的变化：

式(II)中Δ[HbO₂(t)]为含氧血红蛋白浓度的变化，Δ[HbR(t)]为脱氧血红蛋白浓度的变化，分别代表含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白在两个照明激光束波长λ₁与λ₂对应的摩尔消光系数，与分别代表是波长λ₁与λ₂对应的路径差分因子；

(9)利用步骤(8)中所得含氧血红蛋白浓度变化Δ[HbO₂(t)]与脱氧血红蛋白浓度变化Δ[HbR(t)]即可按下式计算血氧、血容量变化，

血氧：

血容量：ΔBV＝Δ[HbO₂(t)]+Δ[HbR(t)]。

2.根据权利要求1所述的生物组织血流、血氧和血容量的多参数检测方法，其特征在于，两个照明激光光束的中心波长分别在530±5纳米，以及635±5纳米范围内选取，以避免两个波长间的串扰问题。

3.根据权利要求1所述的生物组织血流、血氧和血容量的多参数检测方法，其特征在于，若所用彩色相机为内置Bayer滤光片的单感光芯片面阵CCD彩色相机或面阵CMOS彩色相机，则因为每个像素只有一个颜色的滤光片，需对所述步骤(2)中提取出的红色通道与绿色通道图像进行相邻像素上灰度的空间插值，使之与原始图像像素数相同。

4.根据权利要求1所述的生物组织血流、血氧和血容量的多参数检测方法，其特征在于，步骤(3)-(5)用以下处理步骤代替：

(3’)对采集到的被测对象反射产生的某一帧红色通道图像，在该帧图像上选取一个尺寸为W×W的空间窗口，该空间窗口内的W×W个像素组成一个大小为W²的像素集，该像素集内各像素的灰度值设为I_i，利用公式(III)计算该空间窗口内的空间散斑衬比K_s，赋值给该空间窗口的中心位置的像素；

其中W为空间窗口的尺寸大小，I_i代表该W×W的空间窗口中第i个像素的灰度值，为这W²个像素灰度的平均值；

(4’)按步骤(3’)逐像素滑动空间窗口，遍历整个红色通道图像，获得所有像素对应的衬比值K_s(x,y)；分别以每个像素对应的衬比值为灰度，构建二维的空间散斑衬比图像；

(5’)对所获得的N帧红色通道图像重复步骤(3’)和(4’)操作，得到N帧二维空间散斑衬比图像，然后把这N帧空间散斑衬比图像点对点的累加起来取平均完成多帧平均运算，以获取一帧信噪比较高的空间散斑衬比图像K_s；以此散斑衬比图像按下式计算获得t时刻的生物组织二维血流图像V(x,y,t)，

其中b为校正系数。