CN105433906A - 一种扫描暗场激光散斑血流成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种扫描暗场激光散斑血流成像方法及其装置：采用空间局域化的线状或点状激光光束照明生物组织，并沿待测组织表面进行扫描，遍历整个待测的区域。对每次扫描，以面阵CCD或CMOS相机通过光学成像系统采集整个待测区域(含被激光束直接照明的区域，及其周围未被直接照明的区域)反射的激光散斑图像，计算各像素对应的激光散斑衬比，将之转换为血流图像。对扫描照明激光束处于不同位置时得到的上述所有血流图像，进行像素加权平均，得到最终的待测区域生物组织二维血流分布图像。本发明的优点在于加大了在组织中历经了多次散射的扩散光子对成像的贡献，比传统宽光束激光照明的激光散斑血流成像方法提高了检测深度。

Description

一种扫描暗场激光散斑血流成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种扫描暗场激光散斑血流成像方法及装置，用于提高激光散斑血流成像技术的检测深度，用于生理学、病理学、药理学和药效评价研究，以及临床医学诊断与治疗。

背景技术

现有激光散斑血流成像是一种宽场的血流成像技术，时间和空间分辨率高，在生命科学基础研究及临床疾病诊疗中获得了广泛的应用。然而，该技术采样深度受限，主要探测生物组织浅表层的血流信息。已有报道提高激光散斑血流成像采样深度的方法包括使用光透明剂，采用透射式成像，以及将激光散斑血流成像与正交偏振方法结合等。使用光透明剂之后，由于组织透明度提高，组织吸收系数和散射系数均发生改变，可以提高激光散斑血流成像方法对血流信息的采样深度，但是所使用光透明剂的生物安全性及其对血液动力学响应的影响仍需进行系统的评估。透射式成像系统的使用条件有限，仅适用于如手指、耳垂等薄组织的血流监测，而对于脑皮层、面部及躯干皮肤等类似半无限组织，透射式成像系统则不适用。激光散斑血流成像与正交偏振方法结合能消除成像时组织表面的镜面反射光，从而从一定程度上提高了对血流信号的采样深度，但改善的程度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种扫描暗场激光散斑血流成像方法及装置，以提高激光散斑血流成像的检测深度。

为了解决上述技术问题，本发明专利采取的技术思路是增加在组织中历经了多次散射的扩散光子对成像的贡献，即提高那些在组织中穿透深度较大的光子在血流速度计算中所占的比重，具体方案为采用空间局域化的窄线状或点状激光光束照明待测生物组织，并沿待测组织表面进行扫描，遍历整个待测的区域。对每一个激光束照明的位置，以面阵CCD或CMOS图像传感器通过光学成像系统采集整个待测区域(含被激光束直接照明的区域，及其周围未被直接照明的区域)生物组织反射的激光散斑图像；对采集的激光散斑图像，计算各像素对应的激光散斑衬比，将之转换为血流图像。对扫描照明激光束处于不同位置时得到的上述所有血流图像，进行平均，得到最终的待测区域生物组织二维血流分布图像。具体步骤包括：

(1)将空间局域化的线状或点状激光光束照射到被测生物组织待检测区域中的某个局部位置；

(2)用面阵CCD或CMOS相机通过光学成像系统对整个待检测区域成像，整个待检测区域包括被激光束直接照明的区域，及其周围未被直接照明的区域，连续采集N帧整个待检测区域的激光散斑图像；

(3)对步骤(2)采集所得N帧图像，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)计算该时间轴上的时间衬比K_t，

$K_t=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}{(I_p-\stackrel{\‾}{I})}^2}/\stackrel{\‾}{I}---\left(I\right)$

其中，I_p代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第p个像素的灰度值，为这N个像素灰度的平均值；

(4)按步骤(3)遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的时间衬比值K_t(i,j)，其中i,j分别为该像素在图像中的空间坐标位置；

(5)利用所得激光散斑时间衬比计算该象素处的血流速度值V(i,j)，公式如下：

其中c为校正系数；

(6)分别以每个像素对应的血流速度值为灰度，构建二维血流速度图；

(7)对步骤(6)所得血流速度图，将其中被激光束直接照明区域相应各像素处的血流速度值设为零；

(8)在被测生物组织待检测区域中扫描移动线状或点状激光激光束，使之遍历整个待检测区域，并在每个扫描照明的空间位置处重复步骤(2)-(7)，若共计扫描M个空间位置，则获得M帧血流速度图；

(9)将上述步骤完成后获得的M帧血流速度图进行平均，即得到最终的整个待检测区域生物组织血流速度图像。

其中，上述步骤(3)-(5)可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；

$K_s=\sqrt{\frac{1}{W^2-1}\underset{i=1}{\overset{W^2}{\Σ}}{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}/\stackrel{\‾}{I}---\left(III\right)$

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c为校正系数。

实现上述扫描暗场激光散斑血流成像方法的装置包括：激光光源(1)、起偏器(2)、光束整形器(3)、扩束器(4)、柱透镜(5)、扫描振镜(6)、样品(7)、第检偏器(8)、光电成像系统(9)和计算机(10)，激光光源(1)、第起偏器(2)、光束整形器(3)、扩束器(4)、柱透镜(5)、扫描振镜(6)和样品(7)依次位于照明光路上，且起偏器(2)与入射激光光束(1)垂直；样品(7)、检偏器(8)以及光电成像系统(9)依次位于成像光路上，检偏器(8)与光电成像系统(9)光轴方向垂直，与光电成像系统(9)同心，且其偏振方向与检偏器(7)的偏振方向垂直；计算机(10)与扫描振镜(6)相连，控制扫描振镜将局域化的激光束照射到被测对象上，并扫描激光束；计算机(10)与光电成像系统(8)相连，采集激光束扫描至不同位置时被测对象反射的激光散斑图像，并对采集的图像进行时间衬比分析、血流值计算和图像平均等操作，获得最终的被测对象二维血流分布。

本发明的优点在于加大了在组织中历经了多次散射的扩散光子对成像的贡献，比传统宽光束激光照明的激光散斑血流成像方法提高了检测深度。

附图说明

图1扫描暗场激光散斑血流成像系统装置图。

图2扫描暗场激光血流成像方法流程图。

图3扫描暗场激光血流成像方法与现有方法动物实验结果的血流图对比图，3(a)传统宽场激光散斑血流成像方法得到的血流图；3(b)扫描暗场激光血流成像方法得到的血流图。

具体实施方式

如图1所示，扫描暗场激光散斑血流成像方法的装置包括：激光光源1、第起偏器2、光束整形器3、扩束器4、柱透镜5、扫描振镜6和样品7依次位于照明光路上，且起偏器2与入射激光光束1垂直；样品7、检偏器8以及光电成像系统9依次位于成像光路上，检偏器8与光电成像系统9光轴方向垂直，与光电成像系统9同心，且其偏振方向与检偏器7的偏振方向垂直；计算机10与扫描振镜6相连，控制扫描振镜将局域化的激光束照射到被测对象上，并扫描激光束；计算机10与光电成像系统8相连，采集激光束扫描至不同位置时被测对象反射的激光散斑图像，并对采集的图像进行时间衬比分析、血流值计算和图像平均等操作，获得最终的被测对象二维血流分布。具体而言，He-Ne激光器(25-LHP系列，MellesGriot，美国)发出的激光通过扩束与准直透镜组后，被一个长焦距柱透镜(f＝400mm)聚焦为一条直线，即线形光。线形光束通过一个与水平面呈45°角放置的分光镜后，经由该分光镜反射的线形光以90°角入射到被测样本表面。由样本反射之后的光则再次通过分光镜，经分光镜透射的光经由显微镜系统后(Z16APO，Leica，德国)由一个12位CCD(PixelFlyqe,PCOComputer,Germany)相机采集并保存在电脑中。同时，该分光镜与一个微距线性移动平台相连接，并由计算机其带动控制分光镜在水平方向上的微距移动，使得线形光束左右移动从而对被测样本进行扫描照明。He-Ne激光器和扩束与准直透镜组之间的可调节衰减片用于调节照明光光强，使得实验中照明光光强在CCD动态范围内，防止饱和现象出现。实验时CCD相机前会放置一个线偏振器，用于消除镜面反射的影响(图1中未标出)。由于He-Ne激光器实际的出射光并非完全的线偏振光，还有少量其它偏振态的光，因此在He-Ne激光器和可调节衰减片之间会放置另一个线偏振器，用于阻挡其他偏振态的光，保证出射光为线偏振光。这种配置可以用来实现激光散斑血流成像与正交偏振方法的结合，从而验证正交偏振方法对激光散斑血流成像采样深度的影响。

通过动物实验，将本发明的方法与传统宽场照明成像方法作比较来验证本方法可以提高血流成像的采样深度。动物实验对象是购自湖北省疾病预防与控制中心的成年Wistar大鼠，体重约200g。实验中所用麻醉试剂为2％水合氯醛和10％乌拉坦的混合液。使用该混合液对大鼠腹腔进行注射，使用剂量为0.9mL/100g。待大鼠完全麻醉后对其进行开颅手术。先通过皮肤剪去掉头骨上的毛皮，使用牙科钻(FineScienceTools，USA)将暴露的头骨区域一侧顶骨磨薄，待磨薄到一定程度时将此处整个头骨掀除，开一个4mm×3mm左右的观测窗。整个开颅手术过程中，大鼠一直固定于脑立体定位仪上(MP8003,深圳瑞沃德生命科技)，其体温由反馈式体温维持仪实时监测与控制，使其直肠温度保持在37±0.5℃。此后，将脑立体定位仪连同大鼠等一起放置于防震光学平台(VH3036W,Newport)上，调节体视显微镜(OlympusSZ6045TRZoom,Japan)直至聚焦于暴露的大鼠脑皮层区域。实验开始前，将少量生理盐水滴到大鼠暴露的脑皮层，以减少镜面反射的影响。

按照图2所示扫描暗场激光散斑血流成像方法的流程，进行如下步骤：

(1)计算机控制平移台将线形激光光束扫描到位置1，直到微距线性移动平台完全停止移动，才可触发CCD相机采集原始激光散斑图像。

(2)用面阵CCD或CMOS相机通过光学成像系统对整个待检测区域(包括被激光束直接照明的区域，及其周围未被直接照明的区域)成像，连续采集40帧整个待检测区域的激光散斑图像；

(3)对步骤(2)采集所得N帧图像，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为40个像素的像素集，利用公式(I)计算该时间轴上的时间衬比K_t，

$K_t=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}{(I_p-\stackrel{\‾}{I})}^2}/\stackrel{\‾}{I}---\left(I\right)$

其中，I_p代表N帧图像中同一位置处对应40个像素中第p个像素的灰度值，为这40个像素灰度的平均值；

(4)按步骤(3)遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的时间衬比值K_t(i,j)，其中i,j分别为该像素在图像中的空间坐标位置；

(5)利用所得激光散斑时间衬比计算该象素处的血流速度值V(i,j)，公式如下：其中c为校正系数；

(6)分别以每个像素对应的血流速度值为灰度，构建二维血流速度图；

(7)对步骤(6)所得血流速度图，将其中被激光束直接照明区域相应各像素处的血流速度值设为零；

(8)在被测生物组织待检测区域中扫描移动线状或点状激光激光束，使之遍历整个待检测区域，并在每个扫描照明的空间位置处重复步骤(2)-(7)，共计扫描16个空间位置，则获得16帧血流速度图；

(9)将上述步骤完成后获得的16帧血流速度图进行平均，即得到最终的整个待检测区域生物组织血流速度图像。

作为同样技术构思下的替代技术方案，步骤(3)-(5)用以下处理步骤代替，其余步骤保持不变：

(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；

$K_s=\sqrt{\frac{1}{W^2-1}\underset{i=1}{\overset{W^2}{\Σ}}{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}/\stackrel{\‾}{I}---\left(III\right)$

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c为校正系数。

上述两种技术方案所获得的动物实验结果如图3所示，图3(a)为现有宽场激光散斑成像方法得到的血流图像，而图3(b)为本方法得到的血流图像。从图中可以看出，本方法分别出了更多的皮层小血管，特别是图中箭头所标示的三个位置均处于磨薄的头骨之下，这里的三根血管在宽场方法下均不能被分辨出，而使用本方法均可以被分辨出来，表明本方法可以提高血流成像的采样深度。

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 (3)

1.一种扫描暗场激光散斑血流成像方法，其步骤包括：

(1)将空间局域化的线状或点状激光光束照射到被测生物组织待检测区域中的某个局部位置；

(2)用面阵CCD或CMOS相机通过光学成像系统对整个待检测区域成像，待检测区域包括被激光束直接照明的区域，及其周围未被直接照明的区域，连续采集N帧整个待检测区域的激光散斑图像；

(3)对步骤(2)采集所得N帧图像，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)计算该时间轴上的时间衬比K_t，

$K_t=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{p=1}{\overset{N}{\Σ}}{(I_p-\stackrel{\‾}{I})}^2}/\stackrel{\‾}{I}---\left(I\right)$

其中，I_p代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第p个像素的灰度值，为这N个像素灰度的平均值；

(4)按步骤(3)遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的时间衬比值K_t(i,j)，其中i,j分别为该像素在图像中的空间坐标位置；

(5)利用所得激光散斑时间衬比计算该象素处的血流速度值V(i,j)，公式如下：

其中c为校正系数；

(6)分别以每个像素对应的血流速度值为灰度，构建二维血流速度图；

(7)对步骤(6)所得血流速度图，将其中被激光束直接照明区域相应各像素处的血流速度值设为零；

(8)在被测生物组织待检测区域中扫描移动线状或点状激光激光束，使之遍历整个待检测区域，并在每个扫描照明的空间位置处重复步骤(2)至(7)，若共计扫描M个空间位置，则获得M帧血流速度图；

(9)将上述步骤完成后获得的M帧血流速度图进行平均，即得到最终的整个待检测区域生物组织血流速度图像。

2.根据权利要求1所述的扫描暗场激光散斑血流成像方法，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；

$K_s=\sqrt{\frac{1}{W^2-1}\underset{i=1}{\overset{W^2}{\Σ}}{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}/\stackrel{\‾}{I}---\left(III\right)$

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c为校正系数。

3.一种实现上述扫描暗场激光散斑血流成像方法的装置，其特征在于：包括：激光光源(1)、起偏器(2)、光束整形器(3)、扩束器(4)、柱透镜(5)、扫描振镜(6)、样品(7)、第检偏器(8)、光电成像系统(9)和计算机(10)，所述激光光源(1)、第起偏器(2)、光束整形器(3)、扩束器(4)、柱透镜(5)、扫描振镜(6)和样品(7)依次位于照明光路上，且起偏器(2)与入射激光光束(1)垂直；样品(7)、检偏器(8)以及光电成像系统(9)依次位于成像光路上，检偏器(8)与光电成像系统(9)光轴方向垂直，与光电成像系统(9)同心，且其偏振方向与检偏器(7)的偏振方向垂直；计算机(10)与扫描振镜(6)相连，用于控制扫描振镜将局域化的激光束照射到被测对象上，并扫描激光束；计算机(10)与光电成像系统(8)相连，用于采集激光束扫描至不同位置时被测对象反射的激光散斑图像，并对采集的图像进行时间衬比分析、血流值计算和图像平均操作，获得最终的被测对象二维血流分布。