CN106419889A - 一种基于片层光的血流三维成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于片层光的血流三维成像装置及方法，该装置包括激光器、分束器、柱面镜、驱动装置、成像装置、触发装置及电脑；分束器对激光器发射出的激光进行分束，柱面镜将分束后的激光形成片层光照射在样品上；成像装置及触发装置均与电脑连接；电脑通过触发装置控制驱动装置驱动置于其上的样品做纵向运动；成像装置用于采集样品的图像数据并将所述图像数据传输至电脑，电脑对接收的图像数据进行处理并建立样品的三维血流图像。本发明提供的一种基于片层光的血流三维成像装置，通过控制样品纵向运动使得样品的每一层依次位于片层光的照射位置处，成像装置在样品的每一层均采集图像数据并将其传输至电脑进行处理以建立样品的三维血流图像，成像精度高。
Description
技术领域
本发明涉及生物组织血流成像技术领域，更具体地，涉及一种基于片层光的血流三维成像装置及方法。
背景技术
胚胎发育是生命科学研究领域的重要课题，在胚胎发育过程中组织器官的形成与生长均需要血液提供氧气和养分。发展一种可用于观察胚胎发育过程中血管网络分布的成像与监测方法具有十分重要的科研与应用价值。而且随着临床医学和实验研究的发展，血流成像无论在临床医学应用还是科学研究等方面均有重大的价值。目前，光学血流成像方法主要有激光散斑血流成像，该方法通过以相同的曝光时间和帧间隔时间连续采集N帧散斑图像；取出各帧图像中相同位置对应N×N大小空间邻域内的像素，组成像素集，计算该邻域内的衬比度，再以每个像素点对应的衬比为灰度，构建血流图像。
现有的激光散斑血流成像方法主要分为以下三种：空间衬比成像法：例如中国发明专利CN1391869A“利用激光散斑成像仪检测肠细膜上微循环血流时空响应特性的方法”，该方法的主要缺点是图像空间分辨率较低。时间衬比成像法：例如中国发明专利CN1792323A“一种经颅脑血流高分辨率成像方法及其装置”，该方法的主要缺点是图像时间分辨率较低，容易受图像抖动的影响。时空联合衬比成像法：中国发明专利CN101485565A“一种激光散斑血流成像分析方法”，中国发明专利CN102429650A“一种激光散斑血流成像衬比分析方法”，这两种方法都是利用空间和时间结合的方法提高成像的空间分辨率和时间分辨率，但是都存在算法运算量过大、速度较慢的问题。此外，激光散斑血流成像都存在无法进行三维血流成像的缺点。
另外，现有的三维血流成像的方法还有共聚焦显微镜和显微核磁共振技术。共聚焦显微技术的缺点是无法进行非荧光成像，且无法对完整胚胎进行三维成像。显微核磁共振技术的缺点是图像分辨率低，且价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于片层光的血流三维成像装置，该装置成本低廉，对样品无损害，能实现片层光分层扫描，并能获得三维血流图像，且成像精度高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于片层光的血流三维成像装置，包括激光器、分束器、柱面镜、驱动装置、成像装置、触发装置及电脑；所述分束器对激光器发射出的激光进行分束，柱面镜将分束后的激光形成片层光照射在样品上；成像装置及触发装置均与电脑连接；电脑通过触发装置控制驱动装置驱动置于其上的样品做纵向运动；成像装置用于采集样品的图像数据并将所述图像数据传输至电脑，电脑对接收的图像数据进行处理并建立样品的三维血流图像。
上述方案中，通过设置柱面镜、驱动装置、成像装置、触发装置及电脑，使得电脑通过触发装置控制驱动装置驱动样品做纵向运动时，样品的每一层依次位于柱面镜形成的片层光的照射位置处，成像装置在样品的每一层均采集图像数据并将其传输至电脑进行处理以建立样品的三维血流图像。本发明一种基于片层光的血流三维成像装置，成本低廉，对样品无损害，能实现片层光分层扫描，并能获得三维血流图像，且成像精度高。
优选地，所述成像装置为COMS相机，所述COMS相机的镜头为长焦距远心镜头。这样设置不但能获取更高空间分辨率的图像数据，而且能节省成本。
优选地，驱动装置的输出端与平台连接，所述平台用于固定样品。驱动装置工作使平台做纵向运动，平台运动带动样品运动，使样品的每一层依次位于柱面镜形成的片层光的照射位置处。这样设置便于样品的固定，防止驱动装置工作时样品晃动，影响拍摄的图像数据的质量。
优选地，所述驱动装置为步进电机。
优选地，所述分束器将激光器发射出的激光分成四束，柱面镜为四个。将柱面镜放置在样品的四周，并使四个柱面镜处于相同的高度，这样四个位置处的片层光高度一致，从而使得样品的照射光强更加均匀和有一致的景深，使得成像装置采集的图像数据效果更好，有利于提高建立的三维血流图像的精度。
本发明的另一个目的是提供一种基于片层光的血流三维成像方法，该方法使用上述基于片层光的血流三维成像装置，包括如下步骤：
S1.采集样品的图像数据：将样品放置在驱动装置的上方，电脑通过触发装置控制驱动装置驱动置于其上的样品做纵向运动，使得样品的第一层到第n层依次位于片层光照射位置处，成像装置在样品的每一层均采集m张图像，每张图像采集速度为f；
S2.成像装置将采集到的样品的图像数据传输至电脑，电脑对接收的图像数据进行处理并建立样品的三维血流图像，包括如下步骤：
S21.对每一层采集到的m张图像逐一像素点进行沿时间轴的快速傅里叶变换，以得到每一像素点沿m张图像的时间轴的频谱值：
Iz(x,y,t)→Iz(x,y,u) (1)
其中，Iz(x,y,t)表示第z层像素点(x，y)沿时间轴t处的信号光强，Iz(x,y,u)表示第z层像素点(x，y)频域中频谱值，z小于或等于n；
S22.进行频域滤波，分别提取出动态信号数据和静态信号数据，并将动态信号数据之和与静态信号数据之和的比值作为每层图像各像素点的成像参量：
其中，IRBC(x,y,z)为第z层像素点(x，y)处重建图像的成像参量，id(x,y,u)是第z层像素点(x，y)处对应采集信号所提取的动态信号数据；is(x,y,0)是第z层像素点(x，y)处对应采集信号所提取的静态信号数据，μ0＝10Hz,f为每张图像采集速度；
S23.采集的样品的图像数据为样品向上的侧向散射光信号，因此采集的图像数据包含了该位置和该位置之上的所有血流信息；将每层图像各像素点的成像参量减去上一层图像对应像素点的成像参量，以得到每层图像中各像素点对应的真正成像参量：
I′RBC(x,y,z)＝IRBC(x,y,z)-IRBC(x,y,z-1)(3)其中，I′RBC(x,,)为每层投影血流图像中各像素点对应的真正成像参量；
S24.将每层图像各像素点对应的真正成像参量作为灰度值以建立样品各层的二维投影血流图像，利用n层二维投影血流图像建立样品的三维血流图像。
本发明一种基于片层光的血流三维成像方法，采用非接触光学测量的全场血流成像的方法，无需注射造影剂，对样品无损害，能实现片层光分层扫描，在获得的每层二维投影血流图像的基础上能建立三维血流图像，且成像精度高。
优选地，所述样品为小鸡或鱼的胚胎。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种基于片层光的血流三维成像装置，通过设置柱面镜、驱动装置、成像装置、触发装置及电脑，使得电脑通过触发装置控制驱动装置驱动样品做纵向运动时，样品的每一层依次位于柱面镜形成的片层光的照射位置处，成像装置在样品的每一层均采集图像数据并将其传输至电脑进行处理以建立样品的三维血流图像，该装置成本低廉，对样品无损害，能实现片层光分层扫描，并能获得三维血流图像，且成像精度高；通过将成像装置设置为COMS相机，将COMS相机的镜头设置为长焦距远心镜头，不但能获取更高空间分辨率的图像数据，而且能节省成本；通过将分束器设置成将激光器发射出的激光分成四束，柱面镜设置为四个，使激光通过柱面镜从四周照向样品，使得样品的照射光强更加均匀和有一致的景深，使得成像装置采集的图像数据效果更好，有利于提高建立的三维血流图像的精度；本发明一种基于片层光的血流三维成像方法，采用非接触光学测量的全场血流成像的方法，无需注射造影剂，对样品无损害，能实现片层光分层扫描，在获得的每层二维投影血流图像的基础上能建立三维血流图像，且成像精度高。
附图说明
图1为本实施例一种基于片层光的血流三维成像装置的结构示意图。
图2为图1的俯视图，其中不包含成像装置、电脑及触发装置。
图3为样品模拟分层及照射位置移动示意图，其中虚线和实线表示两条不同的血管。
图4为模拟的样品第z层采集的二维投影血流图像。
图5为模拟的样品第z-1层采集的二维投影血流图像。
图6为样品第z层真正的血流图像。
图7为图像数据采集的流程图。
图8为电脑处理图像数据获取样品的三维血流图像的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
本实施例一种基于片层光的血流三维成像装置的示意图如图1和图2所示，包括激光器1、分束器2、柱面镜3、驱动装置4、成像装置6、触发装置8及电脑9；所述分束器2对激光器1发射出的激光进行分束，柱面镜3将分束后的激光形成片层光照射在样品5上；成像装置6及触发装置8均与电脑9连接；电脑9通过触发装置8控制驱动装置4驱动置于其上的样品5做纵向运动；成像装置6用于采集样品5的图像数据并将所述图像数据传输至电脑9，电脑9对接收的图像数据进行处理并建立样品5的三维血流图像。
本实施例中，电脑9通过触发装置8控制驱动装置4驱动置于其上的样品5做从上至下的纵向运动。
使用该装置时，使用者通过电脑9向触发装置8发送信号，触发装置8控制驱动装置4驱动样品5做从上至下的纵向运动，使样品5的每一层依次位于柱面镜3形成的片层光的照射位置处，成像装置6在样品5的每一层均采集图像数据并将其传输至电脑9进行处理以建立样品5的三维血流图像。本发明一种基于片层光的血流三维成像装置，成本低廉，对样品无损害，能实现片层光分层扫描，并能获得三维血流图像，且成像精度高。
其中，所述成像装置6为COMS相机，所述COMS相机的镜头为长焦距远心镜头7。这样设置不但能获取更高空间分辨率的图像数据，而且能节省成本。
另外，驱动装置4的输出端与平台10连接，所述平台10用于固定样品5。驱动装置4工作使平台10做从上至下的纵向运动，平台10运动带动样品5从上至下运动，使样品5的每一层依次位于柱面镜3形成的片层光的照射位置处。这样设置便于样品5的固定，防止驱动装置4工作时样品5晃动，影响拍摄的图像数据的质量。
其中，所述驱动装置4为步进电机。
另外，所述分束器2将激光器1发射出的激光分成四束，柱面镜3为四个，如图2所示。将柱面镜3放置在样品5的四周，并使四个柱面镜3处于相同的高度，这样四个位置处的片层光高度一致，从而使得样品5的照射光强更加均匀和有一致的景深，使得成像装置6采集的图像数据效果更好，有利于提高建立的三维血流图像的精度。
本发明还提供了一种基于片层光的血流三维成像方法，该方法使用上述基于片层光的血流三维成像装置，包括如下步骤：
S1.采集样品5的图像数据：将样品5放置在驱动装置4的上方，电脑9通过触发装置8控制驱动装置4驱动置于其上的样品5做从上至下的纵向运动，使得样品5的第一层到第n层依次位于片层光照射位置处，成像装置6在样品5的每一层均采集m张图像，每张图像采集速度为f；图像数据的采集流程图如图7所示，首先移动样品5使得片层光照射在样品的第1层处，每隔1/f时间采集一张图像，采集m张图像后，向下移动样品5使得片层光照射在样品第2层，然后按上述方式再采集m张图像，如此类推，直至采集完第n层的m张图像，停止采集，图3为样品5模拟分层及照射位置移动示意图；
S2.成像装置6将采集到的样品5的图像数据传输至电脑9，电脑9对接收的图像数据进行处理并建立样品5的三维血流图像，处理流程图如图8所示，包括如下步骤：
S21.对每一层采集到的m张图像逐一像素点进行沿时间轴的快速傅里叶变换，以得到每一像素点沿m张图像的时间轴的频谱值：
Iz(x,y,t)→Iz(x,y,u)(1)其中，Iz(x,y,t)表示第z层像素点(x，y)沿时间轴t处的信号光强，Iz(x,y,u)表示第z层像素点(x，y)频域中频谱值，z小于或等于n；
S22.进行频域滤波，分别提取出动态信号数据和静态信号数据，并将动态信号数据之和与静态信号数据之和的比值作为每层图像各像素点的成像参量：
其中，IRBC(x,y,z)为第z层像素点(x，y)处重建图像的成像参量，id(x,y,u)是第z层像素点(x，y)处对应采集信号所提取的动态信号数据；is(x,y,0)是第z层像素点(x，y)处对应采集信号所提取的静态信号数据，μ0＝10Hz,f为每张图像采集速度；
S23.采集的样品的图像数据为样品向上的侧向散射光信号，因此采集的图像数据包含了该位置和该位置之上的所有血流信息；将每层图像各像素点的成像参量减去上一层图像对应像素点的成像参量，以得到每层图像中各像素点对应的真正成像参量：
I′RBC(x,y,z)＝IRBC(x,y,z)-IRBC(x,y,z-1)(3)其中，I′RBC(x,y,z)为每层投影血流图像中各像素点对应的真正成像参量；
假定图4为模拟的样品第z层采集的二维投影血流图像，假定图5为模拟的样品第z-1层采集的二维投影血流图像，那么样品第z层采集的二维投影血流图像减去样品第z-1层采集的二维投影血流图像可得样品第z层真正的血流图像，如图6所示；
S24.将每层图像各像素点对应的真正成像参量作为灰度值以建立样品(5)各层的二维投影血流图像，利用n层二维投影血流图像建立样品(5)的三维血流图像。
本发明一种基于片层光的血流三维成像方法，采用非接触光学测量的全场血流成像的方法，无需注射造影剂，对样品无损害，能实现片层光分层扫描，在获得的每层二维投影血流图像的基础上能建立三维血流图像，且成像精度高。
其中，所述样品5为小鸡或鱼的胚胎。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于片层光的血流三维成像装置，其特征在于，包括激光器(1)、分束器(2)、柱面镜(3)、驱动装置(4)、成像装置(6)、触发装置(8)及电脑(9)；所述分束器(2)对激光器(1)发射出的激光进行分束，柱面镜(3)将分束后的激光形成片层光照射在样品(5)上；成像装置(6)及触发装置(8)均与电脑(9)连接；电脑(9)通过触发装置(8)控制驱动装置(4)驱动置于其上的样品(5)做纵向运动；成像装置(6)用于采集样品(5)的图像数据并将所述图像数据传输至电脑(9)，电脑(9)对接收的图像数据进行处理并建立样品(5)的三维血流图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于片层光的血流三维成像装置，其特征在于，所述成像装置(6)为COMS相机，所述COMS相机的镜头为长焦距远心镜头(7)。
3.根据权利要求1所述的一种基于片层光的血流三维成像装置，其特征在于，驱动装置(4)的输出端与平台(10)连接，所述平台(10)用于固定样品(5)。
4.根据权利要求1所述的一种基于片层光的血流三维成像装置，其特征在于，所述驱动装置(4)为步进电机。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于片层光的血流三维成像装置，其特征在于，所述分束器(2)将激光器(1)发射出的激光分成四束，柱面镜(3)为四个。
6.一种基于片层光的血流三维成像方法，使用权利要求5所述的基于片层光的血流三维成像装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1.采集样品(5)的图像数据：将样品(5)放置在驱动装置(4)的上方，电脑(9)通过触发装置(8)控制驱动装置(4)驱动置于其上的样品(5)做从上至下的纵向运动，使得样品(5)的第一层到第n层依次位于片层光照射位置处，成像装置(6)在样品(5)的每一层均采集m张图像，每张图像采集速度为f；
S2.成像装置(6)将采集到的样品(5)的图像数据传输至电脑(9)，电脑(9)对接收的图像数据进行处理并建立样品(5)的三维血流图像，包括如下步骤：
S21.对每一层采集到的m张图像逐一像素点进行沿时间轴的快速傅里叶变换，以得到每一像素点沿m张图像的时间轴的频谱值：
Iz(x,y,t)→Iz(x,y,u) (1)
其中，Iz(x,y,t)表示第z层像素点(x，y)沿时间轴t处的信号光强，Iz(x,y,u)表示第z层像素点(x，y)频域中频谱值，z小于或等于n；
S22.进行频域滤波，分别提取出动态信号数据和静态信号数据，并将动态信号数据之和与静态信号数据之和的比值作为每层图像各像素点的成像参量：
其中，IRBC(x,y,z)为第z层像素点(x，y)处重建图像的成像参量，id(x,y,u)是第z层像素点(x，y)处对应采集信号所提取的动态信号数据；
is(x,y,0)是第z层像素点(x，y)处对应采集信号所提取的静态信号数据，μ0＝10Hz,f为每张图像采集速度；
S23.将每层图像各像素点的成像参量减去上一层图像对应像素点的成像参量，以得到每层图像中各像素点对应的真正成像参量：
I′RBC(x,y,z)＝IRBC(x,y,z)-IRBC(x,y,z-1)(3)其中，I′RBC(x,y,z)为每层投影血流图像中各像素点对应的真正成像参量；
S24.将每层图像各像素点对应的真正成像参量作为灰度值以建立样品(5)各层的二维投影血流图像，利用n层二维投影血流图像建立样品(5)的三维血流图像。
7.根据权利要求6所述的一种基于片层光的血流三维成像方法，其特征在于，所述样品(5)为小鸡或鱼的胚胎。
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