CN106419890A - 一种基于时空调制的血流速度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物组织血流成像技术领域，更具体地，涉及一种基于时空调制的血流速度测量装置及方法，该方法包括以下步骤：将光源通过端口照射在置于显微镜载物台上的被测样品，对显微镜进行聚焦，聚焦结束后用成像装置采集显微镜目镜中被测样品的虚像作为图像数据传输至电脑，该图像数据的信噪比高，电脑对采集到的图像数据进行时间调制后再进行空间调制，以进一步消除信号中的噪声，获取更准确的血红细胞信号，进而利用自相关算法及图像分割方法分别计算血红细胞的渡越时间及血红细胞的长度，并将血红细胞的长度与血红细胞的渡越时间的比值作为被测样品的血流速度，计算的血流速度的精度高。

Description

一种基于时空调制的血流速度测量装置及方法

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，涉及一种基于时空调制的血流速度测量装置及方法。

背景技术

当今许多病情的分析都通过血液来分析，而对血流速度的分析可以判断组织器官等状态的好坏，可以分析高压病、冠心病等病情，对治疗有很大的帮助，所以市场上急需要血流速度测量方法和测量装置。

现有的血流速度测量方法主要有超声多普勒法、激光多普勒法和激光散斑衬比成像法。超声和激光多普勒的方法都是激光散斑衬比血流成像法。上述方法容易受多种成像环境因素影响，获取的图像数据信噪比较低，因此基于图像数据计算的血流速度精度较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于时空调制的血流速度测量装置，该装置不易受成像环境的影响，获取的图像数据信噪比高，基于图像数据计算的血流速度精度高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种基于时空调制的血流速度测量装置，包括电脑、成像装置、显微镜、端口及光源；光源通过端口照射在置于显微镜载物台上的被测样品，成像装置固定于显微镜目镜上方，成像装置用于采集被测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以获取被测样品的血流速度。

上述方案中，通过设置电脑、成像装置、显微镜、端口及光源，使得当光源通过端口照射置于显微镜载物台上的被测样品时，显微镜能对被测样品造影成像，成像装置采集被测样品的图像数据后将其传输至电脑进行处理，即可获得被测样品的血流速度。本发明一种基于时空调制的血流速度测量装置，不易受成像环境的影响，获取的图像数据信噪比高，基于图像数据计算的血流速度精度高。

优选地，所述成像装置为COMS相机。COMS相机不但能获取高空间分辨率的图像数据，进而提高计算的血流速度的精度，而且能节省成本。

优选地，为了便于使用者判定毛细血管的位置，将光源发出的光设置为白光。

本发明的另一个目的是提供一种基于时空调制的血流速度测量方法，该方法使用上述基于时空调制的血流速度测量装置，包括如下步骤：

S1.采集被测样品的图像数据：将被测样品放在显微镜的载物台上，并使被测样品位于显微镜的物镜的正下方，将光源发出的光通过端口照射在被测样品上，对显微镜进行聚焦，聚焦结束后用成像装置采集被测样品在显微镜目镜中的成像以作为采集的被测样品的图像数据，成像装置采集的图像总帧数为F，成像装置的帧率为f；

S2.成像装置将采集到的被测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以得到被测样品的血流速度，包括如下步骤：

S21.对采集到的F帧图像数据逐一像素点进行时间调制后再进行空间调制，以将背景组织信号与血红细胞信号进行分离，得到血红细胞信号I_st(x，y，t)；

S22.对采集到的血红细胞信号I_st(x，y，t)进行自相关运算，以获取血红细胞的渡越时间；

S23.对采集到的血红细胞信号I_st(x，y，t)进行图像分割，以获取血红细胞的长度；

S24.用血红细胞的长度与血红细胞的渡越时间的比值作为血红细胞的流动速度，即被测样品的血流速度。

本发明一种基于时空调制的血流速度测量方法，对采集到的图像数据进行时间调制后再进行空间调制，能进一步消除信号中的噪声，获取更准确的血红细胞信号，进而利用自相关算法及图像分割方法分别计算血红细胞的渡越时间及血红细胞的长度，并将血红细胞的长度与血红细胞的渡越时间的比值作为被测样品的血流速度，计算的血流速度的精度高。

优选地，步骤S21中，对F帧图像数据上每个像素点处的原始信号I(x，y，t)进行快速傅里叶变换，对快速傅里叶变换后的信号FFT[I(x,y,t)]进行第一次带通滤波，对第一次带通滤波后的信号I_RBC(f)进行快速逆傅里叶变换，以得到经过时间调制后的血红细胞信号I′_t(x,y,t)；对经过时间调制后的血红细胞信号I′_t(x,y,t)进行二维空间傅里叶变换，对二维空间傅里叶变换后的信号I_st(f_x,f_y,t)进行第二次带通滤波，对第二次带通滤波后的信号进行二维空间逆傅里叶变换，以得到经过时空调制后的血红细胞信号I_st(x，y，t)；

I(x,y,t)＝I₀+I_N(x,y,t)+I_RBC(x,y,t) (1)

其中，I(x，y，t)为像素点(x，y)位置处的原始信号，I₀为背景组织散射产生的散射光强度，I_N(x,y,t)为噪声信号强度，I_RBC(x,y,t)为运动的血红细胞散射产生的散射光强度，信号为非周期的脉冲信号；

其中，N为采集过程中通过的血红细胞个数，M为血红细胞散射光强幅值，rect[(t-t_i-τ₀/2)/τ₀]为单位矩形函数，τ₀为矩形函数的宽度，t_i是第i个血红细胞通过该像素位置的起始时间，I_RBC(x,y,t)远远小于I₀，以达到将背景组织信号和血红细胞信号进行分离的目的，从而得到血红细胞信号；

其中，为执行第一次带通滤波，带通窗口范围为f₁～f₂，f₁为f/F，f₂<f/2，f为成像装置(2)的帧率，F为采集的图像总帧数，FFT[I(x,y,t)]为进行快速傅里叶变换；

I′_t(x,y,t)＝FFT^-1[I_RBC(x,y,f)] (4)

其中，FFT^-1[]为进行快速逆傅里叶变换；

I_st(f_x,f_y,t)＝FFT2[I′_t(x,y,t)] (5)

其中，FFT2为进行二维空间傅里叶变换；第二次带通滤波的带通窗口范围为f₃～f₄，f₃＝0，f₄＝f/2-10Hz；

I_st(x,y,t)＝IFFT2[I_st(f_x,f_y,t)] (6)

其中，IFFT2为进行二维空间逆傅里叶变换。经过时间调制后的图像数据会出现类似于“散斑”的噪声点，对时间调制后的信号再进行空间调制，能获取更准确的血红细胞信号，有利于提高计算的血流速度的精度。

优选地，步骤S22中利用公式(7)得到血红细胞的自相关函数；

其中，E[]为平均值运算，T为信号的周期，F为成像装置(2)采集的图像总帧数为，τ为移动时间变量；

对自相关函数按公式(8)进行归一化处理，得到血红细胞的归一化的自相关函数；

所述血红细胞的渡越时间为自相关曲线初始时刻点与曲线纵坐标首次为0时刻点两点间曲线的斜率的倒数。

优选地，步骤S23中使用单阈值图像分割方法对采集到的血红细胞信号I_st(x，y，t)进行图像分割，以提取血红细胞的边界，计算多个血红细胞沿流经方向的最大长度并取平均值作为血红细胞的长度。取平均值能有效去除细胞形状不规则的影响，提高获取的血红细胞的长度。单阈值图像分割方法具体做法为：对一幅大小为C×D像素的灰度图像，灰度级数为L,像素灰度级为I_st(x,y,t)，阈值为l，对所有像素的灰度级做映射：

公式(9)将灰度图像变为二值图像，此时血红细胞所在区域赋值为0，背景组织区域赋值为1，此时可以通过0和1的分解来获取血红细胞的边界。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种基于时空调制的血流速度测量装置，通过设置电脑、成像装置、显微镜、端口及光源，使得当光源通过端口照射置于显微镜载物台上的被测样品时，显微镜能对被测样品造影成像，成像装置采集被测样品的图像数据后将其传输至电脑进行处理，即可获得被测样品的血流速度，该装置不易受成像环境的影响，获取的图像数据信噪比高，基于图像数据计算的血流速度精度高；本发明一种基于时空调制的血流速度测量方法，对采集到的图像数据进行时间调制后再进行空间调制，能进一步消除信号中的噪声，获取更准确的血红细胞信号，进而利用自相关算法及图像分割方法分别计算血红细胞的渡越时间及血红细胞的长度，并将血红细胞的长度与血红细胞的渡越时间的比值作为被测样品的血流速度，计算的血流速度的精度高。

附图说明

图1为本实施例一种基于时空调制的血流速度测量装置的示意图。

图2为本实施例一种基于时空调制的血流速度测量方法的流程图，其中矩形框内为处理内容或结果，圆角矩形框内为处理方法。

图3为本实施例一种基于时空调制的血流速度测量方法中确定血红细胞的渡越时间的示意图。

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

本实施例一种基于时空调制的血流速度测量装置的示意图如图1所示，包括电脑1、成像装置2、显微镜3、端口4及光源5；光源5通过端口4照射在置于显微镜3的载物台7上的被测样品6，成像装置2固定于显微镜3目镜上方，成像装置2用于采集被测样品6的图像数据并将所述图像数据传输至电脑1，电脑1对接收的图像数据进行处理以获取被测样品6的血流速度。

使用该血流速度测量装置测量被测样品6的毛细血管内的血流速度时，将被测样品6置于显微镜3的载物台7上，并使被测样品6位于显微镜3的物镜下，将光源5发出的光通过端口4照射在被测样品6上，对显微镜3进行聚焦，聚焦结束后用成像装置2采集被测样品6在显微镜3目镜中的成像，成像装置2将采集的图像数据传输至电脑处理，即可获得被测样品6的血流速度。本发明一种基于时空调制的血流速度测量装置，不易受成像环境的影响，获取的图像数据信噪比高，基于图像数据计算的血流速度精度高。

其中，所述成像装置2为COMS相机。COMS相机不但能获取高空间分辨率的图像数据，进而提高计算的血流速度的精度，而且能节省成本。

另外，所述光源5发出的光为白光。白光的设置便于使用者判定被测样品6的毛细血管的位置，有利于成像装置2获取高质量的的图像数据。

本发明还提供了一种基于时空调制的血流速度测量方法，该测量方法使用上述基于时空调制的血流速度测量装置，其流程图如图2所示，包括以下步骤：

S1.采集被测样品6的图像数据：将被测样品6放在显微镜3的载物台7上，并使被测样品6位于显微镜3的物镜的正下方，将光源5发出的光通过端口4照射在被测样品6上，对显微镜3进行聚焦，聚焦结束后用成像装置2采集被测样品6在显微镜3目镜中的成像以作为采集的被测样品6的图像数据，成像装置2采集的图像总帧数为F，成像装置2的帧率为f；

S2.成像装置2将采集到的被测样品6的图像数据传输至电脑1，电脑1对接收的图像数据进行处理以得到被测样品6的血流速度，包括如下步骤：

S21.对采集到的F帧图像数据逐一像素点进行时间调制后再进行空间调制，以将背景组织信号与血红细胞信号进行分离，得到血红细胞信号I_st(x，y，t)；

S22.对采集到的血红细胞信号I_st(x，y，t)进行自相关运算，以获取血红细胞的渡越时间；

S23.对采集到的血红细胞信号I_st(x，y，t)进行图像分割，以获取血红细胞的长度；

S24.用血红细胞的长度与血红细胞的渡越时间的比值作为血红细胞的流动速度，即被测样品6的血流速度。

本发明一种基于时空调制的血流速度测量方法，对采集到的图像数据进行时间调制后再进行空间调制，能进一步消除信号中的噪声，获取更准确的血红细胞信号，进而利用自相关算法及图像分割方法分别计算血红细胞的渡越时间及血红细胞的长度，并将血红细胞的长度与血红细胞的渡越时间的比值作为被测样品的血流速度，计算的血流速度的精度高。

其中，步骤S21中，对F帧图像数据上每个像素点处的原始信号I(x，y，t)进行快速傅里叶变换，对快速傅里叶变换后的信号FFT[I(x,y,t)]进行第一次带通滤波，对第一次带通滤波后的信号I_RBC(f)进行快速逆傅里叶变换，以得到经过时间调制后的血红细胞信号I′_t(x,y,t)；对经过时间调制后的血红细胞信号I′_t(x,y,t)进行二维空间傅里叶变换，对二维空间傅里叶变换后的信号I_st(f_x,f_y,t)进行第二次带通滤波，对第二次带通滤波后的信号进行二维空间逆傅里叶变换，以得到经过时空调制后的血红细胞信号I_st(x，y，t)；

I(x,y,t)＝I₀+I_N(x,y,t)+I_RBC(x,y,t) (1)

其中，I(x，y，t)为像素点(x，y)位置处的原始信号，I₀为背景组织散射产生的散射光强度，I_N(x,y,t)为噪声信号强度，I_RBC(x,y,t)为运动的血红细胞散射产生的散射光强度，信号为非周期的脉冲信号；

其中，N为采集过程中通过的血红细胞个数，M为血红细胞散射光强幅值，取决于血红细胞的吸收系数，可以近似认为其为常数，rect[(t-t_i-τ₀/2)/τ₀]为单位矩形函数，τ₀为矩形函数的宽度，t_i是第i个血红细胞通过该像素位置的起始时间，I_RBC(x,y,t)远远小于I₀，以达到将背景组织信号和血红细胞信号进行分离的目的，从而得到血红细胞信号；

其中，为执行第一次带通滤波，带通窗口范围为f₁～f₂，f₁为f/F，f₂<f/2，f为成像装置2的帧率，F为采集的图像总帧数，FFT[I(x,y,t)]为进行快速傅里叶变换；

I′_t(x,y,t)＝FFT^-1[I_RBC(x,y,f)] (4)

其中，FFT^-1[]为进行快速逆傅里叶变换；

I_st(f_x,f_y,t)＝FFT2[I′_t(x,y,t)] (5)

其中，FFT2为进行二维空间傅里叶变换；第二次带通滤波的带通窗口范围为f₃～f₄，f₃＝0，f₄＝f/2-10Hz；

I_st(x,y,t)＝IFFT2[I_st(f_x,f_y,t)] (6)

其中，IFFT2为进行二维空间逆傅里叶变换。经过时间调制后的图像数据会出现类似于“散斑”的噪声点，对时间调制后的信号再进行空间调制，能获取更准确的血红细胞信号，有利于提高计算的血流速度的精度。

本实施例中，步骤S22中利用公式(7)得到血红细胞的自相关函数；

自相关函数描述了信号I_st(x，y，t)在两个不同时刻t、t+τ取值之间的相关程度，其中，E[]为平均值运算，T为信号的周期，F为成像装置(2)采集的图像总帧数为，τ为移动时间变量；

对自相关函数按公式(8)进行归一化处理，得到血红细胞的归一化的自相关函数；

假设血红细胞的自相关曲线如图3所示，则血红细胞的渡越时间为自相关曲线初始时刻点A与曲线纵坐标首次为0时刻点B两点间曲线的斜率的倒数。

其中，步骤S23中使用单阈值图像分割方法对采集到的血红细胞信号I_st(x，y，t)进行图像分割，以提取血红细胞的边界，计算多个血红细胞沿流经方向的最大长度并取平均值作为血红细胞的长度。取平均值能有效去除细胞形状不规则的影响，提高获取的血红细胞的长度。单阈值图像分割方法具体做法为：对一幅大小为C×D像素的灰度图像，灰度级数为L,像素灰度级为I_st(x,y,t)，阈值为l，对所有像素的灰度级做映射：

公式(9)将灰度图像变为二值图像，此时血红细胞所在区域赋值为0，背景组织区域赋值为1，此时可以通过0和1的分解来获取血红细胞的边界。

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)

1.一种基于时空调制的血流速度测量装置，其特征在于，包括电脑(1)、成像装置(2)、显微镜(3)、端口(4)及光源(5)；光源(5)通过端口(4)照射在置于显微镜(3)载物台(7)上的被测样品(6)，成像装置(2)固定于显微镜(3)目镜上方，成像装置(2)用于采集被测样品(6)的图像数据并将所述图像数据传输至电脑(1)，电脑(1)对接收的图像数据进行处理以获取被测样品(6)的血流速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于时空调制的血流速度测量装置，其特征在于，所述成像装置(2)为COMS相机。

3.根据权利要求1至2任一项所述的一种基于时空调制的血流速度测量装置，其特征在于，所述光源(5)发出的光为白光。

4.一种基于时空调制的血流速度测量方法，其特征在于，使用权利要求3所述的基于时空调制的血流速度测量装置，包括以下步骤：

S1.采集被测样品(6)的图像数据：将被测样品(6)放在显微镜(3)的载物台(7)上，并使被测样品(6)位于显微镜(3)的物镜的正下方，将光源(5)发出的光通过端口(4)照射在被测样品(6)上，对显微镜(3)进行聚焦，聚焦结束后用成像装置(2)采集被测样品(6)在显微镜(3)目镜中的成像以作为采集的被测样品(6)的图像数据，成像装置(2)采集的图像总帧数为F，成像装置(2)的帧率为f；

S2.成像装置(2)将采集到的被测样品(6)的图像数据传输至电脑(1)，电脑(1)对接收的图像数据进行处理以得到被测样品(6)的血流速度，包括如下步骤：

S21.对采集到的F帧图像数据逐一像素点进行时间调制后再进行空间调制，以将背景组织信号与血红细胞信号进行分离，得到血红细胞信号I_st(x，y，t)；

S22.对采集到的血红细胞信号I_st(x，y，t)进行自相关运算，以获取血红细胞的渡越时间；

S23.对采集到的血红细胞信号I_st(x，y，t)进行图像分割，以获取血红细胞的长度；

S24.用血红细胞的长度与血红细胞的渡越时间的比值作为血红细胞的流动速度，即被测样品(6)的血流速度。

5.根据权利要求4所述的一种基于时空调制的血流速度测量方法，其特征在于，步骤S21中，对F帧图像数据上每个像素点处的原始信号I(x，y，t)进行快速傅里叶变换，对快速傅里叶变换后的信号FFT[I(x,y,t)]进行第一次带通滤波，对第一次带通滤波后的信号I_RBC(f)进行快速逆傅里叶变换，以得到经过时间调制后的血红细胞信号I′_t(x,y,t)；对经过时间调制后的血红细胞信号I′_t(x,y,t)进行二维空间傅里叶变换，对二维空间傅里叶变换后的信号I_st(f_x,f_y,t)进行第二次带通滤波，对第二次带通滤波后的信号进行二维空间逆傅里叶变换，以得到经过时空调制后的血红细胞信号I_st(x，y，t)；

I(x,y,t)＝I₀+I_N(x,y,t)+I_RBC(x,y,t) (1)

其中，I(x，y，t)为像素点(x，y)位置处的原始信号，I₀为背景组织散射产生的散射光强度，I_N(x,y,t)为噪声信号强度，I_RBC(x,y,t)为运动的血红细胞散射产生的散射光强度，信号为非周期的脉冲信号；

$I_{RBC}(x,y,t)=M\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}rect\left(\frac{t-t_i-\frac{{\mathrm{\&tau;}}_0}{2}}{{\mathrm{\&tau;}}_0}\right)---\left(2\right)$

其中，N为采集过程中通过的血红细胞个数，M为血红细胞散射光强幅值，rect[(t-t_i-τ₀/2)/τ₀]为单位矩形函数，τ₀为矩形函数的宽度，t_i是第i个血红细胞通过该像素位置的起始时间；

$I_{RBC}(x,y,f)={\mathrm{BPF}}_{f_1~f_2}\&lsqb;FFT\&lsqb;I(x,y,t)\&rsqb;\&rsqb;---\left(3\right)$

其中，为执行第一次带通滤波，带通窗口范围为f₁～f₂，f₁为f/F，f₂<f/2，f为成像装置(2)的帧率，F为采集的图像总帧数，FFT[I(x,y,t)]为进行快速傅里叶变换；

I′_t(x,y,t)＝FFT^-1[I_RBC(x,y,f)] (4)

其中，FFT^-1[]为进行快速逆傅里叶变换；

I_st(f_x,f_y,t)＝FFT2[I′_t(x,y,t)] (5)

其中，FFT2为进行二维空间傅里叶变换；第二次带通滤波的带通窗口范围为f₃～f₄，f₃＝0，f₄＝f/2-10Hz；

I_st(x,y,t)＝IFFT2[I_st(f_x,f_y,t)] (6)

其中，IFFT2为进行二维空间逆傅里叶变换。

6.根据权利要求4所述的一种基于时空调制的血流速度测量方法，其特征在于，步骤S22中利用公式(7)得到血红细胞的自相关函数；

$R_{XX}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=E\&lsqb;I_{st}(x,y,t)I_{st}(x,y,t+\mathrm{\&tau;})\&rsqb;=\frac{1}{F}{\&Sigma;}_0^T{I}_{sti}(x,y,t)I_{sti}(x,y,t+{\mathrm{\&tau;}}_i)---\left(7\right)$

其中，E[]为平均值运算，T为信号的周期，F为成像装置(2)采集的图像总帧数为，τ为移动时间变量；

对自相关函数按公式(8)进行归一化处理，得到血红细胞的归一化的自相关函数；

${\mathrm{\&rho;}}_{XX}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{R_{XX}\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{R_{XX}\left(0\right)}---\left(8\right)$

所述血红细胞的渡越时间为自相关曲线初始时刻点与曲线纵坐标首次为0时刻点两点间曲线的斜率的倒数。

7.根据权利要求4所述的一种基于时空调制的血流速度测量方法，其特征在于，步骤S23中使用单阈值图像分割方法对采集到的血红细胞信号I_st(x，y，t)进行图像分割，以提取血红细胞的边界，计算多个血红细胞沿流经方向的最大长度并取平均值作为血红细胞的长度。