CN1074538A - 流速测量的时-空域分析法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是利用计算机图象技术解决测量 流体流动速度特别是血液流动速度的问题，提供了一 种能够准确地测量管道内流体与流动微团的流动速 度的方法，称之为时-空域分析法，并利用此种方法 实现了一种能够准确测量微循环血流速度、红细胞速 度、白细胞速度的微循环图象测量分析装置。

Description

本发明涉及一种利用计算机图象技术测量流体流动速度特别是血液流动速度的方法，称之为时一空域分析法，以及一种基于此方法的测量血流速度、红细胞速度、白细胞速度的装置。

现有的利用计算机图象技术测量血液流速的方法有：飞点法、匹配法、相关法（双窗法）。飞点法不是一种精确的测量，只是一种靠人眼观察进行比较的方法;匹配法很难在实际的血流图象中找到能够进行正确匹配的特征元;由于实际血流中运动的复杂性，很难找到相关法所依据的相关性条件。因此，上述三种方法都不能做到对血流速度的准确测量，也没有一种仪器和方法能够测量血液中单个红细胞与白细胞的流动速度。

本发明的目的是解决流动速度特别是血液流动速度的精确测量问题，提供一种能够准确测量血液流动速度和细胞流动速度的可靠方法，并利用此种方法实现了一种能够精确测量微循环血流速度、红细胞速度、白细胞速度的装置。

本发明包括以下两项内容：

（1）测量流体流动速度的时-空域分析法

利用适当技术（显微镜、X线、超声、红外、放射性同位素造影）

获得反映流体流动的序列图象，在这种动态序列图象上沿流动方向设置相应的采样线进行重复采样。建立由时间轴T和空间轴S组成的二维坐标系，将第一个周期采集到的采样线上各点的数据作为T-S二维数组的第一行数据，将第二个周期采集到的采样线上各点的数据作为T-S二维数据组的第二行数据，…，依此组成以二维数组形式表示的T-S图。如果流动是匀速的，T-S图上会出现倾斜的明暗条带，其斜率表示了流速，V＝K×ds/dt，其中K是与成象过程有关的光学与电子系统的放大系数，在系统标定时由测量和计算得出;如果流动是非匀速的，T-S图上会出现曲线明暗条带，曲线上各点的斜率表示了相应时刻的瞬时流动速度。

（2）微循环图象测量分析装置

本装置由显微镜、摄像机、录像机、模/数与数/模转换器、帧存储器、计算机、鼠标控制器、操作控制键盘、图象显示器和输出设备组成。血流图象经过显微镜与摄像机或利用录像机送入图象分析系统，在图象上的血管中沿血流方向设置相应的采样线，通过采样获得的数据构成二维T-S图，利用Hough变换统计具有不同速的象素点数，根据这种速度统计直方图找出对应于相应流动的速度。使采样线通过血管内不同的点，可以测量出血管横截面上各点的不同流速;使采样线通过红细胞和白细胞，可以测量出红细胞的流速和白细胞的流速。

与现有的利用计算机图象技术测量血管内血流速度的方法相比，时-空域分析方法具有如下优点：

（1）利用通过血管横截面上各点的采样线，可以测量出血管横截面上各点的不同流速，这是现有的仪器和现有的方法都没有测量出来的。

（2）利用通过红细胞、白细胞的采样线，可以测量出红细胞、白细胞的流动速度，这是现有的仪器和现有的方法都没有测量出来的。

（3）利用图象分析技术测量管道内流体和流动微团的流动速度可以不破坏管道，不用安装专门的管内测量装置，是一种非接触式测量技术，在不便安装接触式测量器件的场合具有明显的优越性。

以下结合附图说明本发明的技术实现与具体的实施例，图1是时空域分析法工作过程图（左：采样线，中：表示运动的倾率条带，右：速度统计直方图），图2是微循环图象分析测量装置工作流程图。

（1）测量流体流动速度的时-空域分析法

（1.1）流体流动图象的获取

利用适当技术获得能够清楚地看到流体流动的图象，如利用显微镜与摄像机得到血管内血液流动的图象，利用X光或超声获得其它流体与管道内的流动图象。

（1.2）流动管道是直线或分段直线

在管道内沿流线方向设置一段由A到B的采样线，如图1右侧所示。利用计算机控制对AB线上各点的亮度或彩色信号进行连续采样，采样频率为每秒5～25次。

建立一个二维坐标系，其横坐标轴为空间轴S，纵坐标轴为时间轴T，称为时间-空间域，或T-S空间。将第一个周期内采集到的AB线上各点的数值作为T-S二维数组的第一行数据，将第二个周期内采集到的AB线上各点的数值作为T-S二维数据的第二行数据，…，依此得到由不同时刻采样值构成的T-S二维数组，称为T-S图。

如果流动是匀速的，T-S图上会出现倾斜的明暗条带，见图1中箭头所示，其斜率表示流动的速度，V＝K×ds/dt，其中K是装置的光学与电子系统的放大系数，在系统标定时由测量和计算得出。

如果流动是非匀速的，T-S图上会出现曲线条带，这种曲线上各点的斜率表示了相应时刻的瞬时流动速度。

（1.3）流动管道是曲线

在需要测量流速的区段首先找出管道中心线，沿着或者平行于中心线设置采样线，记下采样线上各点的坐标，按照这种坐标序列对流动图象进行连续采样，每个周期内的采样数据仍组成T-S图的一行，但这时两个相邻点之间在S轴方向上的距离应该等于在实际血管中曲线采样线上对应的两个象素之间的实际距离。在这样构成的T-S图上，表示流动的条带上每一点的斜率仍然对应地代表该点的流动速度。

（2）微循环图象测量分析装置

本装置由显微镜（1）、摄像机（2）、录像机（3）、模/数转换器（4）、数/模转换器（5）、帧存储器（6）、计算机（7）、鼠标控制器（8）、操作控制键盘（9）、图象显示器（10）和输出设备（11）组成，见图2。

显微镜将血流图象的光学信号送入摄像机，变换成电信号经模/数转换送到图象帧存储器，得到血流图象的数字表达形式，通过鼠标器或键盘在血管中设置采样线AB，根据实际需要由软件控制采样频率。将每次采样得到的数据记录下来，组成T-S图。

利用图象分析技术，在T-S图上搜索表示流动的倾斜条带。

利用Hough变换统计相应于各种速度值的象素点数目，构成速度统计直方图，见图1右侧所示。

分析速度统计直方图的统计特性，取其极大值作为采样线上的流动速度。如果流动是非匀速的，通过测量表示流动条带上各点的斜率可以计算出对应时刻的瞬时速度。

同时在血管内部的不同位置设置多条采样线，利用上述步骤可以分别测出血管横截面上各点的流动速度。

在高倍显微镜下，可以看到血液中的红细胞和白细胞。使采样线通过这些细胞，则在T-S图上会分别出现对应于红细胞流动和白细胞流动的条带，从而可以分别得到红细胞的流速和白细胞的速度。

本装置除了可以利用显微镜直接观察测量活体中的血流速度外，还可以对由录像机记录下来的微循环图象进行测量与分析，计算出相应的血流速度、白细胞速度和红细胞速度。

Claims (2)

1、一种利用计算机图象技术测量流体流动速度的方法，称之为时-空域分析法，其特征是：利用对表示流动的序列图象沿流动方向进行重复采样所得到的数据构成时间轴T和空间轴S组成的T-S图，通过分析计算T-S图上明暗条带的斜率求得流动速度。

2、一种由显微镜、图象输入/输出设备、计算机组成的微循环图象测量分析装置，其特征在于利用权利要求1所述的时一空域分析法实现血流速度、红细胞速度和白细胞速度的测量。

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