CN107468234B - 一种血管血流投影层析三维成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种血管血流投影层析三维成像系统，包括白光光源、激光光源、采集相机模块、旋转电机模块、折射率匹配池以及图像数据处理模块，白光光源发出白光光束进入折射率匹配池中照射在被测样品中，激光光源发出激光光束通过光纤分光器形成第一激光光束以及第二激光光束照射在被测样品上形成漫反射。本发明创造基于散斑强度波动调制效应以及侧向散射型滤波投影层析技术，将透射的白光光束以及激光光束集中到采集相机模块中，采集相机模块将采集到的图像数据传输到图像数据处理模块中，以重建被测对象的血管模型。本发明创造无需采用具有副作用的辐射光源以及造影剂，对人体危害低，并且具有高分辨率，高信噪比以及高探测深度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及血管成像技术领域，更具体地说涉及一种血管血流投影层析三维成像系统及成像方法。
背景技术
现代医疗技术上针对血管类疾病的治疗，在医护人员了解该类疾病病情的时候，需要利用一种称为血管造影的技术。
现有的血管造影主要是基于光学原理，主要方案有光学相干层析(OCT)、数字减影血管造影(DSA)以及计算机断层螺旋扫描血管成像技术(SCTA)。其中OCT技术具有超高分辨率，但其成像方式为纵向三维成像，成像深度受到光源的带宽所限，并且在对较厚的生物介质成像时会由于散射和光吸收的影响而存在下表层面的信息丢失现象，随着待测物的厚度的增加更为明显；DSA主要是对生物样品未注射造影剂前X光投影所得电子数据和注射造影剂后X光投影所得的电子数据进行差值处理，将生物样品的血管血流信号从源数据中凸显，但完整结构的血管血流三维成像方面具有一定的局限性。而SCTA是通过使用X光对生物样品进行多角度透射吸收投影并直接将大面积的固体探测器置于透射投影后获得生物样品组织的内部结构的电子数据，数据采集期间需针对待测生物样品注射造影剂进行额外成像效果增强，所得原始采集数据再经过投影层析技术将血管影像进行三维重建，因此相对于OCT以及DSA，SCTA适用性更强，效果更佳。
但是SCTA三维成像主要是在样品被注射造影剂进行辅助的情况下，使用X光对样品进行360度多方位透射吸收投影成像，再通过投影层析成像算法重建样品的血管的三维图像。由于SCTA三维成像技术是使用具有辐射性质的X光作为检测光源，导致在使用过程中对生物样品具一定的危害性；且在血管X光成像前需对待测生物样品进行造影剂注射处理，而造影剂对生物样品具有一定反应机制和物理-化学反应，从而导致部分生物样品所采集的数据失真，严重可导致生物样品死亡；现有的SCTA三维成像技术的时空分辨率和信噪比相对较低，无法满足尺寸为毫米级别的小生物样品进行血管三维成像，且该技术对血管的三维成像局限于血管的结构成像，无法对血管内部血流信息的探测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种失真度小、精度高、危害低的血管血流投影层析三维成像系统及成像方法。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种血管血流投影层析三维成像系统，包括白光光源、激光光源、采集相机模块、旋转电机模块、折射率匹配池、光纤分光器以及图像数据处理模块，所述旋转电机模块带动被测样品转动，所述采集相机模块输出端与图像数据处理模块输入端相连，所述被测样品置于折射率匹配池中，所述白光光源发出白光光束，所述白光光束进入折射率匹配池中照射在被测样品中，从折射率匹配池中出射的白光光束进入采集相机模块中，所述激光光源发出激光光束，所述激光光束通过光纤分光器形成第一激光光束以及第二激光光束，所述第一激光光束以及第二激照射在被测样品上形成漫反射，反射的第一激光光束以及第二激光光束进入采集相机模块中。
作为上述技术方案的进一步改进，本发明创造还包括远心镜头，所述白光光束、第一激光光束以及第二激光光束均通过远心镜头进入采集相机模块中。
作为上述技术方案的进一步改进，本发明创造还包括第一扩束镜以及第二扩束镜，所述第一激光光束以及第二激光光束分别通过第一扩束镜以及第二扩束镜照射在被测样品上。
作为上述技术方案的进一步改进，本发明创造还包括光扩散板，所述白光光束通过光扩散板进入折射率匹配池中照射在被测样品中。
作为上述技术方案的进一步改进，本系统还包括控制终端，所述采集相机模块包括CMOS相机、第一模拟开关、模数转换器以及图像存储器，所述CMOS相机通过第一模拟开关与模数转换器输入端相连，所述模数转换器输出端与图像存储器输入端相连，所述图像存储器与图像处理模块相连，所述控制终端输出端与第一模拟开关控制端相连。
作为上述技术方案的进一步改进，所述旋转电机模块包括伺服电机、第二模拟开关以及第一数模转换器，所述伺服电机通过第二模拟开关与第一数模转换器输出端相连，所述第一数模转换器输入端与控制终端相连，所述控制终端输出端与第二模拟开关控制端相连。
作为上述技术方案的进一步改进，本发明创造还包括第三模拟开关以及第二数模转换器，所述白光光源通过第三模拟开关与第二数模转换器输出端相连，所述第二数模转换器输入端与控制终端相连，所述控制终端输出端与第三模拟开关控制端相连。
作为上述技术方案的进一步改进，本发明创造还包括第四模拟开关以及第三数模转换器，所述激光光源通过第四模拟开关与第三数模转换器输出端相连，所述第三数模转换器输入端与控制终端相连，所述控制终端输出端与第四模拟开关控制端相连。
本发明的有益效果是：本发明基于散斑强度波动调制效应以及侧向散射型滤波投影层析技术，利用白光光束以及激光光束照射在被测样品上，并将透射的白光光束以及激光光束集中到采集相机模块中，采集相机模块将采集到的图像数据传输到图像数据处理模块中，以重建被测对象的血管模型。本发明无需采用具有副作用的辐射光源以及造影剂，对人体危害低，并且具有高分辨率，高信噪比以及高探测深度等优点。本发明创造用于对血管血流进行投影成像操作。
本发明创造同时还公开了一种血管血流投影层析三维成像方法，包括以下步骤：
步骤A：设置白光光束和激光光束的光照强度，令白光光束以及激光光束照射在被测样品上；
步骤B：控制被测样品逐次转动固定角度，直到转动角度满足360度；
步骤C：采集被测样品每个固定角度下被测样品横截面的图像数据；
步骤D：对步骤C中所采集的多个图像数据沿时间方向进行快速傅里叶变换，设定滤波范围，获取频域的动态散斑数据以及静态散斑数据；
步骤E：计算频域的调制深度，所述调制深度等于动态散斑数据之和与静态散斑数据之和的比值；
步骤F：将所述调制深度进行逆傅里叶变换，得到时域动态散斑信号与时域静态散斑信号的调制衬比，并合成血管脉络图；
步骤G：对步骤C所采集的多个图像数据依次进行希尔伯特变换，求导，以及反投影运算，并分别沿各横截面法线方向逆投影进行全空间回抹，建立血流脉络图。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤D中，所述调制深度的计算表达式如公式1所述，其中所述MDk(x,y)表示旋转角度k的位置下，坐标为(x，y)处像素位置的调制深度值，所述id(x,y,u)表示坐标为(x，y)处像素位置对应图像数据所提取的动态散斑信号，所述is(x,y,u)表示坐标为(x，y)处像素位置对应图像数据所提取的静态散斑信号。
本发明的有益效果是：本发明利用散斑强度波动调制效应以及侧向散射型滤波投影层析技术，结合所采集到的多个被测样品横截面的图像数据，实现被测样品的血管脉络图和血流脉络图的建立，得出被测样品的血管信息及其血流信息，无需采用具有副作用的辐射光源以及造影剂，对人体危害低，并且具有高分辨率，高信噪比以及高探测深度等优点。本发明创造用于对血管血流投影图像进行处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明成像系统的光路原理图；
图2是本发明成像系统的电路原理框架图；
图3是本发明成像方法的实施例流程图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1～图2，为解决血管造影技术方案中的缺陷，本发明创造公开了一种血管血流投影层析三维成像系统，包括白光光源1、激光光源2、采集相机模块3、旋转电机模块4、折射率匹配池5以及图像数据处理模块6，所述旋转电机模块4带动被测样品转动，所述采集相机模块3输出端与图像数据处理模块6输入端相连，所述被测样品置于折射率匹配池5中，所述白光光源1发出白光光束，所述白光光束进入折射率匹配池5中照射在被测样品中，从折射率匹配池5中出射的白光光束进入采集相机模块3中，所述激光光源2发出激光光束，所述激光光束通过光纤分光器7形成第一激光光束以及第二激光光束，所述第一激光光束以及第二激照射在被测样品上形成漫反射，反射的第一激光光束以及第二激光光束进入采集相机模块3中，所述图像数据处理模块6被配置为根据采集相机模块3所采集的数据建立被测对象血管三维模型。其中本发明创造具体实施例中，所述第一扩束镜91以及第二扩束镜92分别对称地设置在被测样品两侧。
具体地，本发明创造基于散斑强度波动调制效应以及侧向散射型滤波投影层析技术，利用白光光束以及激光光束照射在被测样品上，并将透射的白光光束以及激光光束集中到采集相机模块3中，采集相机模块3将采集到的图像数据传输到图像数据处理模块6中，以重建被测对象的血管模型。本发明创造无需采用具有副作用的辐射光源以及造影剂，对人体危害低，并且具有高分辨率，高信噪比以及高探测深度等优点。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，本成像系统中还包括远心镜头8，所述白光光束、第一激光光束以及第二激光光束均通过远心镜头8进入采集相机模块3中。本实施例中，所述远心镜头8作用是物距在一定范围变化的情况下，使得到的成像大小保持不变，本发明创造通过所述远心镜头8的设置，以降低被测样品在安装位置上的要求，在检测过程中只需保证被测样品安装在一个合适的范围内即可，既可保证成像质量，也可降低整个成像系统的尺寸要求。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，本系统还包括第一扩束镜91以及第二扩束镜92，所述第一激光光束以及第二激光光束分别通过第一扩束镜91以及第二扩束镜92照射在被测样品上。本发明创造利用第一扩束镜91以及第二扩束镜92的作用，扩大第一激光光束以及第二激光光束的光束角大小，保证激光光束能够完全地照射到被测样品中，使激光光束能够完全采集被测样品的图像信息。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，为了保证所述白光光源1能够完全地照射到被测样品上，本实施例还包括用于扩大白光光源1光束角大小的光扩散板10，所述白光光束通过光扩散板10进入折射率匹配池5中照射在被测样品中。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，本系统需要实时地对控制采集相机模块3的工作，且所述采集相机模块3在将图像信息输入到图像数据处理模块之前，需要将采集到的图像数据转换成数字信号。为实现上述功能，本发明创造具体实施例中，所述成像系统还包括控制终端，所述采集相机模块3包括CMOS相机、第一模拟开关、模数转换器以及图像存储器，所述CMOS相机通过第一模拟开关与模数转换器输入端相连，所述模数转换器输出端与图像存储器输入端相连，所述图像存储器与图像处理模块相连，所述控制终端输出端与第一模拟开关控制端相连。其中所述控制终端被配置为能够根据人为控制信号或者自身程序设定控制相应模块的工作状态，所述CMOS相机采集到的是模拟量的图像数据，所述模数转换器将模拟量的图像数据转换成数字量的图像数据，并将其存入图像存储器中进行保存，所述控制终端与第一模拟开关控制端相连，以控制采集相机模块3启动与否。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，本技术方案需要利用旋转电机模块4对被测样品进行多角度旋转，实现对被测样品的多角度图像数据采集，为了实现上述功能，本实施例所述旋转电机模块4包括伺服电机、第二模拟开关以及第一数模转换器，所述伺服电机通过第二模拟开关与第一数模转换器输出端相连，所述第一数模转换器输入端与控制终端相连，所述控制终端输出端与第二模拟开关控制端相连。本实施例用于伺服电机实现被测样品进行多角度旋转，旋转角度分辨率高，控制精度高，保证被测样品血管重建后三维模型的高质量。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，本实施例中所述控制终端还需要控制白光光源1的发光强度，因此本实施例还包括第三模拟开关以及第二数模转换器，所述白光光源1通过第三模拟开关与第二数模转换器输出端相连，所述第二数模转换器输入端与控制终端相连，所述控制终端输出端与第三模拟开关控制端相连。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，本实施例中所述控制终端还需要控制激光光源2的发光强度，因此本实施例还包括第四模拟开关以及第三数模转换器，所述激光光源2通过第四模拟开关与第三数模转换器输出端相连，所述第三数模转换器输入端与控制终端相连，所述控制终端输出端与第四模拟开关控制端相连。
参照图3，本发明创造同时还公开了一种利用上述成像系统实现被测样品血管血流成像方法，包括以下步骤：
步骤A：设置白光光束和激光光束的光照强度，令白光光束以及激光光束照射在被测样品上；
步骤B：控制被测样品逐次转动固定角度，直到转动角度满足360度；
步骤C：采集被测样品每个固定角度下被测样品横截面的图像数据；
步骤D：对步骤C中所采集的多个图像数据沿时间方向进行快速傅里叶变换，设定滤波范围，获取频域的动态散斑数据以及静态散斑数据；
步骤E：计算频域的调制深度，所述调制深度等于动态散斑数据之和与静态散斑数据之和的比值；
步骤F：将所述调制深度进行逆傅里叶变换，得到时域动态散斑信号与时域静态散斑信号的调制衬比，并合成血管脉络图；
步骤G：对步骤C所采集的多个图像数据依次进行希尔伯特变换，求导，以及反投影运算，并分别沿各横截面法线方向逆投影进行全空间回抹，建立血流脉络图。
具体地，本发明创造利用散斑强度波动调制效应以及侧向散射型滤波投影层析技术，结合所采集到的多个被测样品横截面的图像数据，实现被测样品的血管脉络图和血流脉络图的建立，得出被测样品的血管信息及其血流信息，无需采用具有副作用的辐射光源以及造影剂，对人体危害低，并且具有高分辨率，高信噪比以及高探测深度等优点。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述步骤D中，所述调制深度的计算表达式如公式1所述，其中所述MDk(x,y)表示旋转角度k的位置下，坐标为(x，y)处像素位置的调制深度值，所述id(x,y,u)表示坐标为(x，y)处像素位置对应图像数据所提取的动态散斑信号，所述is(x,y,u)表示坐标为(x，y)处像素位置对应图像数据所提取的静态散斑信号。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述步骤G包括以下步骤：
步骤G1：设定被测样品中每个横截面的衰减系数在二维平面的分布为f(x,y)，利用公式2计算采集到的图像数据pθ(S)，其中S为被测样品横截面上图像数据的水平坐标，对应于采集相机模块垂直旋转轴的一排感光元件的坐标；θ表示被测样品的旋转角度，δ(x)为广义函数：
步骤G2：引入点扩展函数h(x,y)，重新设定个横截面的衰减系数在二维平面的分布g(x,y)＝f(x,y)*h(x,y)，经滤波处理后，结果为引入所述扩展函数是出于实际中的成像系统都是非理想性的。
步骤G3：根据各角度下所采集的图像数据按相应的时序进行血流切面图组建，再将各个血流切面图合成一个完整的血流脉络图。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种血管血流投影层析三维成像方法，应用于一种血管血流投影层析三维成像系统，所述系统包括白光光源（1）、激光光源（2）、采集相机模块（3）、旋转电机模块（4）、折射率匹配池（5）、光纤分光器（7）以及图像数据处理模块（6），所述旋转电机模块（4）带动被测样品转动，所述采集相机模块（3）的输出端与图像数据处理模块（6）的输入端相连，所述被测样品置于折射率匹配池（5）中，所述白光光源（1）发出白光光束，所述白光光束进入折射率匹配池（5）中照射在被测样品中，从折射率匹配池（5）中出射的白光光束进入采集相机模块（3）中，所述激光光源（2）发出激光光束，所述激光光束通过光纤分光器（7）形成第一激光光束以及第二激光光束，所述第一激光光束以及所述第二激光光束照射在被测样品上形成漫反射，反射的第一激光光束以及第二激光光束进入采集相机模块（3）中；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤A：设置白光光束和激光光束的光照强度，令白光光束以及激光光束照射在被测样品上；
步骤B：控制被测样品逐次转动固定角度，直到转动角度满足360度；
步骤C：采集被测样品每个固定角度下被测样品横截面的图像数据；
步骤D：对步骤C中所采集的多个图像数据沿时间方向进行快速傅里叶变换，设定滤波范围，获取频域的动态散斑数据以及静态散斑数据；
步骤E：计算频域的调制深度，所述调制深度等于动态散斑数据之和与静态散斑数据之和的比值；
步骤F：将所述调制深度进行逆傅里叶变换，得到时域动态散斑信号与时域静态散斑信号的调制衬比，并合成血管脉络图；
步骤G：对步骤C所采集的多个图像数据依次进行希尔伯特变换，求导，以及反投影运算，并分别沿各横截面法线方向逆投影进行全空间回抹，建立血流脉络图；
所述步骤G包括以下步骤：
步骤G1：设定被测样品中每个横截面的衰减系数在二维平面的分布为，利用下述公式计算采集到的图像数据/>：/>，其中S为被测样品横截面上图像数据的水平坐标，对应于采集相机模块垂直旋转轴的一排感光元件的坐标；θ表示被测样品的旋转角度，/>为广义函数：/>；
步骤G2：引入点扩展函数，重新设定每个横截面的衰减系数在二维平面的分布，经滤波处理后，结果为，引入所述扩展函数是出于实际中的成像系统都是非理想性的；
步骤G3：根据各角度下所采集的图像数据按相应的时序进行血流切面图组建，再将各个血流切面图合成一个完整的血流脉络图。
2.根据权利要求1所述的一种血管血流投影层析三维成像方法，其特征在于：还包括远心镜头（8），所述白光光束、第一激光光束以及第二激光光束均通过远心镜头（8）进入采集相机模块（3）中。
3.根据权利要求1所述的一种血管血流投影层析三维成像方法，其特征在于：还包括第一扩束镜（91）以及第二扩束镜（92），所述第一激光光束以及第二激光光束分别通过第一扩束镜（91）以及第二扩束镜（92）照射在被测样品上。
4.根据权利要求1所述的一种血管血流投影层析三维成像方法，其特征在于：还包括光扩散板（10），所述白光光束通过光扩散板（10）进入折射率匹配池（5）中照射在被测样品中。
5.根据权利要求1所述的一种血管血流投影层析三维成像方法，其特征在于：还包括控制终端，所述采集相机模块（3）包括CMOS相机、第一模拟开关、模数转换器以及图像存储器，所述CMOS相机通过第一模拟开关与模数转换器的输入端相连，所述模数转换器的输出端与图像存储器的输入端相连，所述图像存储器与图像处理模块相连，所述控制终端的输出端与第一模拟开关的控制端相连。
6.根据权利要求5所述的一种血管血流投影层析三维成像方法，其特征在于：所述旋转电机模块（4）包括伺服电机、第二模拟开关以及第一数模转换器，所述伺服电机通过第二模拟开关与第一数模转换器的输出端相连，所述第一数模转换器的输入端与控制终端相连，所述控制终端的输出端与第二模拟开关的控制端相连。
7.根据权利要求5所述的一种血管血流投影层析三维成像方法，其特征在于：还包括第三模拟开关以及第二数模转换器，所述白光光源（1）通过第三模拟开关与第二数模转换器的输出端相连，所述第二数模转换器的输入端与控制终端相连，所述控制终端的输出端与第三模拟开关的控制端相连。
8.根据权利要求5所述的一种血管血流投影层析三维成像方法，其特征在于：还包括第四模拟开关以及第三数模转换器，所述激光光源（2）通过第四模拟开关与第三数模转换器的输出端相连，所述第三数模转换器的输入端与控制终端相连，所述控制终端的输出端与第四模拟开关的控制端相连。
9.根据权利要求1所述的一种血管血流投影层析三维成像方法，其特征在于：所述步骤D中，所述调制深度的计算表达式如下公式所示：，其中所述表示旋转角度k的位置下，坐标为（x，y）处像素位置的调制深度值，所述/>表示坐标为（x，y）处像素位置对应图像数据所提取的动态散斑信号，所述/>表示坐标为（x，y）处像素位置对应图像数据所提取的静态散斑信号。
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