CN108805954B - 一种投影层析三维血流速度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种投影层析三维血流速度测量装置及方法，测量装置包括光功率调节器、白光LED灯、毛玻璃片、折射率匹配池、第一电机、试管、水平移动机构、升降机构、镜头以及图像采集相机，所述试管置于折射率匹配池中，所述毛玻璃片置于白光LED灯与折射率匹配池之间，所述白光LED灯输出的白光光束通过毛玻璃片进入到折射率匹配池中，经过试管中待测样品吸收后的白光光束从折射率匹配池中出射，经过镜头进入到图像采集相机中。本发明创造结合光学投影层析成像，利用血管内血红细胞对白光吸收差异的涨落效应对血管造影和血流速度测量，属于一种非入侵式的血流速度测量技术方案，血管造影的对比度高，血流速度测量准确度高。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，更具体地说涉及一种三维血液流动速度测量装置。
背景技术
现有技术中，在三维血液流动速度测量技术领域中，主要有以下3种技术方案：
第一种技术方案是基于螺旋CT成像系统测量动脉血流流速的方法，此方法需要向观察体多次注射对比剂，通过测量对比剂得出时间差，然后通过CT扫描成出三维血管，再由此获得目标血管长度，从而求出流速；
第二种技术方案是激光多普勒流速测量，该技术通过多普勒效应,将流体速度的变化转换为频率的变化，当光照射到运动的物体上时,散射光和原光源之间产生频率差,利用其差值大小与反光物体的速度成正比的关系，从而得出流速；
第三种技术方案是基于图像处理技术测量血流速度，该方法是利用血管内流动的多个细胞在设定的时间差下用工业相机获取的两帧图像中位置差异，从而确定在设定的时间差内血管内流体的流动路程，通过流动路程与设定的时间差之比得到血管内流体流速。
以上3种技术方案各有弊端，第一种技术方案需要向被测物体注入对比剂，而对比剂可能影响生物体的生理结构，严重可能致死，并且长时间的CT照射会对生物体造成严重的不可恢复的损伤；第二种技术方案在测量过程中，容易受多普勒角的影响，使得测出的血管速度并非是该处血管的真实血流流速；第三种技术方案在测量过程中对光照要求严格，且测量的也并非是该处血流的真实流速。
综上所述，现有技术中对三维血液流动速度测量的技术方案主要缺点在于需要往生物体内注入药剂以及血液流动速度检测准确度低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何提高三维血液流动速度测量的准确度。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种投影层析三维血流速度测量装置，包括光功率调节器、白光LED灯、毛玻璃片、折射率匹配池、第一电机、试管、水平移动机构、升降机构、镜头以及图像采集相机，所述光功率调节器与白光LED灯电性连接，所述升降机构装载在水平移动机构上，所述镜头以及图像采集相机均安装在升降机构上，所述第一电机驱动试管转动，所述试管置于折射率匹配池中，所述毛玻璃片置于白光LED灯与折射率匹配池之间，所述白光LED灯输出的白光光束通过毛玻璃片进入到折射率匹配池中，经过试管中待测样品吸收后的白光光束从折射率匹配池中出射，经过镜头进入到图像采集相机中。
作为上述技术方案的进一步改进，所述白光LED灯是面阵LED光源。
作为上述技术方案的进一步改进，所述白光LED灯以及毛玻璃片均配置有两个，两个所述白光LED灯以及毛玻璃片均对称地设置在折射率匹配池两侧。
作为上述技术方案的进一步改进，所述升降机构是多连杆升降机构。
作为上述技术方案的进一步改进，所述水平移动机构包括第二电机、连接螺杆以及载物台，所述载物台设有水平延伸的通孔，所述通孔的表面设有与连接螺杆相匹配的螺纹结构，所述升降机构装载在载物台上，所述连接螺杆与载物台的通孔螺纹连接，所述第二电机驱动连接螺杆转动。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一电机是伺服电机，所述第二电机是步进电机。
本发明的有益效果是：本发明结合光学投影层析成像，利用血管内血红细胞对白光吸收差异的涨落效应对血管造影和血流速度测量，属于一种非入侵式的血流速度测量技术方案，血管造影的对比度高，血流速度测量准确度高。
本发明创造同时还公开了一种三维血流测量方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建所述三维血流速度测量装置，对三维血流速度测量装置进行初始化，初始化内容包括：设置镜头的放大倍数、设置第一电机的转动角度差、设置图像采集相机的采集帧率以及曝光时间；
步骤2，通过图像采集相机采集待测样品的边缘信息，根据待测样品的边缘信息控制水平移动机构调节图像采集相机与折射率匹配池之间的距离；
步骤3，在当前角度下，为待测样品的投影面采集N个图像，定义为待测图像；
步骤4，在当前角度的第一张待测图像中选择一个待测点，对该待测点基于信号分析互相关算法限制的条件下设定时间上的图像处理窗口，在所述图像处理窗口内算出与待测点相关系数最大的值并找出对应的点及其所在的待测图像与第一张待测图像的渡越时间差，将待测点所在位置定义为第一标记位置，将与待测点相关系数最大的对应点定义为第二标记位置；
步骤5，根据镜头的放大倍率以及待测图像的像素大小，计算第一标记位置以及第二标记位置之间的距离，将此距离定义为渡越位移；
步骤6，根据渡越位移以及渡越时间差，在当前角度下，计算待测样品血管内待测点血液流动的投影速度；
步骤7，根据转动角度差控制待测样品转动，重复步骤3至步骤6，直到待测样品完成360度转动，获得各个角度下待测样品血管内待测点血液流动的投影速度，多个投影速度中的最大值即为待测样品血管内待测点血液流动的实际流速；
步骤8，将获得的最大投影速度赋值到在原来各个投影面中待测点测量出的投影速度，对欲重建的血管上的各点重复步骤2至步骤7的操作，然后通过反投影重建算法，获得三维重建结果图，重建结果图的灰度值反映了血管不同位置的三维速度差异。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1，在当前角度下各个待测图像中，每个像素点基于信号分析互相关算法限制的条件下设定时间上的图像处理窗口，在第一个待测图像中选定一个待测点，在图像处理窗口内计算待测点与其他待测图像中各个像素点的相关系数CIAB(τ)，其中其中A表示第一个待测图像中的待测点，B表示其他待测图像的像素点，T0表示N个待测图像的采集的总时长，τ表示像素A、B两点各自对应的待测图像采集的时间差；
步骤4.2，获取相关系数CIAB(τ)最大时，像素点B所在的待测图像与第一张待测图像的渡越时间差，并将相关系数CIAB(τ)最大时像素点B定义为第二标记位置，将待测点定义为第一标记位置。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤3中所采集的待测图像数量为512个。
本发明的有益效果：本发明所述血流测量方法通过对待测样品进行360度转动，在各个角度下采集待测样品的多个待测图像，采用基于信号分析互相关算法获取多个待测图像中相关性最大的两个位置，并根据相关性最大的两个位置所在待测图像的采集时间间隔，计算出各个角度下待测样品的血液流动的投影速度，其中多个投影速度中的最大值即为待测样品血管内血液流动的实际流速，检测准度高。
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是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的方法流程图。
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，文中所提到的所有联接/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，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。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，本发明创造公开了一种投影层析三维血流速度测量装置，包括光功率调节器1、白光LED灯2、毛玻璃片3、折射率匹配池4、第一电机5、试管6、水平移动机构7、升降机构8、镜头9以及图像采集相机10，所述光功率调节器1与白光LED灯2电性连接，所述升降机构8装载在水平移动机构7上，所述镜头9以及图像采集相机10均安装在升降机构8上，所述第一电机5驱动试管6转动，所述试管6置于折射率匹配池4中，所述毛玻璃片3置于白光LED灯2与折射率匹配池4之间，所述白光LED灯2输出的白光光束通过毛玻璃片3进入到折射率匹配池4中，经过试管6中待测样品吸收后的白光光束从折射率匹配池4中出射，经过镜头9进入到图像采集相机10中。其中所述水平移动机构7用于控制镜头9以及图像采集相机10与折射率匹配池4之间的距离，所述升降机构8用于调节镜头9以及图像采集相机10的高度位置，所述毛玻璃片3主要用于提高折射率匹配池4的光照均匀度。具体地，本发明创造结合光学投影层析成像，利用血管内血红细胞对白光吸收差异的涨落效应对血管造影和血流速度测量，属于一种非入侵式的血流速度测量技术方案，血管造影的对比度高，血流速度测量准确度高。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述白光LED灯2是面阵LED光源，即所述白光LED灯2包括多个设置在平面上的LED灯珠，多个LED灯珠形成LED点阵。本发明创造利用面阵LED光源作为白光输出装置，有效进一步提高折射率匹配池4的光照均匀度。
进一步作为优选的实施方式，为更进一步提高折射率匹配池4的光照均匀度，本发明创造具体实施方式中，所述白光LED灯2以及毛玻璃片3均配置有两个，两个所述白光LED灯2以及毛玻璃片3均对称地设置在折射率匹配池4两侧。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述升降机构8是多连杆升降机构。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述水平移动机构7包括第二电机71、连接螺杆72以及载物台73，所述载物台73设有水平延伸的通孔，所述通孔的表面设有与连接螺杆72相匹配的螺纹结构，所述升降机构8装载在载物台73上，所述连接螺杆72与载物台73的通孔螺纹连接，所述第二电机71驱动连接螺杆72转动。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述第一电机5是伺服电机，所述第二电机71是步进电机。由于所述第一电机5是用于实现试管6间歇性转动功能，试管6每次转动角度的大小直接影响着最后血液流动速度测量的精准度，因此本发明创造利用伺服电机驱动试管6转动，转动角度控制精准度高。相对与第一电机5，第二电机71主要是用于控制镜头9以及图像采集相机10与折射率匹配池4之间的距离，即主要是用于控制成像距离，控制精度无需过高，因此所述第二电机71使用步进电机即可。
参照图2，本发明创造同时还公开了一种血流速度测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
步骤1，搭建所述三维血流速度测量装置，对三维血流速度测量装置进行初始化，初始化内容包括：设置镜头9的放大倍数、设置第一电机5的转动角度差、设置图像采集相机10的采集帧率以及曝光时间；
步骤2，通过图像采集相机10采集待测样品的边缘信息，根据待测样品的边缘信息控制水平移动机构7调节图像采集相机10与折射率匹配池4之间的距离；
步骤3，在当前角度下，为待测样品的投影面采集N个图像，定义为待测图像；
步骤4，在当前角度的第一张待测图像中选择一个待测点，对该待测点基于信号分析互相关算法限制的条件下设定时间上的图像处理窗口，在所述图像处理窗口内算出与待测点相关系数最大的值并找出对应的点及其所在的待测图像与第一张待测图像的渡越时间差，将待测点所在位置定义为第一标记位置，将与待测点相关系数最大的对应点定义为第二标记位置；
步骤5，根据镜头9的放大倍率以及待测图像的像素大小，计算第一标记位置以及第二标记位置之间的距离，将此距离定义为渡越位移；
步骤6，根据渡越位移以及渡越时间差，在当前角度下，计算待测样品血管内待测点血液流动的投影速度；
步骤7，根据转动角度差控制待测样品转动，重复步骤3至步骤6，直到待测样品完成360度转动，获得各个角度下待测样品血管内待测点血液流动的投影速度，多个投影速度中的最大值即为待测样品血管内待测点血液流动的实际流速；
步骤8，将获得的最大投影速度赋值到在原来各个投影面中待测点测量出的投影速度，对欲重建的血管上的各点重复步骤2至步骤7的操作，然后通过反投影重建算法，获得三维重建结果图，重建结果图的灰度值反映了血管不同位置的三维速度差异。
具体地，本发明所述血流测量方法通过对待测样品进行360度转动，在各个角度下采集待测样品的多个待测图像，采用基于信号分析互相关算法获取多个待测图像中相关性最大的两个位置，并根据相关性最大的两个位置所在待测图像的采集时间间隔，计算出各个角度下待测样品的血液流动的投影速度，其中多个投影速度中的最大值即为待测样品血管内血液流动的实际流速，检测准度高。
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4具体包括以下步骤：
步骤4.1，在当前角度下各个待测图像中，每个像素点基于信号分析互相关算法限制的条件下设定时间上的图像处理窗口，在第一个待测图像中选定一个待测点，在图像处理窗口内计算待测点与其他待测图像中各个像素点的相关系数CIAB(τ)，其中其中A表示第一个待测图像中的待测点，B表示其他待测图像的像素点，T0表示N个待测图像的采集的总时长，τ表示像素A、B两点各自对应的待测图像采集的时间差；
步骤4.2，获取相关系数CIAB(τ)最大时，像素点B所在的待测图像与第一张待测图像的渡越时间差，并将相关系数CIAB(τ)最大时像素点B定义为第二标记位置，将待测点定义为第一标记位置。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，步骤3中所采集的待测图像数量为512个。
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 (7)
1.一种三维血流速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，搭建三维血流速度测量装置，对三维血流速度测量装置进行初始化；
所述三维血流速度测量装置包括光功率调节器(1)、白光LED灯(2)、毛玻璃片(3)、折射率匹配池(4)、第一电机(5)、试管(6)、水平移动机构(7)、升降机构(8)、镜头(9)以及图像采集相机(10)，所述光功率调节器(1)与白光LED灯(2)电性连接，所述升降机构(8)装载在水平移动机构(7)上，所述镜头(9)以及图像采集相机(10)均安装在升降机构(8)上，所述第一电机(5)驱动试管(6)转动，所述试管(6)置于折射率匹配池(4)中，所述毛玻璃片(3)置于白光LED灯(2)与折射率匹配池(4)之间，所述白光LED灯(2)输出的白光光束通过毛玻璃片(3)进入到折射率匹配池(4)中，经过试管(6)中待测样品吸收后的白光光束从折射率匹配池(4)中出射，经过镜头(9)进入到图像采集相机(10)中；
初始化内容包括：设置镜头(9)的放大倍数、设置第一电机(5)的转动角度差、设置图像采集相机(10)的采集帧率以及曝光时间；
步骤2，通过图像采集相机(10)采集待测样品的边缘信息，根据待测样品的边缘信息控制水平移动机构(7)调节图像采集相机(10)与折射率匹配池(4)之间的距离；
步骤3，在当前角度下，为待测样品的投影面采集N个图像，定义为待测图像；
步骤4，在当前角度的第一张待测图像中选择一个待测点，对该待测点基于信号分析互相关算法限制的条件下设定时间上的图像处理窗口，在所述图像处理窗口内算出与待测点相关系数最大的值并找出对应的点及其所在的待测图像与第一张待测图像的渡越时间差，将待测点所在位置定义为第一标记位置，将与待测点相关系数最大的对应点定义为第二标记位置；
步骤5，根据镜头(9)的放大倍率以及待测图像的像素大小，计算第一标记位置以及第二标记位置之间的距离，将此距离定义为渡越位移；
步骤6，根据渡越位移以及渡越时间差，在当前角度下，计算待测样品血管内待测点血液流动的投影速度；
步骤7，根据转动角度差控制待测样品转动，重复步骤3至步骤6，直到待测样品完成360度转动，获得各个角度下待测样品血管内待测点血液流动的投影速度，多个投影速度中的最大值即为待测样品血管内待测点血液流动的实际流速；
步骤8，将获得的最大投影速度赋值到在原来各个投影面中待测点测量出的投影速度，对欲重建的血管上的各点重复步骤2至步骤7的操作，然后通过反投影重建算法，获得三维重建结果图；
所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1，在当前角度下各个待测图像中，每个像素点基于信号分析互相关算法限制的条件下设定时间上的图像处理窗口，在第一个待测图像中选定一个待测点，在图像处理窗口内计算待测点与其他待测图像中各个像素点的相关系数CIAB(τ)，其中其中A表示第一个待测图像中的待测点，B表示其他待测图像的像素点，T0表示N个待测图像的采集的总时长，τ表示像素A、B两点各自对应的待测图像采集的时间差；
步骤4.2，获取相关系数CIAB(τ)最大时，像素点B所在的待测图像与第一张待测图像的渡越时间差，并将相关系数CIAB(τ)最大时像素点B定义为第二标记位置，将待测点定义为第一标记位置。
2.根据权利要求1所述的一种三维血流速度测量方法，其特征在于：所述白光LED灯(2)是面阵LED光源。
3.根据权利要求2所述的一种三维血流速度测量方法，其特征在于：所述白光LED灯(2)以及毛玻璃片(3)均配置有两个，两个所述白光LED灯(2)以及毛玻璃片(3)均对称地设置在折射率匹配池(4)两侧。
4.根据权利要求1所述的一种三维血流速度测量方法，其特征在于：所述升降机构(8)是多连杆升降机构。
5.根据权利要求1所述的一种三维血流速度测量方法，其特征在于：所述水平移动机构(7)包括第二电机(71)、连接螺杆(72)以及载物台(73)，所述载物台(73)设有水平延伸的通孔，所述通孔的表面设有与连接螺杆(72)相匹配的螺纹结构，所述升降机构(8)装载在载物台(73)上，所述连接螺杆(72)与载物台(73)的通孔螺纹连接，所述第二电机(71)驱动连接螺杆(72)转动。
6.根据权利要求5所述的一种三维血流速度测量方法，其特征在于：所述第一电机(5)是伺服电机，所述第二电机(71)是步进电机。
7.根据权利要求1所述的一种三维血流速度测量方法，其特征在于：步骤3中所采集的待测图像数量为512个。
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