CN109044325A - 一种三维血流速度动态监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维血流速度动态监测装置及方法，该装置包括激光光源、激光准直镜、扩束镜、毛玻璃片、试管、折射率匹配池、第一电机、远心镜头以及图像采集相机，所述图像采集相机是CCD相机，所述试管置于折射率匹配池中，所述第一电机驱动试管转动，所述激光光源输出的激光束先后经过激光准直镜、扩束镜以及毛玻璃片进入到折射率匹配池中，从折射率匹配池出射的激光光束通过远心镜头进入到图像采集相机中。本发明创造通过对待测样品的每个角度进行图像采集操作，实现对血管血流的实时相对三维速度监测，利用衬比值与速度的关系，通过观察衬比值，可以实现对速度的实时动态监测，数据计算量较低，实时性强。
Description
技术领域
本发明涉及血流速度监测技术领域。
背景技术
目前，在血流速度监测技术领域中，主要是利用以下几种技术方案实现相关监测功能；
第一种技术方案是超声多普勒(Ultrasound Doppler)血流检测，该方法通过测量两束入射超声波被红细胞散射的回声产生的频移量，测定声波频率变化并以此计算出二维投影血流流速；第二种技术方案是基于图像处理技术来测量血流速度，该方法在测定前预先设定一定的时间间隔，再用工业相机抓拍，获取两帧图像，对比同一细胞在两帧图像的位置差异，由此管道内流体流动的路程，通过流动路程与设定的时间间隔之比即可得到管道流体的流速；第三种技术方案是激光多普勒测速法，通过分析入射光的频移计算流速，当激光照射到运动物体上时，粒子运动引起散射光频移的改变，采集散射光和入射光进行处理可算出入射光的频移量，而频移量与散射光粒子运动速度成正比，此时求流体速度的变化转换为求频率的变化；第四种技术方案是激光散斑衬比成像二维血流速度监测方法，该方法先在沿时间轴的20张灰度图求出衬比值，再根据衬比和速度的平方成反比的关系求出相对速度。
其中第一种技术方案测量的准确性易受多普勒角的影响，使测量出的血流速度并非真实流速，而且散射粒子大小、浓度等因素均会影响速度测量的准确性；第二种技术方案对光照要求高，易受环境因素影响，而且它测量的仅是血流的投影速度亦非真实流速；第三种技术方案中激光多普勒获得的是单点流速信息，监测全场流速分布须引进扫描装置对组织进行逐点扫描，其时间分辨率有限，且其测量的流速仍然不是真实流速；第四种技术方案监测的是二维血流投影相对速度，测量的是投影相对速度不是真实的相对速度。
目前某些监测项目中却无需得知血流速度具体大小，只需对血流速度进行动态监测，即只需监测出血流速度相对于前一时刻变快还是变慢即可，这种监测项目要求的是能够监测血流实际速度的变化，因而建立三维立体血流分布图才是这种监测项目所期望的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何对血流速度进行快速的动态监测以及建立三维血流分布图。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种三维血流速度动态监测装置，包括激光光源、激光准直镜、扩束镜、毛玻璃片、试管、折射率匹配池、第一电机、远心镜头以及图像采集相机，所述图像采集相机优先选择CCD相机，所述试管置于折射率匹配池中，所述第一电机驱动试管转动，所述激光光源输出的激光束先后经过激光准直镜、扩束镜以及毛玻璃片进入到折射率匹配池中，从折射率匹配池出射的激光光束通过远心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，本装置还包括第一升降机构以及第二升降机构，所述扩束镜安装在第一升降机构中，所述远心镜头以及图像采集相机均安装在第二升降机构上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一升降机构以及第二升降机构均是多连杆升降机构。
作为上述技术方案的进一步改进，本装置还包括水平移动机构，所述第二升降机构安装在水平移动机构上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述水平移动机构包括底座、装载台、第二电机以及操作螺杆，所述底座上设有滑轨，所述装载台设置在滑轨上，所述装载台设有水平的通孔，所述通孔设有与操作螺杆相互匹配的螺纹结构，所述操作螺杆与装载台的通孔螺纹连接，所述第二电机驱动操作螺杆转动，所述第二升降机构设置在装载台上。
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：本发明创造通过对待测样品的每一个角度进行图像采集操作并进行衬比运算，再将处理后的多个图像数据依次进行希尔伯特变换、求导、以及反投影算法，并分别沿各横截面法线方向逆投影进行全空间回抹，实现对血管血流的实时相对三维速度监测，利用衬比值与速度成反比的关系，通过观察衬比值，可以实现对速度的实时动态监测。
本发明创造同时还公开了一种血流速度监测方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建上述三维血流速度动态监测装置，对监测装置进行初始化操作，初始化内容包括：设置激光光源功率、第一电机逐次驱动试管转动的转动角度差、图像采集相机的采集帧率和曝光时间；
步骤2，在当前角度下，为待测样品采集N个图像，将N个图像定义为待测图像；
步骤3，获取N个待测图像中每一个像素的灰度强度，计算N个待测图像中同一个像素的灰度强度平均值；
步骤4，通过公式1计算出N个待测图像中每个像素的衬比，公式1如下所示：
其中K表示某个像素的衬比，Ix,y表示某个像素的灰度强度，表示某个像素的灰度强度平均值；
步骤5，在当前角度下，从多个像素的衬比中获取最小值，记为监测标志值；
步骤6，根据转动角度差控制待测样品转动，重复步骤2至步骤5，直到待测样品完成360度转动；
步骤7，将各个待测图像分别进行希尔伯特变换、求导以及反投影运算，将各个待测图像分别沿各横截面法线方向逆投影进行全空间回抹，建立待测样品的三维血流分布图；
步骤8，根据各个角度下所获得的监测标志值的变化情况，判断待测样品的血流速度的动态变化。
本发明的有益效果是：本发明创造通过对待测样品的每个角度进行图像采集操作，实现对血管血流的实时相对三维速度监测，利用时间衬比成像及衬比与速度的关系，可以计算出待测样品在不同位置角度下的相对速度，利用衬比值与速度的关系，通过观察衬比值，即可实现对速度的实时动态监测，数据计算量较低，实时性强。
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三维血流速度动态监测装置，包括激光光源1、激光准直镜2、扩束镜3、毛玻璃片4、试管5、折射率匹配池6、第一电机7、远心镜头8以及图像采集相机9，所述图像采集相机9优先选择CCD相机，但是并不仅限于CCD相机，所述试管5置于折射率匹配池6中，所述第一电机7驱动试管5转动，所述激光光源1输出的激光束先后经过激光准直镜2、扩束镜3以及毛玻璃片4进入到折射率匹配池6中，从折射率匹配池6出射的激光光束通过远心镜头8进入到图像采集相机9中。其中所述扩束镜3以及毛玻璃片4的作用主要是用于使激光光束均匀地照射到折射率匹配池6中，装载在试管5中的待测样品受第一电机7驱动进行间歇性转动，以实现对待测样品各个角度下的图像采集功能。
具体地，本发明创造通过对待测样品的每一个角度进行图像采集操作并进行衬比运算，再将处理后的多个图像数据依次进行希尔伯特变换、求导、以及反投影算法，并分别沿各横截面法线方向逆投影进行全空间回抹，实现对血管血流的实时相对三维速度监测，利用衬比值与速度成反比的关系，通过观察衬比值，可以实现对速度的实时动态监测。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，本装置还包括第一升降机构11以及第二升降机构12，所述扩束镜3安装在第一升降机构11中，所述远心镜头8以及图像采集相机9均安装在第二升降机构12上。具体地，本发明创造通过所述第一升降机构11以及第二升降机构12的设置，实现对扩束镜3、远心镜头8以及图像采集相机9的高度调节功能，提高激光光束接收的质量，使图像采集相机9成像效果更佳。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述第一升降机构11以及第二升降机构12均是多连杆升降机构。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，本装置还包括水平移动机构，所述第二升降机构12安装在水平移动机构上。具体地，本发明创造通过所述水平移动机构的设置，以调节图像采集相机9的成像面与折射率匹配池6的距离，使成像效果更佳。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述水平移动机构包括底座131、装载台132、第二电机134以及操作螺杆133，所述底座131上设有滑轨135，所述装载台132设置在滑轨135上，所述装载台132设有水平的通孔，所述通孔设有与操作螺杆133相互匹配的螺纹结构，所述操作螺杆133与装载台132的通孔螺纹连接，所述第二电机134驱动操作螺杆133转动，所述第二升降机构12设置在装载台132上。
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7是伺服电机，所述第二电机134是步进电机。具体地，由于本发明创造所述第一电机7需要对试管5进行间歇性转动，其控制的精准度要求较高，因此本发明创造利用伺服电机作为第一电机7，以提高试管5转动的精准度。
参照图2，本发明创造同时还公开了一种血流速度监测方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建上述三维血流速度动态监测装置，对监测装置进行初始化操作，初始化内容包括：设置激光光源1功率、第一电机7逐次驱动试管5转动的转动角度差、图像采集相机9的采集帧率和曝光时间；
步骤2，在当前角度下，为待测样品采集N个图像，将N个图像定义为待测图像；
步骤3，获取N个待测图像中每一个像素的灰度强度，计算N个待测图像中同一个像素的灰度强度平均值；
步骤4，通过公式1计算出N个待测图像中每个像素的衬比，公式1如下所示：
其中K表示某个像素的衬比，Ix,y表示某个像素的灰度强度，表示某个像素的灰度强度平均值；
步骤5，在当前角度下，从多个像素的衬比中获取最小值，记为监测标志值；
步骤6，根据转动角度差控制待测样品转动，重复步骤2至步骤5，直到待测样品完成360度转动；
步骤7，将各个待测图像分别进行希尔伯特变换、求导以及反投影运算，将各个待测图像分别沿各横截面法线方向逆投影进行全空间回抹，建立待测样品的三维血流分布图；
步骤8，根据各个角度下所获得的监测标志值的变化情况，判断待测样品的血流速度的动态变化。
本发明创造的具体原理如下：当一束相干光均匀照射在粗糙的物体表面时，到达接收面的后向散射光之间由于存在光程差形成随机分布的干涉图像，即散斑。但散射粒子运动时，干涉图案会随时间发生变化，在一定的曝光时间内CCD相机采集到的散斑图像就会由于时间积分效应而发生模糊，这个模糊程度由散斑衬比反映出来。因此散斑衬比包含了散射粒子的运动信息，通过散斑图像空间和时间变化的统计分析就可以得到二维血流分布图。即本发明创造中只需通过待测样品图像衬比增加，衬比减小，结合实际速度与衬比的关系即可实现对观测物运动速度的监测，计算出每个角度下待测样品的血流速度，得出的最大血流速度即三维血流速度。
具体地，本发明创造通过对待测样品的每一个角度进行图像采集操作并进行衬比运算，再将处理后的多个图像数据依次进行希尔伯特变换、求导、以及反投影算法，并分别沿各横截面法线方向逆投影进行全空间回抹，建立待测样品的三维血流分布图，实现对血管血流的实时相对三维速度监测，利用衬比值与速度成反比的关系，通过观察衬比值，可以实现对速度的实时动态监测。
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动态监测装置，其特征在于：包括激光光源(1)、激光准直镜(2)、扩束镜(3)、毛玻璃片(4)、试管(5)、折射率匹配池(6)、第一电机(7)、远心镜头(8)以及图像采集相机(9)，所述试管(5)置于折射率匹配池(6)中，所述第一电机(7)驱动试管(5)转动，所述激光光源(1)输出的激光束先后经过激光准直镜(2)、扩束镜(3)以及毛玻璃片(4)进入到折射率匹配池(6)中，从折射率匹配池(6)出射的激光光束通过远心镜头(8)进入到图像采集相机(9)中。
2.根据权利要求1所述的一种三维血流速度动态监测装置，其特征在于：还包括第一升降机构(11)以及第二升降机构(12)，所述扩束镜(3)安装在第一升降机构(11)中，所述远心镜头(8)以及图像采集相机(9)均安装在第二升降机构(12)上。
3.根据权利要求2所述的一种三维血流速度动态监测装置，其特征在于：所述第一升降机构(11)以及第二升降机构(12)均是多连杆升降机构。
4.根据权利要求2所述的一种三维血流速度动态监测装置，其特征在于：还包括水平移动机构，所述第二升降机构(12)安装在水平移动机构上。
5.根据权利要求4所述的一种三维血流速度动态监测装置，其特征在于：所述水平移动机构包括底座(131)、装载台(132)、第二电机(134)以及操作螺杆(133)，所述底座(131)上设有滑轨(135)，所述装载台(132)设置在滑轨(135)上，所述装载台(132)设有水平的通孔，所述通孔设有与操作螺杆(133)相互匹配的螺纹结构，所述操作螺杆(133)与装载台(132)的通孔螺纹连接，所述第二电机(134)驱动操作螺杆(133)转动，所述第二升降机构(12)设置在装载台(132)上。
6.根据权利要求5所述的一种三维血流速度动态监测装置，其特征在于：所述第一电机(7)是伺服电机，所述第二电机(134)是步进电机。
7.一种血流速度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，搭建如权利要求1至6任一项所述的三维血流速度动态监测装置，对监测装置进行初始化操作，初始化内容包括：设置激光光源(1)功率、第一电机(7)逐次驱动试管(5)转动的转动角度差、图像采集相机(9)的采集帧率和曝光时间；
步骤2，在当前角度下，为待测样品采集N个图像，将N个图像定义为待测图像；
步骤3，获取N个待测图像中每一个像素的灰度强度，计算N个待测图像中同一个像素的灰度强度平均值；
步骤4，通过公式1计算出N个待测图像中每个像素的衬比，公式1如下所示：
其中K表示某个像素的衬比，Ix,y表示某个像素的灰度强度，表示某个像素的灰度强度平均值；
步骤5，在当前角度下，从多个像素的衬比中获取最小值，记为监测标志值；
步骤6，根据转动角度差控制待测样品转动，重复步骤2至步骤5，直到待测样品完成360度转动；
步骤7，将各个待测图像分别进行希尔伯特变换、求导以及反投影运算，将各个待测图像分别沿各横截面法线方向逆投影进行全空间回抹，建立待测样品的三维血流分布图；
步骤8，根据各个角度下所获得的监测标志值的变化情况，判断待测样品的血流速度的动态变化。
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