CN109752377B - 一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置及方法，包括：白光光源、激光光源、扩束准直镜、样品、第一凸透镜、分光镜、第一检测光路、第二检测光路和电脑处理终端，所述样品固定浸泡在折射率匹配池中，折射率匹配池的上端设有驱动模块，第一检测光路包括：第二凸透镜、第一滤光片、第三凸透镜、第一远心镜头和第一CCD相机，第二检测光路包括：第四凸透镜、第二滤光片、第五凸透镜、第二远心镜头和第二CCD相机。本发明实现激光白光双模态成像，采用分光式OPT技术以及基于PCA算法的散斑血流成像方法，血流和组织同时成像，具有高时空分辨率的特点，有利于在同一生物样品下同时实现血流和组织的采集和研究。

Description

一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置及方法

技术领域

本发明涉及生物组织血管成像技术领域，更具体地说涉及一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置及方法。

背景技术

随着人类的生活水平不断提高，心脑血管疾病已经渐渐成为人类死亡的头号杀手，对心脑血管疾病的早期诊断与治疗有极大的现实意义。血流成像技术可以检测生命体血流方面的信息，为如心脑血管疾病等与血液相关的检测提供依据和手段。组织成像有利于研究生命体生长、发育等生物变化信息，在医学诊断如癌症的检测等方面具有很强的现实意义与应用价值。

在现阶段的血流成像及组织成像中，大多数为单模态成像，即组织与血流不可同时成像，而由于生物样品的生命力局限性，使得在同一个生物样品下很难实现血流与组织的采集，这就使得在研究生物组织血流等方面受阻。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置及方法，可同时对生物样品进行血流造影及组织成像。

本发明解决其技术问题的解决方案是：一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置，包括：白光光源、激光光源、扩束准直镜、样品、第一凸透镜、分光镜、第一检测光路、第二检测光路和电脑处理终端，所述样品固定浸泡在折射率匹配池中，所述折射率匹配池的上端设有驱动模块，所述驱动模块与样品固定连接，所述驱动模块带动样品同步转动，所述驱动模块与电脑处理终端电连接，所述激光光源位于所述白光光源的下方；

所述第一检测光路包括：第二凸透镜、第一滤光片、第三凸透镜、第一远心镜头和第一CCD相机，所述第二凸透镜、第一滤光片、第三凸透镜、第一远心镜头以及第一CCD相机沿着进光入射方向同轴依次排列；

所述第二检测光路包括：第四凸透镜、第二滤光片、第五凸透镜、第二远心镜头和第二CCD相机，所述第四凸透镜、第二滤光片、第五凸透镜、第二远心镜头以及第二CCD相机沿着进光入射方向同轴依次排列；

所述第一检测光路和第二检测光路相互垂直；

所述电脑处理终端分别与第一CCD相机、第二CCD相机电连接；

所述白光光源发出光束，光束经过扩束准直镜后，穿过折射率匹配池照射到样品上，出射光透过第一透镜后，射向入射角为45°的分光镜；

所述激光光源发出光束，光束穿过折射率匹配池照射到样品上，出射光透过第一透镜后，射向入射角为45°的分光镜；

分光镜将接收到的光束分成第一光束和第二光束，所述第一光束进入第二凸透镜，所述第二光束进入第四凸透镜。

进一步，所述第一CCD相机和第二CCD相机均为面阵CCD相机。

进一步，所述第一CCD相机与电脑处理终端之间设有第一图像采集卡，所述第二CCD相机与电脑处理终端之间设有第二图像采集卡。

进一步，所述驱动模块为伺服电机模块。

一种分光式双模态投影层析组织血管成像方法，所述方法包括：

获得散斑图像组和投影图像组；

对散斑图像组进行主成分分析，得到二维血流分布图像组；

对投影图像组进行灰度色阶反转处理，得到二维组织吸收图像组；

基于光学投影层析成像原理，将得到的二维血流分布图像组和二维组织吸收图像组利用三维重建算法进行重建，得到三维血管组织结构脉络图。

进一步，所述获得散斑图像组和投影图像组的方法包括：

激光光束对样品进行360°照射，采集样品不同角度中样品的散斑信号，得到散斑图像组；

白光光束对样品进行360°照射，采集样品不同角度中样品的投影信号，得到投影图像组。

进一步，所述对散斑图像组进行主成分分析的方法包括：

基于PCA算法的散斑血流成像方法，散斑信号分离出样品的静态散斑信号和动态散斑信号，计算出成像参量，建立二维血流分布图像。

本发明的有益效果是：本发明实现激光白光双模态成像，采用分光式OPT技术以及基于PCA算法的散斑血流成像方法，血流和组织同时成像，具有高时空分辨率的特点，有利于在同一生物样品下同时实现血流和组织的采集和研究。同时不需要注射造影剂，减少对生物体的损害。

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是本发明的结构示意图；

图2是本发明的工作流程图。

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。

实施例1，参照图1和图2，一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置，所述成像装置包括：白光光源100、激光光源110、扩束准直镜200、样品300、第一凸透镜400、分光镜500、第一检测光路600、第二检测光路700和电脑处理终端800，所述样品300固定浸泡在折射率匹配池311中，所述驱动模块312与样品300固定连接，所述驱动模块312带动样品300同步转动，所述驱动模块312与折射率匹配池311固定连接，所述驱动模块312与电脑处理终端800电连接，所述激光光源110位于所述白光光源100的下方；

所述第一检测光路600包括：第二凸透镜610、第一滤光片611、第三凸透镜612、第一远心镜头613和第一CCD相机614，所述第二凸透镜610、第一滤光片611、第三凸透镜612、第一远心镜头613以及第一CCD相机614沿着进光入射方向同轴依次排列；

所述第二检测光路700包括：第四凸透镜710、第二滤光片711、第五凸透镜712、第二远心镜头713和第二CCD相机714，所述第四凸透镜710、第二滤光片711、第五凸透镜712、第二远心镜头713以及第二CCD相机714沿着进光入射方向同轴依次排列；

所述第一检测光路600和第二检测光路700相互垂直；

所述电脑处理终端800分别与第一CCD相机614、第二CCD相机714电连接；

所述白光光源100发出光束，光束经过扩束准直镜200后，穿过折射率匹配池311照射到样品300上，出射光透过第一凸透镜400后，射向入射角为45°的分光镜500；

所述激光光源110发出光束，光束穿过折射率匹配池311照射到样品300上，出射光透过第一凸透镜400后，射向入射角为45°的分光镜500；

分光镜500将接收到的光束分成第一光束和第二光束，所述第一光束进入第二凸透镜610，所述第二光束进入第四凸透镜710。

作为优化，所述驱动模块312为伺服电机模块，所述伺服电机模块与电脑处理终端800电连接。所述伺服电机模块带动位于折射率匹配池311中的样品300进行360°转动，用于采集样品300在不同角度的血流散斑信号和投影信号。

一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置中包括一种分光式双模态投影层析组织血管成像方法，所述方法包括：

获得散斑图像组和投影图像组；

对散斑图像组进行主成分分析，得到二维血流分布图像组；

对投影图像组进行灰度色阶反转处理，得到二维组织吸收图像组；

基于光学投影层析成像原理，将得到的二维血流分布图像组和二维组织吸收图像组利用三维重建算法进行重建，得到三维血管组织结构脉络图。

作为优化，所述获得散斑图像组和投影图像组的方法包括：

激光光束对样品300进行360°照射，采集样品300不同角度中样品300的散斑信号，得到散斑图像组；

白光光束对样品300进行360°照射，采集样品300不同角度中样品300的投影信号，得到投影图像组。

作为优化，所述对散斑图像组进行主成分分析的方法包括：

基于PCA算法的散斑血流成像方法，散斑信号分离出样品300的静态散斑信号和动态散斑信号，计算出成像参量，建立二维血流分布图像。

本发明的工作流程：

将样品300固定浸入折射率匹配池311中。折射率匹配池311在匹配光在不同介质间的折射率不同的同时，也起到维持样品300活性的作用。所述折射率瓶匹配池311中的液体可为纯净水。

将浸泡有样品300的折射率匹配池311放置在所述扩束准直镜200和第一凸透镜400之间。

白光光源100发出白光光束，白光光束经扩束准直镜200扩大光束的直径后，穿过折射率匹配池311照射到样品300上，得到投影信号，带有投影信号的出射光透过第一透镜后，射向入射角为45°的分光镜500。

同时，激光光源110发出激光光束，所述激光光束穿过折射率匹配池311照射到样品300上，形成一个均匀的激光散斑场，得到散斑信号，得到散斑信号的出射光透过第一凸透镜400后，射向入射角为45°的分光镜500。

所述分光镜500将带有投影信号和散斑信号的光束分离，分成第一光束和第二光束。

所述第一光束为带有散斑信号的激光光束，所述第一光束进入第二凸透镜610，通过第二凸透镜610的出射光依次经过第一滤光片611和第三凸透镜612，所述第一远心镜头613采集透过第三凸透镜612的透射光，并将采集所得光束传输到第一CCD相机614。所述携带样品300的散斑信号的激光光束通过第一远心镜头613在第一CCD相机614上形成样品300的散斑图像，所述第一CCD相机614将所述散斑图像传输到电脑处理终端800进行保存和处理。

电脑处理终端800基于PCA算法的散斑血流成像方法，通过计算数据对整体的贡献大小，将原始散斑信号分离出样品300的静态散斑信号和动态散斑信号，计算出其成像参量，即动态信号比静态信号，建立二维血流分布图像。

基于PCA算法的散斑血流成像方法具体步骤如下：

设第一CCD相机614采集到的散斑图像大小为P*L＝500pixel*600line，其中P表示像素，L表示线，本实施例中一次连续采集10张散斑图像，即沿时间序列上的连续采集的散斑图像数量为N＝10。

依次抽取数据沿时间序列上的散斑图像中的散斑信号，构成了1*P*N的样本数据矩阵p，其数学表达式为：

求每行的平均值

将式(1-1)中每一行进行零均值化，即减去平均值得到矩阵X；

求出矩阵X对应的协方差矩阵

求出协方差矩阵的特征值及对应的特征向量；

将所述特征向量按其对应的特征值大小从上到下排列成矩阵Y，取贡献最大的前K行数据组成矩阵P₁；所述前K行组成矩阵P₁足以表示所述特征向量的整体数据，为样品300的背景信息，剩下的N–K行数据对于所述特征向量的整体数据而言为细节信息，在血流成像中，即表示动态的血流信号。

矩阵Y的前K行(K＜N)是产生样品300在所述样品300的背景信息下的静态散斑信号方差贡献最大的部分，取其为样品300的静态信号I_dc(x,z)，剩下的N-K行是动态散斑信号贡献最大的部分，为样品300的动态信号I_ac(x,z)；

二维血流分布图像的每一像素点的成像参量为动态信号与静态信号之比，即在主成分分析上，成像参量为该像素点的第K到第N成分之和除以前K行成分之和的值，数学表达式为：

其中PLSCI(x,z)为第x行像素点(x,z)的成像参量。每个像素点所获得的成像参量值作为每个像素点的灰度值，最终获得样品300的二维血流分布图像。

采用基于PCA算法的散斑血流成像方法成像速度快，在每个角度采集的图像张数少，提高采集速率。

所述第二光束为带着投影信号的白光光束，所述第二光束进入第四凸透镜710，通过第四凸透镜710的出射光依次经过第二滤光片711和第五凸透镜712，所述第二远心镜头713采集透过第五凸透镜712的透射光，并将采集所得的光束传输到第二CCD相机714。所述携带样品300的投影信号的白光光束通过第二远心镜头713在第二CCD相机714上形成样品300的投影图像。

所述第二CCD相机714将所述投影图像传输到电脑处理终端800进行保存和处理。电脑处理终端800对投影图像进行灰度色阶反转成像处理，得到样品300的二维组织吸收图像。

本发明实现激光白光双模态成像，采用分光式，减弱相机的积分效应造成的相机感光单元容易过饱和的影响。

利用伺服电机模块实现样品300的多角度转动，每次转动1.8°，实现样品300的360°采样。所述伺服电机模块与电脑处理终端800电连接，可以根据需要通过电脑处理终端800改变伺服电机模块转动的步距角。

伺服电机模块驱动样品300每次转动1.8°，第一CCD相机614和第二CCD相机714分别曝光一次，对样品300进行一次采集，第一CCD相机614每次采集N张散斑图像，本实施例N＝10。第二CCD相机714每次采集1张投影图像。所述样品300经过200次转动，每次转动角度为1.8°，得到散斑图像组和投影图像组。

综合样品300不同角度下采集所得的散斑图像组和投影图像组，得到不同角度下的二维血流分布图像组和二维组织吸收图像组，利用三维重建算法重建样品300的三维结构，得到三维血管组织结构脉络图。

设二维组织吸收图像为P(x,z)，将二维组织吸收图像P(x,z)和二维血流分布图像进行重建样品300的三维结构和得到三维血管组织结构脉络图，具体步骤如下：

基于传统的光学投影层析原理的三维重建算法，其表达式为：

将PLSCI(x,z)和P(x,z)代入式(1-4)和(1-5)，其中P(l,θ)是PLSCI(x,z)和P(x,z)的极坐标表达，其中f_m为S_L滤波器的最大截止频率，l为xcosθ+z sinθ，δ为δ函数。

根据公式(1-4)和(1-5)得到的Section(x,z)为光学投影层析成像重建的切片。将不同角度处理得到的二维血流分布图像PLSCI(x,z)的经过层析三维重建后对应的切片记为Section(x,z)₁，不同角度处理得到的二维组织吸收图像P(x,z)经过层析三维重建后对应的切片记为Section(x,z)₂，将两个不同的切片Section(x,z)₁和Section(x,z)₂融合，切片融合后获得具有血流信息和组织信息的断层，经过一系列断层重建成三维血流脉络和组织结构，实现双模态投影层析三维成像，得到三维血管组织结构脉络图。

所述重建样品300的三维结构和得到三维血管组织结构脉络图的过程可以通过三维软件amira实现。

本发明实现激光白光双模态成像，采用分光式OPT技术以及基于PCA算法的散斑血流成像方法，血流和组织同时成像，具有高时空分辨率的特点，有利于在同一生物样品300下同时实现血流和组织的采集和研究。同时不需要注射造影剂，减少对生物体的损害。

作为优化，所述第一CCD相机614和第二CCD相机714均为面阵CCD相机。面阵CCD相机测量图像较为直观。

作为优化，所述第一CCD相机614与电脑处理终端800之间设有第一图像采集卡，所述第二CCD相机714与电脑处理终端800之间设有第二图像采集卡。

所述第一图像采集卡和第二图像采集卡均为将CCD相机的图像数字信号转换成为电平信号，传输给电脑处理终端800。

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 (5)

1.一种分光式双模态投影层析组织血管成像方法，其特征在于，所述方法包括：

获得散斑图像组和投影图像组；

对散斑图像组进行主成分分析，得到二维血流分布图像组；

对投影图像组进行灰度色阶反转处理，得到二维组织吸收图像组；

基于光学投影层析成像原理，将得到的二维血流分布图像组和二维组织吸收图像组利用三维重建算法进行重建，得到三维血管组织结构脉络图；

其中，所述方法应用到一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置，所述装置包括白光光源、激光光源、扩束准直镜、样品、第一凸透镜、分光镜、第一检测光路、第二检测光路和电脑处理终端，所述样品固定浸泡在折射率匹配池中，所述折射率匹配池的上端设有驱动模块，所述驱动模块与样品固定连接，所述驱动模块带动样品同步转动，所述驱动模块与电脑处理终端电连接，所述激光光源位于所述白光光源的下方；

所述第一检测光路包括：第二凸透镜、第一滤光片、第三凸透镜、第一远心镜头和第一CCD相机，所述第二凸透镜、第一滤光片、第三凸透镜、第一远心镜头以及第一CCD相机沿着进光入射方向同轴依次排列；

所述第二检测光路包括：第四凸透镜、第二滤光片、第五凸透镜、第二远心镜头和第二CCD相机，所述第四凸透镜、第二滤光片、第五凸透镜、第二远心镜头以及第二CCD相机沿着进光入射方向同轴依次排列；

所述第一检测光路和第二检测光路相互垂直；

所述电脑处理终端分别与第一CCD相机和第二CCD相机电连接；

所述白光光源发出光束，光束经过扩束准直镜后，穿过折射率匹配池照射到样品上，出射光透过第一透镜后，射向入射角为45°的分光镜；

所述激光光源发出光束，光束穿过折射率匹配池照射到样品上，出射光透过第一透镜后，射向入射角为45°的分光镜；

分光镜将接收到的光束分成第一光束和第二光束，所述第一光束进入第二凸透镜，所述第二光束进入第四凸透镜；

其中，所述获得散斑图像组和投影图像组包括：

激光光源对样品进行360°照射，驱动模块驱动样品每次转动1.8°时，第一CCD相机对样品的散斑信号进行一次采集得到10张散斑图像，驱动模块驱动样品经过200次转动之后，第一CCD相机采集得到散斑图像组；

白光光源对样品进行360°照射，驱动模块驱动样品每次转动1.8°时，第二CCD相机对样品的投影信号进行一次采集得到1张投影图像，驱动模块驱动样品经过200次转动之后，第二CCD相机采集得到投影图像组。

2.根据权利要求1所述的一种分光式双模态投影层析组织血管成像方法，其特征在于，所述对散斑图像组进行主成分分析的方法包括：

基于PCA算法的散斑血流成像方法，散斑信号分离出样品的静态散斑信号和动态散斑信号，计算出成像参量，建立二维血流分布图像。

3.根据权利要求1所述的一种分光式双模态投影层析组织血管成像方法，其特征在于：所述第一CCD相机和第二CCD相机均为面阵CCD相机。

4.根据权利要求1所述的一种分光式双模态投影层析组织血管成像方法，其特征在于：所述第一CCD相机与电脑处理终端之间设有第一图像采集卡，所述第二CCD相机与电脑处理终端之间设有第二图像采集卡。

5.根据权利要求1所述的一种分光式双模态投影层析组织血管成像方法，其特征在于：所述驱动模块为伺服电机模块。