CN111012319A - 皮肤血流和血管的监测成像方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种皮肤血流和血管的监测成像方法、系统及存储介质，方法包括：通过红外热像仪采集皮肤热图像；根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号；根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号；将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像，所述成像包括血管内皮调节功能成像、血管神经调节功能成像、血管肌源性调节功能成像以及皮肤血流分布成像。本发明不仅能够以较为经济的成本实现皮肤血流大面积的、抗干扰的、简单快捷的监测，而且可以对血管内皮、神经、肌源性等多种调节活动进行功能成像，可以用于外周血管结构和功能病变的早期检测，可广泛应用于医疗器械领域。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其是一种皮肤血流和血管的监测成像方法、系统及存储介质。
背景技术
皮肤血流的分布及其变化与人的身体状况密切相关，是反映血管、组织健康状态的重要指标。及时、准确地检测皮肤血流的变化对于血管内皮功能障碍、动脉粥样硬化等疾病的早期发现和治疗至关重要。
目前市面上有多种不同的皮肤血流监测技术，目前常用的皮肤血流监测技术如下：体积描记法通常用包裹在肢体周围的应变片来量化肢体的尺寸变化，其测量的是由于血容量变化而引起的肢体尺寸的体积变化；光体积描记法测量的是由于血容量变化而引起的光吸收的变化；超声、激光多普勒技术均是基于多普勒频移；激光散斑对比成像则利用了血流引起的反射激光散斑的时空变化特征；热学式方法主要利用了血流的热效应原理。上述皮肤血流监测技术与反应性充血测试原理的结合可以实现血管功能的测试。目前在临床上广泛应用的血管功能检测方法是通过超声测量肱动脉血流介导的血管舒张功能(flowmediated dilation,FMD)。
现有皮肤血流监测技术的主要缺点如下：体积描记法的主要缺点是只能反映测量肢体范围内整体血流的体积变化，不能获取表皮血流空间分布变化；接触点式激光多普勒血流仪的主要缺点是单点测量，不能获得表皮血流空间分布变化，而且对运动极度敏感，容易引入噪声干扰；超声技术同样对运动极度敏感，容易引入噪声干扰，而且操作需要专业技术人员；激光散斑对比成像的主要缺点是对运动极度敏感，需要在测量过程中固定受试者，价格昂贵，从而限制其在临床或实验室环境中的使用；热学式方法，如红外热成像，主要缺点是只能间接反映皮肤血流分布情况，容易受到环境温度、自身代谢产热的干扰；现有皮肤血流监测技术均需要结合反应性充血测试来完成血管功能测试。反应性充血测试一般需要对肱动脉进行加压闭塞，测试时间长，长时的缺血缺氧会引起测试者一定的不适感，不适合有严重动脉粥样硬化的患者进行操作。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种大面积的、抗干扰能力强且经济便捷的皮肤血流和血管的监测成像方法、系统及存储介质。
本发明所采取的第一种技术方案是：一种皮肤血流和血管的监测成像方法，包括以下步骤：通过红外热像仪采集皮肤热图像；根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号；根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号；将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像，所述成像包括血管内皮调节功能成像、血管神经调节功能成像、血管肌源性调节功能成像以及皮肤血流分布成像。
进一步，所述根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号这一步骤具体包括：根据所述皮肤热图像提取人体皮肤区域；根据提取人体皮肤区域后的图像进行逐帧配准得到各帧热图像点的对应关系。
进一步，所述根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号这一步骤具体包括：通过小波变换完成对所述图像预处理结果的温度信号时频分析；对时频分析结果进行幅值调整；对幅值调整的结果进行相位修正；通过小波反变换将相位修正后的结果进行信号重构。
进一步，所述通过小波变换完成对所述图像预处理结果的温度信号时频分析这一步骤具体包括：根据所述各帧热图像的点对应关系提取单点的皮肤温度时变信号；将所述时变信号通过连续小波变换得到温度信号小波系数。
进一步，所述通过小波反变换将相位修正后的结果进行信号重构这一步骤具体包括：获取所述相位修正后的血流信号小波系数；将所述血流信号小波系数通过小波反变换得到血流信号。
进一步，所述将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像这一步骤具体包括：将重构后的信号中的有效像素点进行滤波；将滤波后的信号按时间和空间坐标进行排布。
本发明所采取的第二种技术方案是：一种皮肤血流和血管的监测成像系统，包括：
图像采集模块，用于通过红外热像仪采集皮肤热图像；
图像预处理模块，用于根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号；
信号滤波模块，用于根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号；
皮肤血流功能成像模块，用于将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像，所述成像包括血管内皮调节功能成像、血管神经调节功能成像、血管肌源性调节功能成像以及皮肤血流分布成像。
进一步，所述图像采集模块输出端连接图像预处理模块的输入端，所述图像预处理模块的输出端连接信号滤波模块的输入端，所述信号滤波模块的输出端连接皮肤血流量和血管功能成像模块的输入端；
所述图像采集模块包括红外热像仪和图像采集工具；
所述图像预处理模块包括图像分割子模块和图像配准子模块；
所述信号滤波模块包括小波变换子模块、幅值相位调整子模块以及小波反变换子模块。
本发明所采取的第三种技术方案是：一种皮肤血流和血管的监测成像系统，包括：至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当所述至少一个程序被至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的皮肤血流和血管的监测成像方法。
本发明所采取的第四种技术方案是：一种存储介质，其中存储有可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的一种皮肤血流和血管的监测成像方法。
本发明的有益效果是：本发明基于血流热效应原理，通过小波滤波算法将皮肤温度时变信号转换为对应的皮肤血流信息，根据图像配准信息将滤波处理后的信号映射回不同帧相应的像素点以实现多种血管功能成像，本发明不仅能够以较为经济的成本实现皮肤血流大面积的、抗干扰的、简单快捷的监测，而且可以对血管内皮、神经、肌源性等多种调节活动进行功能成像，可以用于外周血管结构和功能病变的早期检测。
附图说明
图1为本发明具体实施例的一种皮肤血流和血管的监测成像方法步骤流程图；
图2为本发明具体实施例的一种皮肤血流和血管的监测成像系统架构示意图；
图3为本发明具体实施例的一种皮肤血流和血管的监测成像系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种皮肤血流和血管的监测成像方法，包括以下步骤：
S101、通过红外热像仪采集皮肤热图像；
具体的，图像采集前将红外热像仪与安装有配套图像采集工具的电脑相连，受试者进入图像采集室保持静息状态一段时间。在软件端设置好采集参数后将红外镜头对准受试者待测部位(如人手、足)，进行连续热成像，成像时间5～10分钟。热成像过程受试者尽量保持放松、静止状态。利用图像采集工具以一定频率连续获取热图像信息并存于计算机硬盘。
S102、根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号；
具体的，图像预处理包括图像分割和图像配准两个步骤，进行图像分割时，软件从采集的皮肤热图像中提取出人体皮肤区域并去除热图像背景像素；进行图像配准时，软件对采集到的热图像的不同帧进行匹配，消除运动干扰。
S103、根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号；
具体的，本实施例根据图像预处理的结果，通过小波变换，幅值相位调整和小波反变换完成热信号到血流信号的变换。
S104、将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像，所述成像包括血管内皮调节功能成像、血管神经调节功能成像、血管肌源性调节功能成像以及皮肤血流分布成像。
具体的，本实施例可以实现不同的血流成像功能，包括血管内皮调节功能成像、血管神经调节功能成像、血管肌源性调节功能成像以及皮肤血流分布成像。
作为进一步的优选实施方式，所述根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号这一步骤S102具体包括：
S1021、根据所述皮肤热图像提取人体皮肤区域；
S1022、根据提取人体皮肤区域后的图像进行逐帧配准得到各帧热图像点的对应关系。
具体的，利用阈值分割算法，将人体皮肤区域从采集的热图像中提取出来，去掉背景噪声；然后利用配准算法，将不同帧热图像的皮肤区域与指定的基准热图像(如第一帧)进行匹配，根据特征点和映射关系找到不同帧热图像的点对应关系，消除运动干扰。
作为进一步的优选实施方式，所述根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号这一步骤S103具体包括：
S1031、通过小波变换完成对所述图像预处理结果的温度信号时频分析；
S1032、对时频分析结果进行幅值调整；
S1033、对幅值调整的结果进行相位修正；
S1034、通过小波反变换将相位修正后的结果进行信号重构。
具体的，本实施例从进行匹配操作后的热图像提取出单点的皮肤温度时变信号，将所述时变信号通过连续小波变化得到温度信号小波系数，并对不同频率温度波动信号的幅值和相位进行修正，得到血流信号小波系数，将血流信号小波系数通过小波反变换得到血流信号，完成信号的重构。
作为进一步的优选实施方式，所述通过小波变换完成对所述图像预处理结果的温度信号时频分析这一步骤S1031具体包括：根据所述各帧热图像的点对应关系提取单点的皮肤温度时变信号；将所述时变信号通过连续小波变换得到温度信号小波系数。
作为进一步的优选实施方式，所述通过小波反变换将相位修正后的结果进行信号重构这一步骤S1034具体包括：获取所述相位修正后的血流信号小波系数；将所述血流信号小波系数通过小波反变换得到血流信号。
具体的，经图像预处理后，根据不同帧热图像的点对应关系，提取出单点的皮肤温度时变信号，记为T(t)。选择小波基函数φ(t)，对T(t)作连续复小波变换，得到小波系数W(a,b)，公式如下：
式中a为尺度因子，b为平移因子，t0为温度信号总时长，t为时间，
为小波基函数φ(t)的共轭。
血流热效应使得皮下血流量的变化产生热波，该热波向皮肤传播过程中波动幅值和相位变化与波动频率f、传播距离z、皮肤导热系数χ有关。根据热波传播理论，表皮温度波动相对于皮下热源波动的相差
和相对幅值CAMP(f,z)theoretical分别为：
根据上述公式(2)，对皮肤温度信号小波系数W(a,b)的幅值和相位分别进行调整，得到相应的血流信号小波系数WT→B(a,b)：
其中i为虚数单位。
最后对WT→B(a,b)进行小波反变换，重构出皮下血流信号：
作为进一步的优选实施方式，所述将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像S104这一步骤具体包括：
S1041、将重构后的信号中的有效像素点进行滤波；
S1042、将滤波后的信号按时间和空间坐标进行排布。
具体的，根据步骤S1034所重构出的皮下血流信号，所有有效像素点(即人体皮肤区域)并行作信号滤波，得到每一点对应的皮下血流信号B(i,j,t)，i，j对应该点在直角坐标系中的位置，t对应该点在时间轴上的位置。按照时、空坐标位置关系，将B(i,j,t)的值依次放入血流图像对应的每一帧、每一像素位置，完成皮下血流信息的恢复。
作为进一步的优选实施方式，所述将滤波后的信号按时间和空间坐标进行排布的成像，其具体包括血管内皮调节功能成像、血管神经调节功能成像、血管肌源性调节功能成像以及皮肤血流分布成像。
具体的，在公式(4)中根据尺度因子da的积分范围不同，可以实现不同的血流成像功能：
当积分范围对应调节周期50～105s时，实现血管内皮调节功能成像；
当积分范围对应调节周期20～50s时，实现血管神经调节功能成像；
当积分范围对应调节周期7～20s时，实现血管肌源性调节功能成像；
当积分范围为0～﹢∞时，实现皮肤血流分布成像。
本发明实施例还提供了一种皮肤血流和血管的监测成像系统，包括：
图像采集模块，用于通过红外热像仪采集皮肤热图像；
图像预处理模块，用于根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号；
信号滤波模块，用于根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号；
皮肤血流功能成像模块，用于将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像，所述成像包括血管内皮调节功能成像、血管神经调节功能成像、血管肌源性调节功能成像以及皮肤血流分布成像。
作为进一步的优选实施方式，所述图像采集模块输出端连接图像预处理模块的输入端，所述图像预处理模块的输出端连接信号滤波模块的输入端，所述信号滤波模块的输出端连接皮肤血流量和血管功能成像模块的输入端；
所述图像采集模块包括红外热像仪和图像采集工具；
所述图像预处理模块包括图像分割子模块和图像配准子模块；
所述信号滤波模块包括小波变换子模块、幅值相位调整子模块以及小波反变换子模块；
具体的、如图2所示，图像采集模块由红外热像仪和图像采集工具构成，用以对人体皮肤进行热成像并采集温度信息；
图像预处理模块的输入端与图像采集模块的输出端连接，图像预处理模块包括图像分割和图像配准两个子模块。图像分割子模块用以提取人体皮肤区域，去除热图像背景像素；图像配准子模块用以对不同帧图像进行匹配，消除运动干扰；
信号滤波模块的输入端与图像预处理模块的输出端相连接，包括小波变换、幅值相位调整和小波反变换三个子模块，用以完成热信号到血流信号的变换。小波变换子模块完成对温度信号的时频分析；幅值相位调整子模块完成对不同频率温度波动信号幅值和相位的修正；小波反变换子模块用于进行信号重构；
皮肤血流量和血管功能成像模块与信号滤波模块相连接，用以完成皮肤血流分布成像，以及血管内皮、神经和肌源性调节功能成像。
如图3所示，以对受试者双足进行热成像和分析为例，本实施例的具体实施过程为：
受试者进入图像采集室，脱掉鞋袜，静坐于椅子上，双足平放于地毯上。图像采集前受试者首先放松休息10分钟，然后将红外热像仪固定于三脚架上并调整位置对准受试者双足足背。开启热像仪和图像采集工具，调整热成像参数，开始对受试者双足进行连续热成像，成像时间5～10分钟。此过程受试者双足尽量保持无位移。热成像过程受试者尽量保持放松、静止状态。图像采集工具以一定频率连续获取热图像信息并存于计算机硬盘。
将连续采集的多帧热图像导入图像预处理模块。利用图像分割和配准算法，将足部区域从采集的热图像中提取出来，并将不同帧热图像与第一帧热图像进行匹配。
将预处理后的图像及配准信息导入信号滤波模块。由于在图像预处理过程已经通过图像配准确定了不同帧图像的像素点对应关系，因此在某一帧的某一点A可以在其它帧图像中根据对应关系找到与其空间位置相匹配的点，所有帧与点A相匹配的点构成一个时变的温度信号，利用公式(1)(2)(3)(4)先后对该信号进行小波变换、幅值相位修正和小波反变换，经上述滤波后得到皮下血流量信号。
对足部皮肤所有像素点作信号滤波，并按照时、空坐标位置关系，将滤波后的信号值依次放入图像对应的每一帧、每一像素位置，完成皮下血流信息的恢复。在50～105s调节周期实现血管内皮调节功能成像，在20～50s调节周期实现血管神经调节功能成像，在7～20s调节周期实现血管肌源性调节功能成像。
本发明实施例还提供了另一种皮肤血流和血管的监测成像系统，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的皮肤血流和血管的监测成像方法。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
此外，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的皮肤血流和血管的监测成像方法。
相较于现有技术，本发明一种所述的皮肤血流和血管的监测成像方法、系统及存储介质具有以下优点：
1)本发明与其他基于光电、声学的皮肤血流检测系统相比，红外热成像技术较为经济、不易引入运动伪影和噪声，抗干扰性较强；
2)本发明提出的图像预处理和小波滤波算法，能够从热图像中高度还原出皮下血流信息，使其具有血流成像功能；
3)本发明不仅能够提供大面积的皮肤血流量成像，而且能够根据时频特征，对外周皮肤微血管的内皮、神经、肌源性调节进行功能成像，避免肱动脉加压闭塞反应性充血引起测试者的缺血、缺氧和不适感；
4)本发明提出利用频谱分析技术把与血管内皮、神经和肌源性调节功能相关的信息分别从整体血流信息中提取、分离开来，实现血管功能成像，功能成像的结果可以为患者是否有必要进行下一步的反应性充血测试作初步的筛查。
对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明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做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种皮肤血流和血管的监测成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过红外热像仪采集皮肤热图像；
根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号；
根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号；
将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像，所述成像包括血管内皮调节功能成像、血管神经调节功能成像、血管肌源性调节功能成像以及皮肤血流分布成像。
2.根据权利要求1所述的一种皮肤血流和血管的监测成像方法，其特征在于，所述根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号这一步骤具体包括：
根据所述皮肤热图像提取人体皮肤区域；
根据提取人体皮肤区域后的图像进行逐帧配准得到各帧热图像点的对应关系。
3.根据权利要求1所述的一种皮肤血流和血管的监测成像方法，其特征在于，所述根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号这一步骤具体包括：
通过小波变换完成对所述图像预处理结果的温度信号时频分析；
对时频分析结果进行幅值调整；
对幅值调整的结果进行相位修正；
通过小波反变换将相位修正后的结果进行信号重构。
4.根据权利要求3所述的一种皮肤血流和血管的监测成像方法，其特征在于，所述通过小波变换完成对所述图像预处理结果的温度信号时频分析这一步骤具体包括：
根据所述各帧热图像的点对应关系提取单点的皮肤温度时变信号；
将所述时变信号通过连续小波变换得到温度信号小波系数。
5.根据权利要求3所述的一种皮肤血流和血管的监测成像方法，其特征在于，所述通过小波反变换将相位修正后的结果进行信号重构这一步骤具体包括：
获取所述相位修正后的血流信号小波系数；
将所述血流信号小波系数通过小波反变换得到血流信号。
6.根据权利要求1所述的一种皮肤血流和血管的监测成像方法，其特征在于，所述将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像这一步骤具体包括：
将重构后的信号中的有效像素点进行滤波；
将滤波后的信号按时间和空间坐标进行排布。
7.一种皮肤血流和血管的监测成像系统，其特征在于，包括：
图像采集模块，用于通过红外热像仪采集皮肤热图像；
图像预处理模块，用于根据所述皮肤热图像进行图像预处理获取热信号；
信号滤波模块，用于根据小波滤波算法将所述热信号转换为对应的血流信号；
皮肤血流功能成像模块，用于将所述血流信号映射成各帧的像素点完成血管功能成像，所述成像包括血管内皮调节功能成像、血管神经调节功能成像、血管肌源性调节功能成像以及皮肤血流分布成像。
8.根据权利要求7所述的一种皮肤血流和血管的监测成像系统，其特征在于，所述图像采集模块输出端连接图像预处理模块的输入端，所述图像预处理模块的输出端连接信号滤波模块的输入端，所述信号滤波模块的输出端连接皮肤血流量和血管功能成像模块的输入端；
所述图像采集模块包括红外热像仪和图像采集工具；
所述图像预处理模块包括图像分割子模块和图像配准子模块；
所述信号滤波模块包括小波变换子模块、幅值相位调整子模块以及小波反变换子模块。
9.一种皮肤血流和血管的监测成像系统，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-7任一项所述的皮肤血流和血管的监测成像方法。
10.一种存储介质，其中存储有可执行的指令，其特征在于，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-7任一项所述的一种皮肤血流和血管的监测成像方法。
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