CN112545456A - 一种皮肤不同深度血流灌注实时监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种皮肤不同深度血流灌注实时监测方法及系统，其主要实现步骤是：1、待监测皮肤区域的反射光分光；2、采集反射光的图像信息，计算待监测皮肤区域图像中各个像素点随时间变化的血容积信号；3、采集透射光各个谱段的图像信息，计算待监测皮肤区域图像中各个谱段下的光谱脉搏波信号；4、将各个谱段脉搏波信号与血容积信号做互相关运算，得到待监测皮肤区域不同深度下的血流灌注图。通过本发明实现了对皮肤组织不同深度血流灌注的监测，大大拓展了基于成像法的血流灌注监测的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种皮肤血流灌注监测技术，具体涉及一种皮肤不同深度血流灌注实时监测方法及系统。
背景技术
皮肤血流灌注反映着单位时间内流过皮肤血液量的多少，是衡量皮肤组织愈合、微循环、代谢等过程的重要指标，在健康监测、精神状态评估以及外科护理等领域有重要的应用价值。目前在实际应用中较为广泛可用于皮肤血流灌注监测的相关方法和技术包括激光散斑衬比成像和激光多普勒成像等。但是它们的共同缺点是设备复杂且昂贵。同时市场还有一些利用低廉的成像方法可以实现皮肤血流灌注的非接触、便携式监测，但是这些方法无法实时获取皮肤不同深度的血流灌注情况，致使其无法在皮肤深度方向上更精确地反映不同层的血流灌注特性，且不能实时对血流灌注进行监测，从而限制了这些方法在实际应用中的适用范围。
发明内容
为了解决背景技术中现有方法无法实时获取皮肤不同深度的血流灌注情况，致使其无法在皮肤深度方向上更精确地反映不同层的血流灌注特性，以及不能实时对血流灌注进行监测的问题，本发明提供了一种皮肤不同深度血流灌注实时监测方法及系统。
本发明的具体技术方案是：
提供了一种皮肤不同深度血流灌注实时监测方法，包括以下步骤：
步骤1：待监测皮肤区域的反射光分光；
白光光源照射待监测皮肤区域，由皮肤组织反射后的光经过分束为一路反射光和一路透射光；
步骤2：采集反射光的图像信息，计算待监测皮肤区域图像中各个像素点随时间变化的血容积信号；
步骤3：采集透射光各个谱段的图像信息，计算待监测皮肤区域图像中各个谱段下的光谱脉搏波信号；
步骤4：将各个谱段脉搏波信号与血容积信号做互相关运算，获得互相关系数，所得互相关系数经过像素重排后得到待监测皮肤区域不同谱段下的血流灌注图，不同谱段对应着待监测皮肤区域的不同深度。
进一步地，所述步骤2中各像素点血容积信号的具体获取过程为：
步骤2.1：采用相互重叠的区域平均计算方法计算反射光图像中各像素点的灰度变化信号PPG(i,j,t)，具体计算公式如下：
式中，i和j表示反射光图像中x和y方向的像素点坐标；
m，n表示所求平均的区域大小，
I表示t时刻的图像，M,N表示图像I的大小；
步骤2.2：对各像素点的灰度变化信号进行0.5Hz–3Hz范围的巴特沃斯滤波，获得各像素点的血容积信号，具体计算公式如下：
PPGf(i,j,t)＝filtfilt(b,a,PPG(i,j,t))
[b,a]＝butter(4,2*[0.5 3]/Fs)
式中，Fs为视频相机采集帧率，b和a为巴特沃斯滤波系数，filtfilt为零相移滤波器。
进一步地，上述步骤3中各个谱段下的光谱脉搏波信号的具体获取过程为：透射光图像是由红到蓝的光谱混叠的视频图像，对混叠图像相近颜色区域求均值以获得各颜色的光谱脉搏波信号，光谱脉搏波信号数由皮肤分层数决定，具体计算公式如下：
式中，λ表示颜色，λ1表示蓝光，λn表示红光，d表示光谱展开像素数，c表示需要区分的光谱通道数，即光谱信号个数。
进一步地，上述步骤4中通过各像素点血容积信号和各谱段下光谱脉搏波信号在时间T内做互相关运算的具体计算公式如下：
[C(i,j,λ),L(i,j,λ)]＝XCORR(PPGf(i,j,t),PPG(λ,t))
式中，C(i,j,λ)为互相关系数，L(i,j,λ)表示相位延迟，XCORR表示互相关。
本发明提供了一种皮肤不同深度血流灌注实时监测系统，用于实现上述方法，该监测系统包括白光光源、分束镜、前置物镜、狭缝、准直镜、闪耀光栅、第一视频成像相机、第二视频成像相机以及数据处理单元；
白光光源照射待测皮肤区域；
由皮肤组织反射后的光经过分束镜分为一路反射光和一路透射光；
反射光的光路上设置第一视频成像相机，用于连续采集待监测皮肤区域的反射光图像；
透射光的光路上依次设置前置物镜、狭缝、准直镜、闪耀光栅以及第二视频成像相机；
透射光进入前置物镜成像在狭缝处，经过狭缝的光经准直镜变为平行光，再经过闪耀光栅进行光谱分光，最后由第二视频成像相机完成待监测皮肤区域的光谱图像采集，所获得的光谱图像是狭缝区域对应的皮肤组织光谱展开像；
数据处理单元分别与第一视频成像相机、第二视频成像相机相连接，通过获得的待监测皮肤区域的反射光图像计算血容积信号，通过获得的待监测皮肤区域的光谱图像计算光谱脉搏波信号，最后将血容积信号和光谱脉搏波信号进行做互相关运算，所得互相关系数经过像素重排后得到待监测皮肤区域不同深度下的血流灌注图。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的皮肤不同深度血流灌注监测方法，通过将待测皮肤区域的反射光分为一路反射光和一路透射光，并利用反射光图像计算血容积信号，利用透射光图像计算光谱脉搏波信号，并将血容积信号和光谱脉搏波信号做互相关运算，通过获得的互相关系数经过像素重排后得到待监测皮肤区域不同深度下的血流灌注图，实现了的对皮肤组织不同深度血流灌注的监测，大大拓展了基于成像法的血流灌注监测的适用范围。
2、本发明的装置通过将待监测皮肤区域的反射光一分为二，同时第一视频成像相机和第二视频成像相机同步工作以保证视频图像的同步、实时采集，从而实现了对皮肤不同深度血流灌注的实时监测，进一步的提升了基于成像法的血流灌注监测的适用范围。
附图说明
图1为皮肤不同深度血流灌注实时监测系统的结构示意图。
图2为皮肤不同深度血流灌注实时监测流程图。
图3为反射光图像计算血容积信号过程示意图。
图4为透射光图像计算光谱脉搏波信号过程示意图。
图5为获取不同深度血流灌注图过程的示意图。
附图标记如下：
1-白光光源、2-分束镜、3-前置物镜、4-狭缝、5-准直镜、6-闪耀光栅、7-第一视频成像相机、8-第二视频成像相机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是电连接，或者是两者之间的相互通讯。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的基本实现方法为：
1、白光光源照射待监测皮肤区域，由皮肤组织反射后的光经过分束为一路反射光和一路透射光；
2、采集反射光的图像信息，计算待监测皮肤区域图像中各个像素点随时间变化的血容积信号；
3、采集透射光各个谱段的图像信息，计算待监测皮肤区域图像中各个谱段下的光谱脉搏波信号；
4、将各个谱段脉搏波信号与血容积信号做互相关运算，获得互相关系数，所得互相关系数经过像素重排后得到待监测皮肤区域不同深度的血流灌注图。
本实施例提供了一种皮肤不同深度血流灌注实时监测系统，如图1所示，包括白光光源1、分束镜2、前置物镜3、狭缝4、准直镜5、闪耀光栅6、第一视频成像相机7、第二视频成像相机8以及数据处理单元；
白光光源1照射待监测皮肤区域后反射的光，经分束镜2分为一路反射光和一路透射光；
反射光的光路上设置第一视频成像相机7；
透射光上依次设置前置物镜3、狭缝4、准直镜5、闪耀光栅6以及第二视频成像相机8；
第一视频成像相机7、第二视频成像相机8将各自采集的图像发送至数据处理单元，数据处理单元利用反射光图像和透射光图像计算获得不同皮肤深度下的血流灌注图。
基于上述对监测系统光路结构的描述，现对其获取不同皮肤深度下血流灌注图的具体实现过程进行详细描述，参见图2：
白光光源照射待监测皮肤区域后反射的光，经分束镜分为一路反射光和一路透射光；
反射光图像直接被第一视频成像相机接收；
透射光经前置物镜成像至狭缝处，再经准直镜将经过狭缝的待测皮肤组织的像准直为平行光，后经闪耀光栅将各个谱段展开，最后由第二视频成像相机完成对各个谱段的透射光图像的采集；
第一视频成像相机、第二视频成像相机将各自采集的图像发送至数据处理单元。
数据处理单元利用反射光图像计算各个像素点随时间变化的血容积信号，具体计算方法如图3所示，皮肤各像素点灰度值随时间的变化表征了皮肤组织内血容积的变化，鉴于灰度值变化幅值较小，为进一步有效提取微弱的血容积信号，采用相互重叠的区域平均计算方法反射光图像中各像素点的灰度变化信号PPG(i,j,t)，具体计算公式如下：
式中，i和j表示反射光图像中x和y方向的像素点坐标；
m，n表示所求平均的区域大小，
I表示t时刻的图像，M,N表示图像I的大小；
之后再对各像素点的灰度变化信号PPG(i,j,t)进行0.5Hz–3Hz范围的巴特沃斯滤波以消除运动伪迹、噪声等非脉动因素的干扰，获得各像素点的血容积信号，具体计算公式如下：
PPGf(i,j,t)＝filtfilt(b,a,PPG(i,j,t))
[b,a]＝butter(4,2*[0.5 3]/Fs)
式中，Fs为视频相机采集帧率，b和a为巴特沃斯滤波系数，filtfilt为零相移滤波器；
数据处理单元利用通过获得的待监测皮肤区域的各个谱段的透射光图像计算光谱脉搏波信号，如图4所示，由于所获得的各个谱段的透射光图像是由红到蓝的光谱混叠的图像，对混叠图像相近颜色区域求均值以获得各谱段的光谱脉搏波信号(图4中的矩形框即表示计算不同颜色脉搏波信号时所选取的求平均区域)，光谱脉搏波信号数由皮肤分层数决定，具体计算公式如下：
式中，λ表示颜色，λ1表示蓝光，λn表示红光，d表示光谱展开像素数，c表示需要区分的光谱通道数，即光谱信号个数。
最后，数据处理单元利用各像素点的血容积信号与各个谱段下的光谱脉搏波信号做互相关运算，所得互相关系数经过像素重排后得到待监测皮肤区域不同深度下的血流灌注图，如图5所示，利用获得的各个像素点的脉搏波信号和光谱脉搏波信号在时间T内做互相关运算，计算公式如下：
[C(i,j,λ),L(i,j,λ)]＝XCORR(PPGf(i,j,t),PPG(λ,t))
式中，C(i,j,λ)为互相关系数，L(i,j,λ)表示相位延迟，XCORR表示互相关。
所得互相关系数经过像素重排后得到与图像大小一致的血流灌注图，不同颜色表征了皮肤不同层的血流灌注图，例如蓝光、绿光和红光分别表征了表层、中层和深层的血流灌注图。本实施例中两台视频成像相机同步控制以保证前述视频图像的同步、实时采集，从而实现了对皮肤不同深度血流灌注的实时监测。
Claims (5)
1.一种皮肤不同深度血流灌注实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：待监测皮肤区域的反射光分光；
白光光源照射待监测皮肤区域，由皮肤组织反射后的光经过分束为一路反射光和一路透射光；
步骤2：采集反射光的图像信息，计算待监测皮肤区域图像中各个像素点随时间变化的血容积信号；
步骤3：采集透射光各个谱段的图像信息，计算待监测皮肤区域图像中各个谱段下的光谱脉搏波信号；
步骤4：将各个谱段脉搏波信号与血容积信号做互相关运算，获得互相关系数，所得互相关系数经过像素重排后得到待监测皮肤区域不同谱段下的血流灌注图，不同谱段对应着待监测皮肤区域的不同深度。
2.根据权利要求1所述的皮肤不同深度血流灌注实时监测方法，其特征在于：所述步骤2中各像素点血容积信号的具体获取过程为：
步骤2.1：采用相互重叠的区域平均计算方法计算反射光图像中各像素点的灰度变化信号PPG(i，j，t)，具体计算公式如下：
式中，i和j表示反射光图像中x和y方向的像素点坐标；
m，n表示所求平均的区域大小，
I表示t时刻的图像，M，N表示图像I的大小；
步骤2.2：对各像素点的灰度变化信号进行0.5Hz-3Hz范围的巴特沃斯滤波，获得各像素点的血容积信号，具体计算公式如下：
PPGf(i，j，t)＝filtfilt(b，a，PPG(i，j，t))
[b，a]＝butter(4，2*[0.53]/Fs)
式中，Fs为视频相机采集帧率，b和a为巴特沃斯滤波系数，filtfilt为零相移滤波器。
3.根据权利要求2所述的皮肤不同深度血流灌注实时监测方法，其特征在于：所述步骤3中各个谱段下的光谱脉搏波信号的具体获取过程为：透射光图像是由红到蓝的光谱混叠的视频图像，对混叠图像相近颜色区域求均值以获得各颜色的光谱脉搏波信号，光谱脉搏波信号数由皮肤分层数决定，具体计算公式如下：
式中，λ表示颜色，λ1表示蓝光，λn表示红光，d表示光谱展开像素数，c表示需要区分的光谱通道数，即光谱信号个数。
4.根据权利要求3所述的皮肤不同深度血流灌注实时监测方法，其特征在于：所述步骤4中通过各像素点血容积信号和各谱段下光谱脉搏波信号在时间T内做互相关运算的具体计算公式如下：
[C(i，j，λ)，L(i，j，λ)]＝XCORR(PPGf(i，j，t)，PPG(λ，t))
式中，C(i，j，λ)为互相关系数，L(i，j，λ)表示相位延迟，XCORR表示互相关。
5.一种皮肤不同深度血流灌注实时监测系统，其特征在于：包括白光光源、分束镜、前置物镜、狭缝、准直镜、闪耀光栅、第一视频成像相机、第二视频成像相机以及数据处理单元；
白光光源照射待测皮肤区域；
由皮肤组织反射后的光经过分束镜分为一路反射光和一路透射光；
反射光的光路上设置第一视频成像相机，用于连续采集待监测皮肤区域的反射光图像；
透射光的光路上依次设置前置物镜、狭缝、准直镜、闪耀光栅以及第二视频成像相机；
透射光进入前置物镜成像在狭缝处，经过狭缝的光经准直镜变为平行光，再经过闪耀光栅进行光谱分光，最后由第二视频成像相机完成待监测皮肤区域的光谱图像采集，所获得的光谱图像是狭缝区域对应的皮肤组织光谱展开像；
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