CN113729672A - 一种手术显微镜用术中血流成像方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种手术显微镜用术中血流成像方法、装置，该方法包括如下步骤：S1、使用手术显微镜连续采集T帧原始散斑图像；S2、对于原始散斑图像中的任意一个像素点，使用空间‑时间窗像素点灰度数据构建初始反射光强矩阵；S3、基于初始反射光强矩阵获取对应像素点的单次和多次散射光强二阶中心矩；S4、遍历所有像素点，重复S2～S3；S5、基于单次和多次散射光强二阶中心矩计算各个像素点的单次和多次散射部分的衬比度值，并排列组成表征表层相对血流速度的单次散射衬比度图像以及表征深部相对血流速度的多次散射衬比图像。与现有技术相比，本发明将表层和深部血流信息分离，可以消除或降低部分生理性运动产生的成像伪迹。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其是涉及一种手术显微镜用术中血流成像方法。
背景技术
手术显微镜是一种重要的现代医疗设备，它的出现扩大了人眼的视觉范围，使临床医生更容易观察到各种病变。手术显微镜凭借其广泛的放大倍率选择、良好的照明、精密的机械结构、灵活的控制系统等优势，在神经外科、耳鼻喉科、牙科、眼科等领域得到了广泛的应用。传统手术显微镜仅能提供组织结构信息，无法实时获取血流血氧等生理功能信息，限制了其在精准手术中的应用。
激光散斑衬比成像(laser speckle contrast imaging，LSCI)作为一种简单且低成本的方法，可以获取整个视野的二维血流灌注图，并实时提供血流变化的动态描述，因此可以用作术中血流监测工具。目前临床已经使用静脉注射吲哚菁绿染料并结合荧光成像获得肿瘤和脉管系统血流的可视化影像，但该技术受制于染料注射代谢周期影响，且易出现假阳性的结果。与荧光成像相比，LSCI无需造影剂，因此可以在手术期间的任何时候按需使用。
传统LSCI通过计算衬比图像获得血流灌注的图像，其理论基础是成像信号来源是单次散射。在实际组织成像中，记录到的信号同时包含单次散射和多次散射光子，传统方法无法实现单次和多次散射光强的统计分离，亦无法获得术中组织表层和深层血管血流信息。若能实现分离，将显著提高手术显微镜在肿瘤等精准手术应用中的作用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种手术显微镜用术中血流成像方法、装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种手术显微镜用术中血流成像方法，该方法包括如下步骤：
S1、使用搭载了相干激光照明模块的手术显微镜连续采集T帧原始散斑图像；
S2、对于T帧原始散斑图像中的任意一个像素点，使用N×T的空间-时间窗像素点灰度数据构建初始反射光强矩阵，其中N为N1×N2的空间窗，N1、N2分别为空间窗横向、纵向像素点的个数，N＜T；
S3、基于初始反射光强矩阵获取对应像素点的单次散射光强二阶中心距和多次散射光强二阶中心矩；
S4、依次遍历原始散斑图像中的所有像素点，重复步骤S2～S3；
S5、基于单次散射光强二阶中心距和多次散射光强二阶中心矩分别计算各个像素点的单次和多次散射部分的衬比度值，并按照像素点位置排列组成表征表层相对血流速度的单次散射衬比度图像以及表征深部相对血流速度的多次散射衬比图像。
优选地，步骤S1中相干激光照明模块的激光束均匀照射在被观察的术中对象上。
优选地，步骤S2中构建初始反射光强矩阵的具体方式包括：
对于待构建初始反射光强矩阵的像素点，对T帧原始散斑图像分别进行大小为N1×N2空间窗像素点灰度数据采样得到T个空间窗灰度矩阵；
将T个空间窗灰度矩阵分别转换为列向量；
按时间顺序依次排列T个列向量，构建初始反射光强矩阵RH。
优选地，步骤S3具体包括：
S31、将初始反射光强矩阵转换为协方差矩阵；
S32、对协方差矩阵进行特征值分解；
S33、利用最小的特征值和
分布计算多次散射光强二阶中心矩；
S34、基于初始反射光强矩阵的二阶中心矩和多次散射光强二阶中心矩计算单次散射光强二阶中心距。
优选地，步骤S31协方差矩阵通过下式获得：
WH为协方差矩阵，RH为初始反射光强矩阵，
矩阵与RH维度相同，
中的元素值为RH矩阵中对应位置元素所在列的均值，
为
的转置矩阵。
优选地，步骤S32对协方差矩阵进行特征值分解表示为：
WH＝UλU-1
WH为协方差矩阵，λ是对角阵，λ主对角线上的元素为协方差矩阵WH的特征值，U为正交矩阵,U的每一列均为特征向量，U-1为U的逆矩阵。
优选地，步骤S33多次散射光强二阶中心矩通过下式获得：
Q＝T/N
优选地，步骤S34单次散射光强二阶中心距通过下式获得：
其中，
为单次散射光强二阶中心距，
为初始反射光强矩阵的二阶中心矩，
为多次散射光强二阶中心矩。
优选地，步骤S5中各个像素点的单次和多次散射部分的衬比度值通过下式获得：
其中，KS为单次散射部分的衬比度值，KM为多次散射部分的衬比度值，
为
的平方根，
为
的平方根，
为单次散射光强二阶中心距，
为多次散射光强二阶中心矩，μ为像素点在T帧原始散斑图像中像素点灰度数据的均值。
一种手术显微镜用术中血流成像装置，包括存储器和处理器，所述的存储器用于存储计算机程序，所述的处理器用于当执行所述计算机程序时，实现所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明方法实现了单次和多次散射光强的统计分离，可以获取更为纯净的表层血管统计特性和血流信息，呈现更好的成像效果(单次散射部分)；可以呈现组织内较深部血管统计特性和血流信息，同时有效去除表面反光点(多次散射部分)；由于随机矩阵对刚性运动不敏感，因此本发明可以消除或降低部分生理性运动(呼吸、心跳等)产生的成像伪迹。
附图说明
图1为本发明一种手术显微镜用术中血流成像方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种手术显微镜用术中血流成像方法，该方法包括如下步骤：
S1、使用搭载了相干激光照明模块(中心波长785nm，功率20mW)的手术显微镜连续采集T帧原始散斑图像，其中，相干激光照明模块的激光束均匀照射在被观察的术中对象上，来自于散射粒子(如血红细胞)的背向散射光经过手术显微镜的光学系统被近红外相机采集，本实施例中共采集T＝30帧原始激光散斑图像。
S2、对于T帧原始散斑图像中的任意一个像素点，使用N×T的空间-时间窗像素点灰度数据构建初始反射光强矩阵，其中N为N1×N2的空间窗，N1、N2分别为空间窗横向、纵向像素点的个数，N＜T，本实施例中设定N＝9，N1＝N2＝3。
此步骤中构建初始反射光强矩阵的具体方式包括：
对于待构建初始反射光强矩阵的像素点，对T帧原始散斑图像分别进行大小为N1×N2空间窗像素点灰度数据采样得到T个空间窗灰度矩阵；
将T个空间窗灰度矩阵分别转换为列向量；
按时间顺序依次排列T个列向量，构建初始反射光强矩阵RH。
S3、基于初始反射光强矩阵获取对应像素点的单次散射光强二阶中心距和多次散射光强二阶中心矩，具体包括：
S31、将初始反射光强矩阵转换为协方差矩阵；
S32、对协方差矩阵进行特征值分解；
S33、利用最小的特征值和
分布计算多次散射光强二阶中心矩；
S34、基于初始反射光强矩阵的二阶中心矩和多次散射光强二阶中心矩计算单次散射光强二阶中心距。
步骤S31协方差矩阵通过下式获得：
WH为协方差矩阵，RH为初始反射光强矩阵，
矩阵与RH维度相同，
中的元素值为RH矩阵中对应位置元素所在列的均值，
为
的转置矩阵。
步骤S32对协方差矩阵进行特征值分解表示为：
WH＝UλU-1
WH为协方差矩阵，λ是对角阵，λ主对角线上的元素为协方差矩阵WH的特征值，U为正交矩阵,U的每一列均为特征向量，且UU′为单位矩阵，U-1为U的逆矩阵,U′为U的转置矩阵。
由于反射式激光散斑成像系统采集到的背向散射光同时包含单次散射光和多次散射光，所以协方差矩阵WH可以表示为下式：
WH＝WS+WM
上式中，矩阵WS代表单次散射部分，矩阵WM代表多次散射部分。
由于光在组织中多次散射的特性，矩阵WM为Wishart随机矩阵，符合
分布，当T/N＝Q≥1时，其特征值的概率密度函数如下式：
上式中，λ±是矩阵WM特征值的上下边界，其与矩阵WM的方差
的关系如下式：
如果矩阵WM的四阶矩是有限的，当帧数T趋于无穷时，矩阵MM的最小特征值与下边界λ_近似相等；当空间窗的像素数N和帧数T均趋于无穷时，矩阵WH的最小特征值和矩阵WM的最小特征值近似相等。
因此，步骤S33多次散射光强二阶中心矩通过下式获得：
Q＝T/N
对矩阵WH的迹进行分解，如下式：
二阶中心矩和矩阵的迹关系如下式：
当空间窗的像素数N和帧数T均趋于无穷时，有如下关系式：
由此，步骤S34中单次散射光强二阶中心距通过下式获得：
其中，
为单次散射光强二阶中心距，
为初始反射光强矩阵的二阶中心矩，
为多次散射光强二阶中心矩。
S4、依次遍历原始散斑图像中的所有像素点，重复步骤S2～S3；
S5、基于单次散射光强二阶中心距和多次散射光强二阶中心矩分别计算各个像素点的单次和多次散射部分的衬比度值，并按照像素点位置排列组成表征表层相对血流速度的单次散射衬比度图像以及表征深部相对血流速度的多次散射衬比图像。此步骤中，各个像素点的单次和多次散射部分的衬比度值通过下式获得：
其中，KS为单次散射部分的衬比度值，KM为多次散射部分的衬比度值，
为
的平方根，
为
的平方根，
为单次散射光强二阶中心距，
为多次散射光强二阶中心矩，μ为像素点在T帧原始散斑图像中像素点灰度数据的均值。
本发明与其他集成了LSCI的手术显微镜系统相比，在采用相同的曝光时间、增益、采集帧数及帧速率时，可以获取更为纯净的表层血管统计特性和血流信息，呈现更好的成像效果(单次散射部分)；可以呈现组织内较深部血管统计特性和血流信息，同时有效去除表面反光点(多次散射部分)；由于随机矩阵对刚性运动不敏感，因此本发明可以消除或降低部分生理性运动(呼吸、心跳等)产生的成像伪迹。
实施例2
本实施例提供一种手术显微镜用术中血流成像装置，包括存储器和处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于当执行所述计算机程序时实现实施例1中提供的一种手术显微镜用术中血流成像方法，此方法在实施例1中已具体说明，本实施例中不再赘述。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
Claims (10)
1.一种手术显微镜用术中血流成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、使用搭载了相干激光照明模块的手术显微镜连续采集T帧原始散斑图像；
S2、对于T帧原始散斑图像中的任意一个像素点，使用N×T的空间-时间窗像素点灰度数据构建初始反射光强矩阵，其中N为N1×N2的空间窗，N1、N2分别为空间窗横向、纵向像素点的个数，N＜T；
S3、基于初始反射光强矩阵获取对应像素点的单次散射光强二阶中心距和多次散射光强二阶中心矩；
S4、依次遍历原始散斑图像中的所有像素点，重复步骤S2～S3；
S5、基于单次散射光强二阶中心距和多次散射光强二阶中心矩分别计算各个像素点的单次和多次散射部分的衬比度值，并按照像素点位置排列组成表征表层相对血流速度的单次散射衬比度图像以及表征深部相对血流速度的多次散射衬比图像。
2.根据权利要求1所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法，其特征在于，步骤S1中相干激光照明模块的激光束均匀照射在被观察的术中对象上。
3.根据权利要求1所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法，其特征在于，步骤S2中构建初始反射光强矩阵的具体方式包括：
对于待构建初始反射光强矩阵的像素点，对T帧原始散斑图像分别进行大小为N1×N2空间窗像素点灰度数据采样得到T个空间窗灰度矩阵；
将T个空间窗灰度矩阵分别转换为列向量；
按时间顺序依次排列T个列向量，构建初始反射光强矩阵RH。
4.根据权利要求1所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31、将初始反射光强矩阵转换为协方差矩阵；
S32、对协方差矩阵进行特征值分解；
S33、利用最小的特征值和
分布计算多次散射光强二阶中心矩；
S34、基于初始反射光强矩阵的二阶中心矩和多次散射光强二阶中心矩计算单次散射光强二阶中心距。
5.根据权利要求4所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法，其特征在于，步骤S31协方差矩阵通过下式获得：
WH为协方差矩阵，RH为初始反射光强矩阵，
矩阵与RH维度相同，
中的元素值为RH矩阵中对应位置元素所在列的均值，
为
的转置矩阵。
6.根据权利要求4所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法，其特征在于，步骤S32对协方差矩阵进行特征值分解表示为：
WH＝UλU-1
WH为协方差矩阵，λ是对角阵，λ主对角线上的元素为协方差矩阵WH的特征值，U为正交矩阵，U的每一列均为特征向量，U-1为U的逆矩阵。
7.根据权利要求4所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法，其特征在于，步骤S33多次散射光强二阶中心矩通过下式获得：
Q＝T/N
8.根据权利要求4所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法，其特征在于，步骤S34单次散射光强二阶中心距通过下式获得：
其中，
为单次散射光强二阶中心距，
为初始反射光强矩阵的二阶中心矩，
为多次散射光强二阶中心矩。
9.根据权利要求1所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法，其特征在于，步骤S5中各个像素点的单次和多次散射部分的衬比度值通过下式获得：
其中，KS为单次散射部分的衬比度值，KM为多次散射部分的衬比度值，
为
的平方根，
为
的平方根，
为单次散射光强二阶中心距，
为多次散射光强二阶中心矩，μ为像素点在T帧原始散斑图像中像素点灰度数据的均值。
10.一种手术显微镜用术中血流成像装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述的存储器用于存储计算机程序，所述的处理器用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1～9任意一项所述的一种手术显微镜用术中血流成像方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211203 |