CN209751029U - 一种可选区高动态激光散斑血流成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型介绍了一种可选区高动态激光散斑血流成像装置及方法，包括激光光源、样品固定台、扩束镜、半反半透镜、第一CCD相机、第二CCD相机以及步进电机，采用多曝光的采集方式对原始散斑图像进行连续采集，解决了传统的激光散斑衬比成像方法中以固定曝光时间对原始散斑图像进行采集的不足。此外，本实用新型提供了一种双光路光学成像装置，其中定焦装置对所需成像样品进行全身血流成像，变焦装置可以对局部区域进行光学放大操作以得到局部血流图像，后期只要将将两个光学装置得到的图像进行融合，便可以得到成像分辨率更高的血流造影图像。在疾病的早期诊断、病情分析及药效在体的动态监测等领域将具有重要的意义。

Description

一种可选区高动态激光散斑血流成像装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像领域，尤其涉及一种可选取高动态激光散斑血流成像装置。

背景技术

激光散斑血流成像技术在生物医学研究领域应用广泛，提供了一种无需扫描的全场光学血流成像方法。这种成像系统使用激光对样品进行照射以产生散斑信号，然后使用高灵敏度耦合元件(CCD)接收物体发射出的散斑信号就能够获得全场二维的血流分布图像。散斑信号可以分为动态散斑和静态散斑，由散射粒子的运动引起散射粒子所在区域的散斑信号强度发生随机抖动的散斑信号称为动态散斑，反之散斑信号强度不发生随机抖动的为静态散斑。以一种激光散斑血流成像衬比分析方法[CN102429650A]为例，该实用新型专利公开了一种激光散斑成像的实验装置及方法。该系统是将激光光束照射到被测样品上，以相同的曝光时间和帧间隔时间连续采集N帧被测对象所反射的散斑图像。

曝光时间是相机成像的一个重要参数，由于生物样品不同部位的厚度存在差异，采用同个曝光时间对样品进行成像显然无法满足不同部位对所需曝光时间的要求。以基于曝光时间测定的激光散斑血流成像方法[CN103330557A]为例，该实用新型专利为针对所成像样品不同部位对所需曝光时间的要求提出了一种新的成像方法，采用一系列曝光时间分别对样品进行连续采集。

现有的最接近的利用多曝光对原始散斑图像进行采集的成像装置和方法中是通过使用CCD相机分别以不同曝光时间对目标监测点进行连续采集，随后将采集到的图像数据传输到计算机，通过利用公式计算出散射光强波动的自相关函数衰减时间的关系并进行拟合，最后得到一个曝光时间值，随后设置所得曝光时间对检测对象进行血流成像。这种方法是利用公式计算出最佳的曝光时间，再利用该曝光时间对所成像的样品进行成像。但这种方法要求所成像样品应具有均匀厚度，对于一些具有不同厚度的生物样品只用一个最佳的曝光时间显然无法满足不同部位对所需曝光时间要求，因此也就无法得到高信噪比的血流造影图像。

并且在现有的激光散斑血流成像装置中，大多都是采用固定的曝光时间或通过得到一系列曝光时间梯度下的最佳曝光时间对原始散斑图像进行连续采集。然而在对生物体进行全身的血流成像中，由于生物样品身上不同部位往往具有不同的厚度，且不同部位的血流信息有所差异，因此采用单个曝光时间可能无法满足不同部位对成像所需曝光时间的要求。

实用新型内容

针对现有的激光散斑血流成像技术存在的不足，本实用新型提供了一种可选区高动态激光散斑血流成像装置及方法。

为达到以上目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种可选区高动态激光散斑血流成像装置，包括激光光源、样品固定台、扩束镜、半反半透镜、第一CCD相机、第二CCD相机以及步进电机，其中所述激光光源发射激光光束经过所述扩束镜照射在所述样品固定台上的待测样品上，所述待测样品中的散射粒子对入射光发生散射并形成散斑后经所述半反半透镜分光形成反射光斑和透射光斑，所述反射光斑由所述第一CCD相机接收，所述透射光斑由所述第二CCD相机接收，所述第二CCD相机固定在所述步进电机上，所述步进电机能够在驱动器的控制下微小移动，所述第一CCD相机与所述第二CCD相机通过电缆线与外设的处理终端通信连接。

所述的第一CCD相机与所述的第二CCD相机均包含CMOS传感器组件。

本实用新型采用了双CCD相机组件，在获取全身血流影像的同时获取局部血流影像通过后期的数据处理能够融合成为分辨率更高的血流造影图像，简洁高效。

附图说明

图1为本实用新型一种可选区高动态激光散斑血流成像装置示意图；

具体实施方式

为方便本领域普通技术人员更好地理解本实用新型的实质，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细阐述。

结合图1，一种可选区高动态激光散斑血流成像装置，包括激光光源1、样品固定台2、扩束镜3、半反半透镜4、第一CCD相机5、第二CCD相机6以及步进电机7，先将整个装置固定在隔振光学平台上，接着将待测样品固定在样品台2上，打开激光光源1发出激光光束通过扩束镜实现激光的照射面积的扩大，同时也使激光照射更为均匀，随后，扩大的激光光束照射到待测样品上，待测样品中的散射粒子对入射光发生散射，散射光随后经过随机干涉在远场产生散斑，散斑信号通过半反半透镜后分别被处于两端的成像镜头接收，成像镜头将收集到的特定波长的荧光信号聚焦到CCD相机，CCD相机将接收到的光信号转化为电信号，再通过电缆线8将信号储存在采集卡，由采集卡将采集到的原始散斑图像传输到处理终端9进行后续的数据处理操作。

其中，本实用新型的成像系统为双成像系统。第一CCD相机5所在侧是固定不变的，作为本装置的定焦系统，主要是用来对成像样品进行全身血流成像的，在对待测样品的高动态范围成像时首先是使用相机对待测样品全身进行高动态范围的血流成像。第二CCD相机6所在侧是可以移动的，作为本装置的变焦系统。可选择所成像样品任意区域进行放大操作。第二CCD相机6固定在步进电机7上，在实验中可以通过控制步进电机7的微小运动以实现对所成像样品的精准对焦。通过这种对局部区域进行光学放大的操作我们可以得到血管信息更丰富的血流造影图像。由于局部放大后的图像和全身范围的图像中都有相同的大血管，再利用两者都存在的血流信息提取特征值并由此进行图像配准的操作，从而找到放大以后的图像在原图像中的位置，最后再通过图像融合的算法，将放大后的局部图像与全身血流图像进行融合，得到具有高空间分辨率的全身血流图像。

其中，原始激光散斑图像的获取以及数据处理的操作过程如下：

(1)分别计算不同曝光时间t_i条件下的激光散斑血流成像参量

在曝光时间t_i的条件下，假设相机每一个像素点所采集到的散斑信号强度为I(t)，其包含了背景光强、系统噪声以及运动血红细胞携带的动态散斑信号强度。所以，相机接收到的任一像素点的原始散斑信号强度可以表示为：

I(t)＝I₀+IN(t)+I_RBC(t)

其中，I₀为背景组织中的高散射介质产生的散射光强度，I_N(t)为噪声信号强度，I_RBC(t)为所成像生物样品中的动态散斑信号强度。

为得到更加清晰的血流造影图像，我们还需对原始散斑图像进行后续的数据处理操作：

对上述公式进行快速傅里叶变换即可得到散斑信号的频域分布。对散斑信号的频域分布进行分析可知，由于散射粒子的运动引起散射粒子所在区域的散斑信号强度发生随机抖动，其对应的散斑信号就可以看作是交流信号，主要是由各频率信号的叠加，其频率信号在整个频域范围内均有分布。而在忽略电子噪声的情况下，由于背景组织中没有血细胞穿过，其对应的散斑信号就可以看作是直流信号，主要分布在零频区域。然后再根据实验条件，设定频域窗口，而后分别对处于低频的静态信号和高频的动态信号进行逆傅里叶变换，从而获得时域静态和动态信号。将I_RBc(u)代表运动的散射粒子所对应的动态频域信号，I₀(u)表示背景高散射介质所对应的静态频域信号，采集帧率为f，滤波范围为f₀。将成像参量MD定义为动态信号强度与静态信号强度的比值，即动态散射粒子浓度可以表示为：

其中，MD(x,y)表示坐标为(x,y)像素位置重建图像的调制深度值。由此可以分别获得在单个曝光时间条件下的激光散斑血流图像。

(2)重构多曝光图像

采用图像融合算法对获得的不同曝光条件下的血流造影图像进行图像融合：

分别将曝光时间t₁，t₂，……，t_n条件下采集到的m帧图像进行上述操作，经处理得到的图像以B(t₁)，B(t₂)，B(t₃),……，B(t_n)表示，得到一个具有n张图像的集合。我们这里采用的是高频带的图像融合方法。高频系数融合采用的是基于像素点绝对值取大的原则，通过比较相邻图像像素点的绝对值，选择像素点绝对值大的一点作为融合后图像的像素值。最后能够得到一张具有高动态范围的血流造影图像。

(3)可选区图像放大并进行配准

在本实用新型中我们还引入了一种新的方法用于对局部区域图像放大操作以得到血管信息更为丰富的血流造影图像。根据所选区放大图像和全身图像中都存在的大血管的信息，利用图像配准的方法将放大的图像在原图像中所在的区域中定位出来，最后再利用图像融合的方法将局部放大以后的图像与全身图像进行融合，以得到成像分辨率更高的血流造影图像。

以上具体实施方式对本实用新型的实质进行了详细说明，但并不能以此来对本实用新型的保护范围进行限制。显而易见地，在本实用新型实质的启示下，本技术领域普通技术人员还可进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可选区高动态激光散斑血流成像装置，其特征在于：包括激光光源、样品固定台、扩束镜、半反半透镜、第一CCD相机、第二CCD相机以及步进电机，其中所述激光光源发射激光光束经过所述扩束镜照射在所述样品固定台上的待测样品上，所述待测样品中的散射粒子对入射光发生散射并形成散斑后经所述半反半透镜分光形成反射光斑和透射光斑，所述反射光斑由所述第一CCD相机接收，所述透射光斑由所述第二CCD相机接收，所述第二CCD相机固定在所述步进电机上，所述步进电机能够在驱动器的控制下微小移动，所述第一CCD相机与所述第二CCD相机通过电缆线与外设的处理终端通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种可选区高动态激光散斑血流成像装置，其特征在于：所述的第一CCD相机与所述的第二CCD相机均包含CMOS传感器组件。