專利名稱：微循環(huán)圖象處理及多參數(shù)測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于研究人體毛細(xì)血管和微血管血液循環(huán)的儀器，屬醫(yī)療器械領(lǐng)域。
微循環(huán)主要研究流動血液及組織液的理化性質(zhì)和流變特性，微血管的結(jié)構(gòu)、形態(tài)及其功能調(diào)節(jié)，微血管、毛細(xì)血管、淋巴管周圍的組織結(jié)構(gòu)及其相互作用，以及微循環(huán)與整個循環(huán)系統(tǒng)之間的聯(lián)系。中國專利ZL85201718提出了一種微循環(huán)多參數(shù)綜合測試儀，能測量微血管血流速度，微血管直徑、面積和紅細(xì)胞比積，其儀器框圖如圖1所示。該儀器利用電視信號產(chǎn)生采樣窗口信號，通過窗口信號控制對微循環(huán)電視圖象信號的采樣，經(jīng)過處理，測得微循環(huán)的四個參數(shù)。該儀器提出了自跟蹤窗技術(shù)，能夠較準(zhǔn)確地提取血管中的血流信號。但隨著微循環(huán)研究及臨床使用的發(fā)展需要，對測量的范圍、參數(shù)和測量的準(zhǔn)確度提出更高的要求，僅測量一個或幾個參數(shù)的儀器已不能滿足需要，采得的不是全部微循環(huán)圖象信息且不能存儲，對信號的處理比較簡單，測量結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確度不夠，應(yīng)用受到限制。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種對微循環(huán)進(jìn)行窗口系列動態(tài)圖象的實時采集、存儲和顯示，對測量目標(biāo)能進(jìn)行多窗口、多部位雙向跟蹤的儀器。該儀器與微機組成微循環(huán)圖象處理及多參數(shù)測量系統(tǒng)，把圖象處理及計算機技術(shù)應(yīng)用于微循環(huán)的研究和測量，得出微循環(huán)的動態(tài)特性及多種參數(shù)，并提高微循環(huán)參數(shù)測量的范圍、可靠性和準(zhǔn)確度。本發(fā)明的另一目的是將整個測試系統(tǒng)設(shè)計成主從機結(jié)構(gòu)形式，使微循環(huán)圖象處理及多參數(shù)測量儀便于與不同型號的微型計算機聯(lián)機運行，有利于該儀器的推廣使用。
本測量儀由從處理機，窗口發(fā)生電路，圖象采集、存儲、輸出電路以及同步信號產(chǎn)生電路等部分組成。


1.已有技術(shù)框圖2.微循環(huán)圖象處理及多參數(shù)測量儀框圖3.窗口系列動態(tài)圖象實時采集、存儲和顯示電路4.窗口發(fā)生及自跟蹤測量目標(biāo)電路5.窗口跟蹤示意圖6.可編程視頻同步信號發(fā)生電路7.測量系統(tǒng)框圖下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹發(fā)明內(nèi)容。
一.微循環(huán)圖象處理及多參數(shù)測量儀總體敘述如圖2所示，本測量儀由從處理機，窗口系列動態(tài)圖象實時采集、儲存、顯示電路，窗口發(fā)生及自跟蹤目標(biāo)電路以及同步信號發(fā)生電路等幾部分組成。
本儀器工作時，由從處理機接收主機來的命令和數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行具體的控制和處理。
主機執(zhí)行窗口功能時，主機向從機發(fā)送窗口功能的命令，從機執(zhí)行窗口程序，主機通過按鍵修改窗口參數(shù)，傳至從機，從機根據(jù)參數(shù)，通過可編程窗口發(fā)生器，改變窗口數(shù)據(jù)，由窗口電路產(chǎn)生窗口脈沖，在圖象顯示器上顯示出窗口，窗口一般是由發(fā)亮的矩形框邊組成，也可以編程產(chǎn)生其它形狀的窗口。通過按鍵修改窗口位置，可使窗口移動，而修改窗口的大小參數(shù)，就可改變窗口的大小。
在按照窗口進(jìn)行圖象采集、存儲、顯示時，首先通過主機控制在確定位置產(chǎn)生一定大小的窗口，由窗口的位置、大小確定所要采集的圖象在圖象存儲器的地址，其窗口范圍內(nèi)的視頻圖象信號通過高速A/D存儲到所確定的圖象存儲器中的某個區(qū)域。圖象存儲器中的數(shù)字圖象信號通過高速D/A，變成模擬信號，再混合組成視頻圖象信號，輸出到圖象顯示器顯示。
在整個工作過程中，視頻信號的采集、存儲以及數(shù)字圖象信號的輸出顯示，都是由同步信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的同步信號協(xié)同工作。同步信號可以由可編程同步信號發(fā)生器產(chǎn)生，也可以由輸入的視頻信號中分離提取而獲得。
本儀器能在從機CPU的控制下對窗口區(qū)域的動態(tài)圖象進(jìn)行快速采集、存儲和實時顯示，連續(xù)進(jìn)行采集，就可以形成系列動態(tài)圖象。
本儀器也可以對圖象進(jìn)行各種圖象分析和處理，如圖象濾波、增強處理、邊緣尖銳化處理、圖象量化處理等。處理后的圖象可以送回圖象存儲器，輸出至圖象顯示器顯示，以觀察處理效果。
二.窗口系列動態(tài)圖象的實時采集、存儲和顯示電路及原理和靜態(tài)圖象處理不同，對運動物體的處理和測量必須采集圖象的動態(tài)信息，即按不同時刻采集圖象信息，形成系列圖象，以便進(jìn)行動態(tài)圖象的處理和測量。我們設(shè)計了利用窗口采集系列動態(tài)圖象的技術(shù)，其電路框圖如圖3所示。本電路除了能進(jìn)行按窗口進(jìn)行系列動態(tài)圖象的采集、存儲、實時顯示以外，還可以對整幅圖象進(jìn)行實時采集、存儲、顯示，進(jìn)行通常整幅的圖象處理。其電路框圖如圖2所示。
在進(jìn)行系列動態(tài)圖象采集、存儲時，先由主機鍵盤確定窗口的大小和位置，即確定圖象的所需采集的大小和位置，據(jù)此由程序確定該塊圖象在圖象存儲區(qū)的位置和大小，即定其在圖象存儲區(qū)的行、列地址范圍。把行起始地址和行終止地址分別賦給予置寄存器，把列起始地址和列終止地址分別賦給予置寄存器。在圖象采集時，當(dāng)圖象掃描地址進(jìn)入予置的行、列起始地址范圍后，打開圖象緩沖器，把采集的圖象數(shù)據(jù)送到規(guī)定的圖象存儲區(qū)。當(dāng)圖象掃描地址超過予置的行或列終止地址時，關(guān)閉圖象緩沖器，圖象數(shù)據(jù)不再能送到圖象存儲區(qū)。這樣，窗口范圍內(nèi)的圖象數(shù)據(jù)可以送到確定的圖象存儲器中。連續(xù)或斷續(xù)采集幾塊動態(tài)圖象，存儲在圖象存儲器中的不同區(qū)域，就形成系列動態(tài)圖象。
在圖象顯示時，從圖象存儲器起始地址掃描到結(jié)束地址，在顯示器上形成一幅圖象，連續(xù)掃描，在顯示器上形成不間斷的圖象。若圖象存儲器圖象數(shù)據(jù)不變，就成為“凍結(jié)”圖象，或靜態(tài)圖象;若圖象存實器圖象數(shù)據(jù)不斷在變化，就形成運動圖象。要是不斷改變圖象存儲器掃描的起始行地址，就會在屏幕上形成上下滾動的圖象;而不斷改變圖象存儲器掃描的起始列地址，就會在屏幕上形成左右移動的圖象。
三.窗口發(fā)生及自跟蹤測量目標(biāo)電路及原理1.窗口發(fā)生電路該儀器能發(fā)生四個采樣窗口，以適應(yīng)多部位實時測量的需要。每個窗口的大小，形狀及位置可在全屏幕內(nèi)任意改變。窗口發(fā)生電路由掃描址發(fā)生器、控制信號發(fā)生器、地址及控制信號切換器、窗口發(fā)生數(shù)據(jù)存儲器及顯示窗口存儲器、窗口水平始址寄存-計數(shù)器及窗口水平終址寄存-計數(shù)器、窗口脈沖發(fā)生器，以及與從微機的接口電路等幾部分組成。其電路框圖如圖4所示。
窗口發(fā)生數(shù)據(jù)存儲器的作用是存放每行窗口的水平位置及水平寬度的數(shù)據(jù)。每一個窗口占用512×8bit的內(nèi)存單元。數(shù)據(jù)的修改在從機的管理與控制下進(jìn)行。修改完畢的窗口發(fā)生數(shù)據(jù)通過門控制電路傳送至顯示窗口存儲器。通過掃描址發(fā)生器讀出顯示內(nèi)存的數(shù)據(jù)。每行在行消隱期間讀出兩個8位數(shù)據(jù)，即窗口水平位置數(shù)據(jù)和窗口水平寬度數(shù)據(jù)，分別送到窗口水平始址寄存-計數(shù)器和窗口水平寬度寄存-計數(shù)器。在電視掃描顯示期間該計數(shù)器進(jìn)行減法運算，并將進(jìn)位脈沖送至窗口脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一行的顯示窗口脈沖。逐行掃描地址，就形成整個窗口的一系列脈沖。這些脈沖序列再送入視頻-窗口混合電路就形成迭加的窗口顯示信號，由顯示器進(jìn)行顯示。窗口發(fā)生內(nèi)存數(shù)據(jù)可由鍵入進(jìn)行修改，亦可由程序進(jìn)行修改，從而可形成自跟蹤測量目標(biāo)的窗口采樣。
2.窗口自跟蹤測量目標(biāo)原理窗口自跟蹤測量目標(biāo)的原理是運用圖象處理的方法，對窗口測量目標(biāo)圖象信號進(jìn)行處理，從而判定測量目標(biāo)在窗口中的相對位移量，將此位移量作為窗口發(fā)生數(shù)內(nèi)存修改的依據(jù)，修改窗口發(fā)生的位置數(shù)據(jù)，移動窗口而達(dá)到自跟蹤測量目標(biāo)的目的。如圖5a所示To時刻測量目標(biāo)與窗口相對位置的正常狀態(tài)，b所示為To+△t時刻測量目標(biāo)與窗口位置下移的非正常狀態(tài)。此時將b中的窗口圖象信號采集、存儲下來，并進(jìn)行圖象處理，判定測量目標(biāo)與窗口的相對位置下移量△L，然后修改窗口發(fā)生的內(nèi)存數(shù)據(jù)，使窗口下移△L，從而使測量目標(biāo)與窗口的相對位置又恢復(fù)正常。通過雙向的檢測判定，就可形成雙向跟蹤。此過程都是在微機控制下不斷進(jìn)行的，從而能連續(xù)自動跟蹤測量目標(biāo)。
四.可編程視頻同步信號發(fā)生器電路及原理。
可編程視頻同步信號發(fā)生電路由掃描地址發(fā)生器、可編程的EPROM、定時器、行消隱發(fā)生器及門電路等幾部分組成。其原理框圖如圖6所示。
EPROM內(nèi)存為位控結(jié)構(gòu)，D0～D4各位分別定義為場同步，行同步、槽脈沖，均衡脈沖及復(fù)位脈沖的位置信息，然后將各位信號送至定時器，從而形成相應(yīng)各視頻同步信號的脈沖信號，再經(jīng)過門電路合成為復(fù)合同步信號?？赏ㄟ^編程置入或修改EPROM的數(shù)據(jù)，從而有不同的同步格式。
本發(fā)明在實際應(yīng)用中的實施方案微循環(huán)圖象處理及多參數(shù)測量儀與微機、顯微鏡、攝象機、錄相機、打印機等組成微循環(huán)圖象處理及多參數(shù)測量系統(tǒng)，如圖7所示。
該系統(tǒng)的圖象規(guī)格為512×512象素/1幀圖象，黑白圖象，6bit(64級)或7bit(128級)灰度級，采樣率為1幀圖象/40ms。
該系統(tǒng)能由四個測量窗口同時選擇四個測量目標(biāo)，實時測量微循環(huán)的血流速度、血管直徑、血管縱斷面積及紅細(xì)胞比積。四個窗口可進(jìn)行預(yù)選，進(jìn)行四向的測量。
在離線測量情況下，該系統(tǒng)可對微循環(huán)的微血管密度、血管分布、血管的自律運動，眼底圖象分析，血栓提取，血球聚積，細(xì)胞分析等多種微循環(huán)圖象的參數(shù)進(jìn)行處理、計算和測量。
幾種參數(shù)的測量方法簡介下面就微循環(huán)血管直徑、血流速度和血管密度的計算測量方法作一簡介。
(1)微血管血管直徑的測量方法在通常情況下，微循環(huán)圖象，特別是甲皺微循環(huán)圖象，其血管的邊緣是很不清晰的。我們運用圖象處理方法，較好地解決了這一問題。
首先對采集的血管圖象進(jìn)行平滑化處理。
g(x，y)＝1/M∑f(n，m)(n，m)∈s此式中S＝[(x，y+1)，(x，y-1)，(x+1，y)，(x-1，y)]該處理的作用是濾除噪音和剔除奇異象素。爾后進(jìn)行圖象增強Pr(Rk)＝Nk/n 0≤RK≤1Sk＝∑Pr(rj) 0≤SK≤1此式中，Rk是原圖象的歸一化灰度級K。
L是灰度級數(shù)Nk是K灰度級的象素總數(shù)Pr(Rk)是K灰度級的概率Sk是增強后歸一化灰度級Kn為采集圖象的象素總數(shù)經(jīng)過此種直方圖法增強處理后可明顯使原不清晰的圖象變得相當(dāng)清楚。
爾后再進(jìn)行邊緣尖銳化和1bit量化處理。
G[f(x，y)]＝｜f(x，y)-f(x+1，y+1)｜+｜f(x+1)，y)-f(x，y+1)｜

式中T是閾值電平，適當(dāng)選擇閾值可得到良好的量化效果。
最后通過檢測血管的上邊沿和下邊沿，則可得到血管的平均直徑De。
Di＝Y(jié)d-Yu，De-K/MΣi = 0M -1D(i) (μm)]]>此式中Yd，Yu是血管的上下邊沿Y坐標(biāo)，M是檢測的直徑總數(shù)，K是有關(guān)圖象放大倍數(shù)等的系數(shù)。
當(dāng)檢測出血管邊沿后，采樣窗口將自動跟蹤測量目標(biāo)，保證在血管幌動情況下對直徑或速度測量時采樣的準(zhǔn)確性。
(2)速度的測量連續(xù)采集四幅窗口區(qū)域的動態(tài)微循環(huán)圖象，通過對一幅圖象的上述邊沿檢測處理后，取出上邊沿以下血管中的四行圖象信號-包括動態(tài)的和靜態(tài)的信號，求出每列四象素的均值，得到四條圖象曲線f1(x，y)，f2(x，y)，f3(x，y)和f4(x，y)進(jìn)行去除靜態(tài)信號的運算。
g1(x，y)＝1/2[f1(x，y)+f3(x，y)]-f2(x，y)g2(x，y)＝1/2[f2(x，y)+f4(x，y)]-f3(x，y)經(jīng)過此種運算可有效地減少靜態(tài)圖象對速度計算時影響，而此種影響往往導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果。
爾后進(jìn)行相關(guān)運算，得到血流速度VR(w)＝g1(z)＊g2(z+w)得到R(p)＝max(R(W))從而得到V＝P/nTv(mm/s)式中，V是血流速度TV是場周期20msn是相鄰采集的兩幅圖象間隔的場次K是有關(guān)圖象放大倍數(shù)等的系數(shù)(3)血管密度的處理對于血管密度計處理的困難在于兩方面一是在大視野范圍里，由于燈光分布及實體本身的不均衡，往往造成圖象范圍里的亮度差;二是血管粗細(xì)不一致，灰度級的差異亦較大。我們對該問題的解決采用了兩種有效的措施即消除趨勢項和分層量化法。處理結(jié)果表明，經(jīng)過這兩種信號處理辦法后，量化結(jié)果是較滿意的。
該系統(tǒng)在微循環(huán)測量的可行性、可靠性、準(zhǔn)確度、測量參數(shù)的綜合性以及很強的開發(fā)功能等方面較之國內(nèi)現(xiàn)有的微循環(huán)測量儀的性能都有極大的改進(jìn)和提高。也集國外分類測量儀的測量功能于一體;明顯具有功能強、體積小、測量參數(shù)多、價格低廉等特點。
四.臨床使用該系統(tǒng)已在同仁醫(yī)院和301醫(yī)院進(jìn)行了較多病例的臨床測試。我們也在一些方面進(jìn)行了實際應(yīng)用，取得到了較好的效果。根據(jù)臨床使用的需要繼續(xù)在進(jìn)行各種開發(fā)和完善工作。即將進(jìn)行鑒定和投入批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種微循環(huán)圖象處理及多參數(shù)測量儀，其特征在于所述的測量儀由從處理機，窗口系列動態(tài)圖象實時采集、存儲和顯示電路，窗口發(fā)生及自跟蹤測量目標(biāo)電路及可編程視頻同步信號發(fā)生電路組成。
2.一種如權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于其中所述的窗口系列動態(tài)圖象實時采集、存儲和顯示電路是由行列地址予置寄存器，掃描址發(fā)生器，地址選擇器，比較器，圖象存儲器，讀寫控制器，輸出緩存器，輸入緩存器，D/A，A/D變換器及圖象顯示器組成。
3.一種如權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于其中所述的窗口發(fā)生及自跟蹤測量目標(biāo)電路由掃描址發(fā)生器、控制信號發(fā)生器、地址及控制信號切換器、窗口發(fā)生數(shù)據(jù)存儲器及顯示窗口存儲器、窗口水平始址寄存-計數(shù)器及窗口水平終址寄存-計數(shù)器、窗口脈沖發(fā)生器以及與從處理機的接口電路等幾部分組成。
4.一種如權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于其中所述的可編程視頻同步信號發(fā)生電路由掃描地址發(fā)生器，可編程的EPROM，定時器，行消隱發(fā)生器及門電路等幾部分組成。
5.一種如權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于所述的測量儀與主機、監(jiān)視器、打印機、錄相機、攝象機、顯微鏡等組成微循環(huán)測量系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于研究人體毛細(xì)血管和血管血液循環(huán)的微循環(huán)圖處理及多參數(shù)測量儀，本測量儀設(shè)計一種電路，對微循環(huán)進(jìn)行窗口系列動態(tài)圖象的實時采集、存儲和顯示，對測量目標(biāo)實行多部位雙向跟蹤，通過對采集圖象的處理及有關(guān)參數(shù)測量，研究流動血液及組織液的理化性質(zhì)、微血管的結(jié)構(gòu)、形態(tài)及其功能調(diào)節(jié)等等，本儀器采用主從機結(jié)構(gòu)，便于與不同型號的微型計算機聯(lián)機運行，有利于該儀器的廣泛使用。
文檔編號A61B5/02GK1045694SQ8910146
公開日1990年10月3日 申請日期1989年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1989年3月23日
發(fā)明者張志廣, 沈永林, 劉適文 申請人:清華大學(xué)