一種掃描暗場(chǎng)激光散斑血流成像方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種掃描暗場(chǎng)激光散斑血流成像方法及裝置，用于提高激光散斑血流 成像技術(shù)的檢測(cè)深度，用于生理學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)和藥效評(píng)價(jià)研究，以及臨床醫(yī)學(xué)診斷與 治療。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有激光散斑血流成像是一種寬場(chǎng)的血流成像技術(shù)，時(shí)間和空間分辨率高，在生 命科學(xué)基礎(chǔ)研究及臨床疾病診療中獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，該技術(shù)采樣深度受限，主要探 測(cè)生物組織淺表層的血流信息。已有報(bào)道提高激光散斑血流成像采樣深度的方法包括使用 光透明劑，采用透射式成像，以及將激光散斑血流成像與正交偏振方法結(jié)合等。使用光透明 劑之后，由于組織透明度提高，組織吸收系數(shù)和散射系數(shù)均發(fā)生改變，可以提高激光散斑血 流成像方法對(duì)血流信息的采樣深度，但是所使用光透明劑的生物安全性及其對(duì)血液動(dòng)力學(xué) 響應(yīng)的影響仍需進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)估。透射式成像系統(tǒng)的使用條件有限，僅適用于如手指、耳垂 等薄組織的血流監(jiān)測(cè)，而對(duì)于腦皮層、面部及軀干皮膚等類(lèi)似半無(wú)限組織，透射式成像系統(tǒng) 則不適用。激光散斑血流成像與正交偏振方法結(jié)合能消除成像時(shí)組織表面的鏡面反射光， 從而從一定程度上提高了對(duì)血流信號(hào)的采樣深度，但改善的程度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種掃描暗場(chǎng)激光散斑血流成像方法及裝置， 以提高激光散斑血流成像的檢測(cè)深度。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明專(zhuān)利采取的技術(shù)思路是增加在組織中歷經(jīng)了多次 散射的擴(kuò)散光子對(duì)成像的貢獻(xiàn)，即提高那些在組織中穿透深度較大的光子在血流速度計(jì)算 中所占的比重，具體方案為采用空間局域化的窄線狀或點(diǎn)狀激光光束照明待測(cè)生物組織， 并沿待測(cè)組織表面進(jìn)行掃描，遍歷整個(gè)待測(cè)的區(qū)域。對(duì)每一個(gè)激光束照明的位置，以面陣 CCD或CMOS圖像傳感器通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)采集整個(gè)待測(cè)區(qū)域(含被激光束直接照明的區(qū)域， 及其周?chē)幢恢苯诱彰鞯膮^(qū)域)生物組織反射的激光散斑圖像;對(duì)采集的激光散斑圖像，計(jì) 算各像素對(duì)應(yīng)的激光散斑襯比，將之轉(zhuǎn)換為血流圖像。對(duì)掃描照明激光束處于不同位置時(shí) 得到的上述所有血流圖像，進(jìn)行平均，得到最終的待測(cè)區(qū)域生物組織二維血流分布圖像。具 體步驟包括：
[0005] (1)將空間局域化的線狀或點(diǎn)狀激光光束照射到被測(cè)生物組織待檢測(cè)區(qū)域中的某 個(gè)局部位置；
[0006] (2)用面陣CCD或CMOS相機(jī)通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)整個(gè)待檢測(cè)區(qū)域成像，整個(gè)待檢測(cè) 區(qū)域包括被激光束直接照明的區(qū)域，及其周?chē)幢恢苯诱彰鞯膮^(qū)域，連續(xù)采集N幀整個(gè)待檢 測(cè)區(qū)域的激光散斑圖像；
[0007] (3)對(duì)步驟(2)采集所得N幀圖像，取出各幀圖像中相同位置處對(duì)應(yīng)的像素，組成大 小為N個(gè)像素的像素集，利用公式(I)計(jì)算該時(shí)間軸上的時(shí)間襯比K t，
[0009] 其中，Ip代表N幀圖像中同一位置處對(duì)應(yīng)N個(gè)像素中第p個(gè)像素的灰度值，f為這N個(gè) 像素灰度的平均值；
[0010] (4)按步驟(3)遍歷圖像中所有的像素，獲得所有像素對(duì)應(yīng)的時(shí)間襯比值Kt(i，j)， 其中i J分別為該像素在圖像中的空間坐標(biāo)位置；
[0011] (5)利用所得激光散斑時(shí)間襯比計(jì)算該象素處的血流速度值V(i，j)，公式如下：
其中c為校正系數(shù)；
[0013] (6)分別以每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的血流速度值為灰度，構(gòu)建二維血流速度圖；
[0014] (7)對(duì)步驟(6)所得血流速度圖，將其中被激光束直接照明區(qū)域相應(yīng)各像素處的血 流速度值設(shè)為零；
[0015] (8)在被測(cè)生物組織待檢測(cè)區(qū)域中掃描移動(dòng)線狀或點(diǎn)狀激光激光束，使之遍歷整 個(gè)待檢測(cè)區(qū)域，并在每個(gè)掃描照明的空間位置處重復(fù)步驟(2)-(7)，若共計(jì)掃描M個(gè)空間位 置，則獲得M幀血流速度圖；
[0016] (9)將上述步驟完成后獲得的M幀血流速度圖進(jìn)行平均，即得到最終的整個(gè)待檢測(cè) 區(qū)域生物組織血流速度圖像。
[0017] 其中，上述步驟(3)-(5)可用以下處理步驟代替：
[0018] (3'）對(duì)采集到的被測(cè)對(duì)象反射產(chǎn)生的某一幀紅色通道圖像，在該幀圖像上選取一 個(gè)尺寸為WXW的空間窗口，該空間窗口內(nèi)的WXW個(gè)像素組成一個(gè)大小為W 2的像素集，該像 素集內(nèi)各像素的灰度值設(shè)為I1,利用公式（III)計(jì)算該空間窗口內(nèi)的空間散斑襯比K s，賦值 給該空間窗口的中心位置的像素；
[0020] 其中W為空間窗口的尺寸大小，I1代表該WXW的空間窗口中第i個(gè)像素的灰度值，f 為這W2個(gè)像素灰度的平均值；
[0021] (4'）按步驟(3'）逐像素滑動(dòng)空間窗口，遍歷整個(gè)紅色通道圖像，獲得所有像素對(duì) 應(yīng)的襯比值K s(x，y);分別以每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的襯比值為灰度，構(gòu)建二維的空間散斑襯比圖 像；
[0022] (5'）對(duì)所獲得的N幀紅色通道圖像重復(fù)步驟(3'）和(4'）操作，得到N幀二維空間散 斑襯比圖像，然后把這N幀空間散斑襯比圖像點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的累加起來(lái)取平均完成多幀平均運(yùn)算， 以獲取一幀信噪比較高的空間散斑襯比圖像K s;以此散斑襯比圖像按下式計(jì)算獲得t時(shí)刻 的生物組織二維血流圖像V(x，y，t)，
其中c為校正系數(shù)。
[0024]實(shí)現(xiàn)上述掃描暗場(chǎng)激光散斑血流成像方法的裝置包括:激光光源（1)、起偏器(2)、 光束整形器(3)、擴(kuò)束器(4)、柱透鏡(5)、掃描振鏡(6)、樣品（7)、第檢偏器(8)、光電成像系 統(tǒng)(9)和計(jì)算機(jī)（10)，激光光源（1)、第起偏器(2)、光束整形器(3)、擴(kuò)束器(4)、柱透鏡(5)、 掃描振鏡(6)和樣品（7)依次位于照明光路上，且起偏器(2)與入射激光光束（1)垂直;樣品 (7)、檢偏器(8)以及光電成像系統(tǒng)(9)依次位于成像光路上，檢偏器(8)與光電成像系統(tǒng)(9) 光軸方向垂直，與光電成像系統(tǒng)(9)同心，且其偏振方向與檢偏器(7)的偏振方向垂直;計(jì)算 機(jī)(10)與掃描振鏡(6)相連，控制掃描振鏡將局域化的激光束照射到被測(cè)對(duì)象上，并掃描激 光束;計(jì)算機(jī)(10)與光電成像系統(tǒng)(8)相連，采集激光束掃描至不同位置時(shí)被測(cè)對(duì)象反射的 激光散斑圖像，并對(duì)采集的圖像進(jìn)行時(shí)間襯比分析、血流值計(jì)算和圖像平均等操作，獲得最 終的被測(cè)對(duì)象二維血流分布。
[0025] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于加大了在組織中歷經(jīng)了多次散射的擴(kuò)散光子對(duì)成像的貢獻(xiàn)，比 傳統(tǒng)寬光束激光照明的激光散斑血流成像方法提高了檢測(cè)深度。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1掃描暗場(chǎng)激光散斑血流成像系統(tǒng)裝置圖。
[0027] 圖2掃描暗場(chǎng)激光血流成像方法流程圖。
[0028] 圖3掃描暗場(chǎng)激光血流成像方法與現(xiàn)有方法動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果的血流圖對(duì)比圖，3(a) 傳統(tǒng)寬場(chǎng)激光散斑血流成像方法得到的血流圖；3 (b)掃描暗場(chǎng)激光血流成像方法得到的血 流圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 如圖1所示，掃描暗場(chǎng)激光散斑血流成像方法的裝置包括:激光光源1、第起偏器2、 光束整形器3、擴(kuò)束器4、柱透鏡5、掃描振鏡6和樣品7依次位于照明光路上，且起偏器2與入 射激光光束1垂直;樣品7、檢偏器8以及光電成像系統(tǒng)9依次位于成像光路上，檢偏器8與光 電成像系統(tǒng)9光軸方向垂直，與光電成像系統(tǒng)9同心，且其偏振方向與檢偏器7的偏振方向垂 直;計(jì)算機(jī)10與掃描振鏡6相連，控制掃描振鏡將局域化的激光束照射到被測(cè)對(duì)象上，并掃 描激光束;計(jì)算機(jī)10與光電成像系統(tǒng)8相連，采集激光束掃描至不同位置時(shí)被測(cè)對(duì)象反射的 激光散斑圖像，并對(duì)采集的圖像進(jìn)行時(shí)間襯比分析、血流值計(jì)算和圖像平均等操作，獲得最 終的被測(cè)對(duì)象二維血流分布。具體而言，He-Ne激光器(25-LHP系列，Melles Griot，美國(guó)）發(fā) 出的激光通過(guò)擴(kuò)束與準(zhǔn)直透鏡組后，被一個(gè)長(zhǎng)焦距柱透鏡(f = 400mm)聚焦為一條直線，即 線形光。線形光束通過(guò)一個(gè)與水平面呈45°角放置的分光鏡后，經(jīng)由該分光鏡反射的線形光 以90°角入射到被測(cè)樣本表面。由樣本反射之后的光則再次通過(guò)分光鏡，經(jīng)分光鏡透射的光 經(jīng)由顯微鏡系統(tǒng)后（Z16AP0，Leica，德國(guó)）由一個(gè) 12 位 CCD(PixelFly qe，P ⑶ Computer, Germany)相機(jī)采集并保存在電腦中。同時(shí)，該分光鏡與一個(gè)微距線性移動(dòng)平臺(tái)相連接，并由 計(jì)算機(jī)其帶動(dòng)控制分光鏡在水平方向上的微距移動(dòng)，使得線形光束左右移動(dòng)從而對(duì)被測(cè)樣 本進(jìn)行掃描照明。He-Ne激光器和擴(kuò)束與準(zhǔn)直透鏡組之間的可調(diào)節(jié)衰減片用于調(diào)節(jié)照明光 光強(qiáng)，使得實(shí)驗(yàn)中照明光光強(qiáng)在CCD動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，防止飽和現(xiàn)象出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)CCD相機(jī)前會(huì)放 置一個(gè)線偏振器，用于消除鏡面反射的影響（圖1中未標(biāo)出）。由于He-Ne激光器實(shí)際的出射 光并非完全的線偏振光，還有少量其它偏振態(tài)的光，因此在He-Ne激光器和可調(diào)節(jié)衰減片之 間會(huì)放置另一個(gè)線偏振器，用于阻擋其他偏振態(tài)的光，保證出射光為線偏振光。這種配置可 以用來(lái)實(shí)現(xiàn)激光散斑血流成像與正交偏振方法的結(jié)合，從而驗(yàn)證正交偏振方法對(duì)激光散斑 血流成像采樣深度的影響。
[0030] 通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，將本發(fā)明的方法與傳統(tǒng)寬場(chǎng)照明成像方法作比較來(lái)驗(yàn)證本方法可 以提高血流成像的采樣深度。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)象是購(gòu)自湖北省疾病預(yù)防與控制中心的成年 Wi star大鼠，體重約200g。實(shí)驗(yàn)中所用麻醉試劑為2 %水合氯醛和10 %烏拉坦的混合液。使 用該混合液對(duì)大鼠腹腔進(jìn)行注射，使用劑量為0.9mL/100g。待大鼠完全麻醉后對(duì)其進(jìn)行開(kāi) 顱手術(shù)。先通過(guò)皮膚剪去掉頭骨上的毛皮，使用牙科鉆(Fin