一种利用正交偏振光谱成像探测人体微循环的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学成像技术在医学诊断领域中的应用，具体涉及一种利用正交偏振 光谱成像探测人体微循环的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 人体微循环系统是指血管网络中的微动脉与静脉之间血管直径小于100 μm的血 液循环，它与微淋巴管一起组成微循环功能单位。通过血液循环，血液和组织细胞进行氧 气、营养、激素和代谢物的交换。正常情况下，微循环血流量与人体组织、器官代谢水平相适 应，使人体内各器官实现其正常生理功能。微循环功能状态具有重要的生理、病理、药理和 临床意义。许多疾病，包括糖尿病、高血压和冠心病等，都会引起微循环异常。
[0003] 正交偏振光谱成像（orthogonal polarization spectral imaging，OPSI)是一种 新的成像模式，应用到医学诊断领域中，能够更清晰地进行无创微循环成像，提供生理功能 信息成像，反映微循环活动情况，其不同于CT或MRI的几何结构形态成像。因此，正交偏振 光谱成像有希望成为探测微循环功能异常的有力诊断工具。
[0004] 正交偏振光谱成像的原理如图1所示：入射的线偏振光经分光棱镜反射后，照射 到被测（生物）组织上。从被测组织返回的光中约90%为从被测组织表面反射的光，不包 含被测组织内部图像信息，对成像系统来说是背景噪音，会降低图像的对比度。然而，这部 分光保持了其原有偏振态，在被摄像机接收成像前，会被偏振方向与起偏器正交的检偏器 阻挡，不会参与成像。而从被测组织返回的光中约10%为入射到被测组织内部经散射、反射 后返回的光，其携带了大量被测组织内部结构图像的信息，这些光在被测组织内部发生复 散射退偏，能够通过检偏器被摄像机接收成像。如果所选择的光波长在红血球的吸收谱内， 就可以得到清晰的微血管图像。
[0005] CN1897870A公开了一种用于进行正交偏振光谱成像（OPSI)的装置和方法，其提 供一种探测漫散射血管中层表面以下的目标物，特别是诸如人皮肤等器官中的毛细血管的 方法和装置，其包括的步骤有：以至少两个不同角度对被讨论的目标物成像，以便获得成像 平面中的位置的位移；随后比较两幅图像中目标物的相对位移，以便获得所成像的目标物 关于器官表面的坐标。该方法采用单波长光源，获取目标物关于器官表面的坐标，由于采用 至少两个不同角度对被讨论的目标物成像，成像对比度不高，需要的摄像头较多且需特定 的软件匹配目标。
[0006] US2008086057 Al 公开了一种微循环成像（microcirculation imaging)，其米用 两束圆偏振光分别照射组织的浅层和深层，并通过对这两束反射偏振光的选择性处理，得 到微循环图像，从而计算出毛细血管中血流速度。这种方法对两束反射偏振光的选择性处 理较繁琐，且图像清晰度不高。
[0007] 许谦、雷俊峰、曾立波发表的文章"正交偏振光谱成像术用于活体微循环观察研 宄"（光谱学与光谱分析，2010 (07) :1886-1889)构建了一种小型、简洁的活体微循环多光 谱成像系统，其将正交偏振光谱成像OPSI及晶体可调谐滤光片LCTF应用于活体微循环多 光谱成像，能够快速实现波长在可见-近红外波段上的调谐，但这个系统是分时调谐系统， 被测组织上的目标物移动（比如血液流动）会对成像造成影响，其不能实时摄取同一时刻 的正交偏振图像。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种利用正交偏正光谱成像探测人体微循环的装置及方法， 以消除被测组织上的目标物移动对成像造成的影响，提高成像质量。
[0009] 本发明所述的利用正交偏振光谱成像探测人体微循环的装置，包括底座，安装在 底座上的支撑架、可移动指托平台，安装在可移动指托平台上的指托，安装在支撑架上的壳 体，安装在壳体内的光源及光源调整单元、偏振分光棱镜、显微物镜和反射光调整单元，安 装在壳体上的图像采集单元和与图像采集单元连接的计算机，以偏振分光棱镜的设置位置 为坐标原点，所述显微物镜设置在Y轴的负半轴上。
[0010] 所述光源及光源调整单元包括第一点光源、第一 805nm窄带干涉滤光片、第一聚 焦透镜、第二点光源、第一 548nm窄带干涉滤光片、第二聚焦透镜、合光镜和隔离镜；所述隔 离镜、合光镜、第二聚焦透镜、第一 548nm窄带干涉滤光片和第二点光源位于X轴的负半轴 上且沿X轴负方向依次设置，所述合光镜与X轴负方向呈45°夹角安装，以合光镜为基准 点，所述第一聚焦透镜、第一 805nm窄带干涉滤光片和第一点光源沿与Y轴正方向平行的方 向依次设置，相当于合光镜位于548nm波长的平行光与805nm波长的平行光的相交处。
[0011] 所述反射光调整单元包括检偏器、分光镜、第二548nm窄带干涉滤光片和第二 805nm窄带干涉滤光片，所述图像采集单元包括第一 CCD摄像头（对805nm波长的光敏感） 和第二CCD摄像头（对548nm波长的光敏感）；所述检偏器的偏振方向与偏振分光棱镜的 偏振方向垂直（即检偏器的偏振方向与偏振分光棱镜的垂直方向的线偏振光的偏振方向 垂直），所述检偏器、分光镜、第二548nm窄带干涉滤光片和第二C⑶摄像头位于Y轴的正半 轴上且沿Y轴正方向依次设置，所述分光镜与Y轴正方向呈45°夹角安装，以分光镜为基 准点，所述第二805nm窄带干涉滤光片、第一 CCD摄像头沿与X轴正方向平行的方向依次设 置，相当于分光镜位于第一、第二CCD摄像头拍照的图像来源的相交处；所述第一 CCD摄像 头和第二CCD摄像头都与计算机连接，接受计算机的控制并同时采集图像，计算机对第一 CCD摄像头和第二CCD摄像头采集到的图像进行处理，获得清晰的微血管图像。
[0012] 为了使合光镜的合光效果更好，所述合光镜的A面镀有548nm波长增透膜，用于 使更多的548nm波长的平行光透过，合光镜的B面镀有805nm波长高反膜，用于使更多的 805nm波长的平行光反射。
[0013] 为了使分光镜的分光效果更好，所述分光镜的A面镀有805nm波长高反膜，用于使 从被测组织内部反射回来的光中805nm波长的光更多反射，分光镜的B面镀有548nm波长 增透膜，用于使从被测组织内部反射回来的光中548nm波长的光能更多的透射。
[0014] 为了能较方便的进行探测，所述底座上设有电源接口和USB接口；所述支撑架位 于所述合光镜的正下方，所述可移动指托平台通过齿条安装在底座上。
[0015] 采用上述装置探测人体微循环的方法，包括：
[0016] 步骤一、使第一点光源发出的光经第一 805nm窄带干涉滤光片滤光、第一聚焦透 镜透射后形成805nm波长的平行光，使第二点光源发出的光经第一 548nm窄带干涉滤光片 滤光、第二聚焦透镜透射后形成548nm波长的平行光。
[0017] 步骤二、805nm波长的平行光和548nm波长的平行光照射在合光镜上形成一束混 合平行光，再经隔离镜后照射到偏振分光棱镜上，该束混合平行光在偏振分光棱镜上被垂 直反射后成为垂直方向的线偏振光。
[0018] 步骤三、垂直方向的线偏振光经显微物镜聚焦到指托上的被测组织上，从被测组 织表面及内部反射回来的光经显微物镜后照射到偏振分光棱镜上，从偏振分光棱镜中透射 出来的光照射到检偏器上，检偏器滤除从被测组织表面反射回来的光，让从被测组织内部 反射回来的光（其在被测组织内部发生了复散射退偏）通过。
[0019] 步骤四、从被测组织内部反射回来的光照射到分光镜上，分光镜将其分成相互垂 直的两束光，一束光经第二548nm窄带干涉滤光片滤光后进入到第二CCD摄像头中，另一束 光经第二805nm窄带干涉滤光片滤光后进入到第一 CCD摄像头中。
[0020] 步骤五、计算机控制第一、第二C⑶摄像头同时拍照，并获取第一、第二CXD摄像头 拍到的同一时刻的图片。
[0021] 步骤六、计算机将第二CCD摄像头拍到的图片（即在548nm波长的光下获得的图 像）作为当前帧图像，将第一 CCD摄像头拍到的图片（即在805nm波长的光下获得的图像） 作为背景图像，并对两幅图片进行处理，获得清晰的微血管图像。
[0022] 本发明与现有技术相比具有如下效果：
[0023] 采用双波长混合光源（即805nm波长的光和548nm波长的光），双摄像头（即第一 CXD摄像头和第二CXD摄像头），根据微血管对548nm和805nm波长光成像的显著差异（由 血红蛋白的吸收谱中可以观察到，血红蛋白对548nm波长的光吸收较强，而对805nm波长的 光几乎不吸收），成功实现了实时高清晰度成像。血液的颜色来自于红细胞中用于运载氧 气的血红蛋白，在本装置中选用独立的548nm和805nm两路波长光源照射被测组织，可减小 其它波长杂光对被测组织（目标物）成像的干扰，在同一时刻第一、第二CCD摄像头分别对 两路波长光照射下的被测组织进行成像，由于周围组织基本不吸收这两个波长的光，而血 红蛋白对548nm波长的光吸收较强，将在548nm波长的光下获得的图像作为当前帧图像，血 红蛋白对805nm波长的光吸收较弱，将在805nm波长的光下获得的图像作为背景图像，对获 得的同一时刻的上述两幅图像进行处理即可获得清晰的微血管图像信息，其消除了被测组 织上的目标物移动对成像造成的影响，提高了成像质量。另外，本发明中除显微物镜可调之 外，无其它运动的光电元器件，装置稳定性好。
【附图说明】
[0024] 图1为正交偏振光谱成像的原理图。
[0025] 图2为合光镜的原理图。
[0026] 图3为分光镜的原理图。
[0027] 图4为本发明中利用正交偏正光谱成像探测人体微循环的装置的结构示意图。
[0028] 图5为本发明中利用正交偏正光谱成像探测人体微循环的装置的轴测图。
[0029] 图6为计算机对两幅图像进行处理的流程图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明作详细说明。
[0031] 如图2至图5所示的利用正交偏振光谱成像探测人体微循环的装置，包括底座19， 安装在底座19上的支撑架20,通过齿条25安装在底座19上的可移动指托平台12,通过螺 钉安装在可移动指托平台12上的指托11，固定在支撑架20上的壳体21，安装在壳体21内 的光源及光源调整单元、偏振分光棱镜9、显微物镜10和反射光调整单元，安装在壳体21上 的图像采集单元和与图像采集单元连接的计算机22,底座19上设有电源接口 23 (用于连接 电源）和USB接口 24 (用于连接计算机22,从而实现计算机22与图像采集单元的连接）； 可移动指托平台12可带动指托11实现3个方向的调节。
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