一种扫描暗场激光散斑血流成像方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种扫描暗场激光散斑血流成像方法及装置，用于提高激光散斑血流 成像技术的检测深度，用于生理学、病理学、药理学和药效评价研究，以及临床医学诊断与 治疗。
【背景技术】
[0002] 现有激光散斑血流成像是一种宽场的血流成像技术，时间和空间分辨率高，在生 命科学基础研究及临床疾病诊疗中获得了广泛的应用。然而，该技术采样深度受限，主要探 测生物组织浅表层的血流信息。已有报道提高激光散斑血流成像采样深度的方法包括使用 光透明剂，采用透射式成像，以及将激光散斑血流成像与正交偏振方法结合等。使用光透明 剂之后，由于组织透明度提高，组织吸收系数和散射系数均发生改变，可以提高激光散斑血 流成像方法对血流信息的采样深度，但是所使用光透明剂的生物安全性及其对血液动力学 响应的影响仍需进行系统的评估。透射式成像系统的使用条件有限，仅适用于如手指、耳垂 等薄组织的血流监测，而对于脑皮层、面部及躯干皮肤等类似半无限组织，透射式成像系统 则不适用。激光散斑血流成像与正交偏振方法结合能消除成像时组织表面的镜面反射光， 从而从一定程度上提高了对血流信号的采样深度，但改善的程度不高。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种扫描暗场激光散斑血流成像方法及装置， 以提高激光散斑血流成像的检测深度。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明专利采取的技术思路是增加在组织中历经了多次 散射的扩散光子对成像的贡献，即提高那些在组织中穿透深度较大的光子在血流速度计算 中所占的比重，具体方案为采用空间局域化的窄线状或点状激光光束照明待测生物组织， 并沿待测组织表面进行扫描，遍历整个待测的区域。对每一个激光束照明的位置，以面阵 CCD或CMOS图像传感器通过光学成像系统采集整个待测区域(含被激光束直接照明的区域， 及其周围未被直接照明的区域)生物组织反射的激光散斑图像;对采集的激光散斑图像，计 算各像素对应的激光散斑衬比，将之转换为血流图像。对扫描照明激光束处于不同位置时 得到的上述所有血流图像，进行平均，得到最终的待测区域生物组织二维血流分布图像。具 体步骤包括：
[0005] (1)将空间局域化的线状或点状激光光束照射到被测生物组织待检测区域中的某 个局部位置；
[0006] (2)用面阵CCD或CMOS相机通过光学成像系统对整个待检测区域成像，整个待检测 区域包括被激光束直接照明的区域，及其周围未被直接照明的区域，连续采集N帧整个待检 测区域的激光散斑图像；
[0007] (3)对步骤(2)采集所得N帧图像，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大 小为N个像素的像素集，利用公式(I)计算该时间轴上的时间衬比K t，
[0009] 其中，Ip代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第p个像素的灰度值，f为这N个 像素灰度的平均值；
[0010] (4)按步骤(3)遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的时间衬比值Kt(i，j)， 其中i J分别为该像素在图像中的空间坐标位置；
[0011] (5)利用所得激光散斑时间衬比计算该象素处的血流速度值V(i，j)，公式如下：
其中c为校正系数；
[0013] (6)分别以每个像素对应的血流速度值为灰度，构建二维血流速度图；
[0014] (7)对步骤(6)所得血流速度图，将其中被激光束直接照明区域相应各像素处的血 流速度值设为零；
[0015] (8)在被测生物组织待检测区域中扫描移动线状或点状激光激光束，使之遍历整 个待检测区域，并在每个扫描照明的空间位置处重复步骤(2)-(7)，若共计扫描M个空间位 置，则获得M帧血流速度图；
[0016] (9)将上述步骤完成后获得的M帧血流速度图进行平均，即得到最终的整个待检测 区域生物组织血流速度图像。
[0017] 其中，上述步骤(3)-(5)可用以下处理步骤代替：
[0018] (3'）对采集到的被测对象反射产生的某一帧红色通道图像，在该帧图像上选取一 个尺寸为WXW的空间窗口，该空间窗口内的WXW个像素组成一个大小为W 2的像素集，该像 素集内各像素的灰度值设为I1,利用公式（III)计算该空间窗口内的空间散斑衬比K s，赋值 给该空间窗口的中心位置的像素；
[0020] 其中W为空间窗口的尺寸大小，I1代表该WXW的空间窗口中第i个像素的灰度值，f 为这W2个像素灰度的平均值；
[0021] (4'）按步骤(3'）逐像素滑动空间窗口，遍历整个红色通道图像，获得所有像素对 应的衬比值K s(x，y);分别以每个像素对应的衬比值为灰度，构建二维的空间散斑衬比图 像；
[0022] (5'）对所获得的N帧红色通道图像重复步骤(3'）和(4'）操作，得到N帧二维空间散 斑衬比图像，然后把这N帧空间散斑衬比图像点对点的累加起来取平均完成多帧平均运算， 以获取一帧信噪比较高的空间散斑衬比图像K s;以此散斑衬比图像按下式计算获得t时刻 的生物组织二维血流图像V(x，y，t)，
其中c为校正系数。
[0024]实现上述扫描暗场激光散斑血流成像方法的装置包括:激光光源（1)、起偏器(2)、 光束整形器(3)、扩束器(4)、柱透镜(5)、扫描振镜(6)、样品（7)、第检偏器(8)、光电成像系 统(9)和计算机（10)，激光光源（1)、第起偏器(2)、光束整形器(3)、扩束器(4)、柱透镜(5)、 扫描振镜(6)和样品（7)依次位于照明光路上，且起偏器(2)与入射激光光束（1)垂直;样品 (7)、检偏器(8)以及光电成像系统(9)依次位于成像光路上，检偏器(8)与光电成像系统(9) 光轴方向垂直，与光电成像系统(9)同心，且其偏振方向与检偏器(7)的偏振方向垂直;计算 机(10)与扫描振镜(6)相连，控制扫描振镜将局域化的激光束照射到被测对象上，并扫描激 光束;计算机(10)与光电成像系统(8)相连，采集激光束扫描至不同位置时被测对象反射的 激光散斑图像，并对采集的图像进行时间衬比分析、血流值计算和图像平均等操作，获得最 终的被测对象二维血流分布。
[0025] 本发明的优点在于加大了在组织中历经了多次散射的扩散光子对成像的贡献，比 传统宽光束激光照明的激光散斑血流成像方法提高了检测深度。
【附图说明】
[0026] 图1扫描暗场激光散斑血流成像系统装置图。
[0027] 图2扫描暗场激光血流成像方法流程图。
[0028] 图3扫描暗场激光血流成像方法与现有方法动物实验结果的血流图对比图，3(a) 传统宽场激光散斑血流成像方法得到的血流图；3 (b)扫描暗场激光血流成像方法得到的血 流图。
【具体实施方式】
[0029] 如图1所示，扫描暗场激光散斑血流成像方法的装置包括:激光光源1、第起偏器2、 光束整形器3、扩束器4、柱透镜5、扫描振镜6和样品7依次位于照明光路上，且起偏器2与入 射激光光束1垂直;样品7、检偏器8以及光电成像系统9依次位于成像光路上，检偏器8与光 电成像系统9光轴方向垂直，与光电成像系统9同心，且其偏振方向与检偏器7的偏振方向垂 直;计算机10与扫描振镜6相连，控制扫描振镜将局域化的激光束照射到被测对象上，并扫 描激光束;计算机10与光电成像系统8相连，采集激光束扫描至不同位置时被测对象反射的 激光散斑图像，并对采集的图像进行时间衬比分析、血流值计算和图像平均等操作，获得最 终的被测对象二维血流分布。具体而言，He-Ne激光器(25-LHP系列，Melles Griot，美国）发 出的激光通过扩束与准直透镜组后，被一个长焦距柱透镜(f = 400mm)聚焦为一条直线，即 线形光。线形光束通过一个与水平面呈45°角放置的分光镜后，经由该分光镜反射的线形光 以90°角入射到被测样本表面。由样本反射之后的光则再次通过分光镜，经分光镜透射的光 经由显微镜系统后（Z16AP0，Leica，德国）由一个 12 位 CCD(PixelFly qe，P ⑶ Computer, Germany)相机采集并保存在电脑中。同时，该分光镜与一个微距线性移动平台相连接，并由 计算机其带动控制分光镜在水平方向上的微距移动，使得线形光束左右移动从而对被测样 本进行扫描照明。He-Ne激光器和扩束与准直透镜组之间的可调节衰减片用于调节照明光 光强，使得实验中照明光光强在CCD动态范围内，防止饱和现象出现。实验时CCD相机前会放 置一个线偏振器，用于消除镜面反射的影响（图1中未标出）。由于He-Ne激光器实际的出射 光并非完全的线偏振光，还有少量其它偏振态的光，因此在He-Ne激光器和可调节衰减片之 间会放置另一个线偏振器，用于阻挡其他偏振态的光，保证出射光为线偏振光。这种配置可 以用来实现激光散斑血流成像与正交偏振方法的结合，从而验证正交偏振方法对激光散斑 血流成像采样深度的影响。
[0030] 通过动物实验，将本发明的方法与传统宽场照明成像方法作比较来验证本方法可 以提高血流成像的采样深度。动物实验对象是购自湖北省疾病预防与控制中心的成年 Wi star大鼠，体重约200g。实验中所用麻醉试剂为2 %水合氯醛和10 %乌拉坦的混合液。使 用该混合液对大鼠腹腔进行注射，使用剂量为0.9mL/100g。待大鼠完全麻醉后对其进行开 颅手术。先通过皮肤剪去掉头骨上的毛皮，使用牙科钻(Fin