生物组织血流、血氧和血容量的多参数检测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利属于生物医学成像领域，具体涉及一种使用简便，成本低廉的多参数 检测方法及装置，能够实现对如人体皮肤，脑皮层等生物组织的多个血流动力学信息进行 实时成像以及连续监测。
【背景技术】
[0002] 对生物组织血液动力学的多参数监测对于研究生物体生理状态具有十分重要的 意义。一般的多参数血流成像系统都是通过结合各种荧光成像，内源信号光学成像以及激 光散斑血流成像等基本的光学成像方法来实现，而这些光学成像都是通过利用非相干或者 相干光源照射生物组织，收集其反射光，并分析反射光信息来获取血液动力学参数。而对于 多参数血流成像系统来说，实时收集不同波长的生物组织反射光是该系统的难点之一。目 前，国际上的多参数血流成像系统主要有两类方式来克服这一难点：
[0003] 1.单个相机分时复用，不同时刻采集不同波长光源照明的生物组织图像。
[0004] 这种基于该方式的系统一般也有两种实现方法：一是利用白光光源以及旋转的滤 光轮，分时的获取不同波段的反射光信号；另一种是利用分时点亮不同波段的激光二极管 或者发光二极管来照明样品。由于这两种方法都能够在极端时间内（毫秒量级）切换照明 光源，这种方式能够一定程度上实现实时监测与成像。其缺点也在于由于分时获取不同波 段的反射光信号，从而分析某一时刻血容以及血氧含量所使用的数据并不是对应时刻上获 取，这样就会造成血液的血容和血氧含量分析的误差，同时所获取的血液流速存在一定的 时间间隔。
[0005] 2.多个相机同时采集，不同相机获取不同波长光源照明的生物组织图像。
[0006] 这种系统利用分束器与滤光片，将携带信号的反射光按照不同的波长进行分束， 然后利用多个单色相机进行收集，这样一种方式可以避免多波长信号的分时获取，但这种 方式需要设计专门的光学、机械结构保障不同相机所得图像间的精确配准，且成本较高。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种能够同时对血流速 度、含氧血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度二维空间分布及其动态变化的多参数检测方法 及系统。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提供了一种生物组织血流、血氧、血容量的多参数检测 方法，其总体构思是使用两个不同波长的激光器经过透镜组扩束后同时照射到生物组织 上，利用配置了彩色相机的光电成像系统连续采集若干帧的被激光束照明的生物组织图 像。对彩色相机输出的原始光强数据，取出每个像素上的红色通道与绿色通道光强值，分别 构成红色通道图像与绿色通道图像。应用激光散斑血流成像数据分析方法及双波长光谱数 据分析方法处理上述红色通道图像与绿色通道图像，得到相应生物组织的血流、氧合血红 蛋白浓度、还原血红蛋白浓度多个生理参数的二维空间分布及其动态变化信息。
[0009] 包括以下具体步骤：
[0010] (1)以两束不同波长的激光光束同时照明被测生物组织，在t时刻用配置了彩色 相机的光电成像系统连续采集N帧被激光束照明的生物组织图像；
[0011] (2)对彩色相机输出的每一帧原始RGB三通道图像数据，取出每个像素上的红色 通道与绿色通道光强值，分别构成相应的红色通道图像与绿色通道图像，共获得N帧红色 通道图像与N帧绿色通道图像；
[0012] (3)对于步骤（2)所得N帧红色通道图像，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（1)计算该像素集灰度值的统计量C，
[0013]
[0014] 其中N为所采集的图像帧数，L代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第i 个像素的灰度值，I为这N个像素灰度的平均值；
[0015] (4)利用所得C值计算该象素处的血流值V(x，y)，X，y分别代表该象素在图像中 的坐标，公式如下：
[0016]
实中b为校正系数；
[0017] (5)按步骤（2)-⑶遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(x，y)。分别 以每个像素对应的V值为灰度，构建t时刻的生物组织二维血流图像V(x，y，t);
[0018] (6)对步骤⑵所得N帧红色通道图像做平均，得到红色通道平均反射光强图像 I(x，y，Apt)，步骤（2)所得N帧绿色通道图像做平均，得到绿色通道平均反射光强图像 I (x, y, λ 2, t)；
[0019] (7)在不同时刻tJPt2，按步骤（1)-(6)得到h时刻的红绿色通道平均反 射光强图像I(x，y，λη^)、I(x，y，X2，t2)，及、时刻的红绿色通道平均反射光强图像 I (X，y，λ t2)、I (X，y，λ2,t2);
[0020] (8)利用上述步骤后所得数据，按下式计算氧合血红蛋白与还原血红蛋白浓度的 变化：
[0021]
[0022] 式（II)，A/ii?分别代表含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白在两 个照明激光束波长λ1与λ2对应的摩尔消光系数，^符与4，)分别代表是波长λ1与λ2 对应的路径差分因子；
[0023] (9)利用步骤⑶中所得含氧血红蛋白浓度变化Δ [Hb02(t)]与脱氧血红蛋白浓 度变化△ [HbR(t)]即可按下式计算血氧、血容量变化，
[0024] 血氧
[0025]血容量：ΔBV=Δ[Hb02 (t) ] +Δ[HbR(t)]。
[0026] 特别的，对于照明的激光光束需选取特定的波段，两个照明激光光束的中心波长 应分别在530±5纳米，以及635±5纳米范围内选取，以避免两个波长间的串扰问题。
[0027] 此外，若所用彩色相机为内置Bayer滤光片的单感光芯片面阵(XD彩色相机或面 阵CMOS彩色相机，则因为每个像素只有一个颜色的滤光片，需对步骤（2)中提取出的红色 通道与绿色通道图像进行相邻像素上灰度的空间插值，使之与原始图像像素数相同。
[0028] 可优选的，步骤（3)-(5)用以下处理步骤（3'）_(5'）代替：
[0029] (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W2的像素集，该 像素集内各像素的灰度值设为L，利用公式（III)计算该空间窗口内的空间散斑衬比Ks，赋 值给该空间窗口的中心位置的像素；
[0030] (?Π)
[0031] 其中W为空间窗口的尺寸大小，L代表该WXW的空间窗口中第i个像素的灰度 值，Γ为这w2个像素灰度的平均值；
[0032] (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Ks (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；
[0033] (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Ks;以此散斑衬比图像按下式计算获 得t时刻的牛物钼织一.維tin流图像V(X，y,t)，
[0034]
其中b为校正系数。
[0035] 本发明同时提供了 一种实现上述生物组织血流、血氧、血容量的多参数检测方法 的装置，该装置包括第一激光器，第一扩束镜，第二激光器，第二扩束镜，成像镜头，彩色相 机，数据传输线以及计算机；
[0036] 所述第一激光器与第二激光器，分别经过第一扩束镜以及第二扩束镜得到发散的 激光光束，并同时照射到生物组织样品上，成像镜头将被照射的生物组织成像到彩色相机 上，数据传输线将彩色相机连续拍摄到图像保存到计算机进行数据处理。
[0037] 可选的，所述彩色相机为彩色面阵列C⑶或CMOS相机。
[0038] 本发明专利的有益效果是，本发明