一種自動分割動靜脈血管的雷射成像方法和裝置的製作方法

2023-10-25 11:06:32 2

專利名稱：一種自動分割動靜脈血管的雷射成像方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物醫學成像技術方法，具體為一種採用單波長相干光照明，基於激
光散斑圖像時間序列分析的生物組織動靜脈血管自動分割方法和裝置，它尤其適合於以高空間解析度研究生理和病理狀態下的生物組織動靜脈血管形態和血流分布等，為生命科學基礎研究和臨床醫學診斷治療提供重要的信息。 生物組織中動靜脈血管的自動分割對於生物醫學研究和臨床診斷治療具有重要意義。目前，對動靜脈血管進行完全自動分割的方法的報導非常有限。動脈血管和靜脈血管由於含氧血紅蛋白(Hb02)和脫氧血紅蛋白(HbR)濃度不同而具有不同的光譜吸收特性。一種常用的方法是採用多個不同中心波長的準單色光輪流照明，通過探測血氧飽和度的值，或探測缺血狀態下HbR濃度的變化實現動靜脈血管的分離。而採用單波長照明實現動靜脈血管自動分離的方法目前尚未見報導。已有文獻證明，利用動態雷射散斑特性，採用單波長相干光照明獲取雷射散斑圖像序列，對所得圖像序列作時間襯比分析得到雷射散斑時間襯比圖像，能夠增強血管結構的對比度，從而有利於將血管結構從背景圖像中提取出來。但由於血流速度區域性分布的複雜性造成了散斑襯比分布的複雜性，時間襯比分析方法難以將動脈血管和靜脈血管自動分離。若能充分利用動態雷射散斑特性與光譜吸收特性在動靜脈血管中的差異，則有望實現以單波長照明的方式，通過特定的圖像處理方法將動脈血管與靜脈血管自動分割開來。 本發明的目的在於提供一種有效的自動分割生物組織動靜脈的雷射成像方法，該方法採用單波長雷射照明，在時間域對雷射散斑圖像序列進行分析，實現對生物組織動靜脈血管的自動分割。 為解決上述技術問題，本發明提供的自動分割動靜脈血管的雷射成像方法，其步驟包括 (1)將雷射光束照射到被測對象上。用CCD或CMOS相機通過光學成像系統，以相同的曝光時間和幀間隔時間連續採集N幀被測對象反射的雷射散斑圖像；每幀圖像採集的曝光時間為lms 100ms，幀間隔時間20 1000ms，採集的幀數N為N > 50 ;
(2)對採集所得N幀圖像，取出各幀圖像中相同位置處對應的像素，組成大小為N個像素的像素集，該像素集內各像素的灰度值設為Ip，利用公式(I)計算該時間軸上的襯比
，〃 ' (1) 其中N為所採集的圖像幀數，Ip代表N幀圖像中同一位置處對應N個像素中第p個像素的灰度值，I為這N個像素灰度的平均值；
背景技術：
發明內容
(3)按步驟(2)遍歷圖像中所有的像素，獲得所有像素對應的襯比值Kt(i， j)。分別以每個像素對應的襯比值為灰度，構建二維的襯比分布圖； (4)使用閾值分割方法將襯比圖像作二值化處理，得到二維血管結構圖像Ives ;
(5)將相同的N幀雷射散斑圖像序列均分為n組，則每組包含N/n幀散斑圖像，N/n > 50。也可以有其他的均分方式，但為了保證動靜脈分割效果，建議每組至少應該有50幀散斑圖像。 (6)對第k組(1《k《n)散斑圖像序列，對該組所包含的N/n幀圖像，取出各幀圖像中相同位置處對應的像素，組成大小為N/n個像素的像素集，尋找該像素集中灰度最小值； (7)按步驟(6)遍歷圖像中所有的像素，獲得所有像素對應的灰度最小值。分別以每個像素對應的時間序列最小植為灰度，構建二維的時間序列灰度最小值圖像；
(8)按步驟(5) (7)，得到n幀時間序列灰度最小值圖像； (9)取出n幀時間序列灰度最小值圖像中相同位置處對應的像素，組成大小為n個像素的像素集，計算該像素集的灰度平均值； (10)按步驟(9)遍歷圖像中所有的像素，獲得所有像素對應的灰度平均值。分別以每個像素對應的灰度平均值為灰度，構建二維的累積平均的時間序列灰度最小值圖像
Imin ^ (11)為了消除圖像Imin中背景不均勻性對動靜脈分割結果的影響，對圖像1^作
如下操作 (a)選取25X25像素大小的空間滑動窗並拖動滑動窗，使其遍歷圖像Imin中所有像素，每拖動一次滑動窗，計算該滑動窗內像素灰度最小值，從而構建圖像Imin在25 X 25像素空間滑動窗下的灰度最小值圖像； (b)選取25X25像素大小的空間滑動窗並拖動滑動窗，使其遍歷步驟(a)所得圖像中的所有像素，每拖動一次滑動窗，計算該滑動窗內像素灰度最大值，從而構建步驟(a)所得圖像在25X25像素空間滑動窗下的灰度最大值圖像； (c)將圖像Imin與步驟(b)所得圖像灰度值按對應像素相減，得到消除了背景不均勻性之後的圖像； (12)使用閾值分割方法將步驟(11)所得圖像作二值化處理，得到二維動脈血管結構圖像Ia，其中動脈血管區域像素值為l，其他區域像素值為0 ; (13)將二值圖像Iv與二值圖像Ia按對應像素相減，得到二維靜脈血管結構圖像Iv，其中動脈血管區域像素值為l，其他區域像素值為0 ; (14)將圖像Iv與圖像Ia按如下方式進行組合，構建一個RGB圖像，其R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)三種顏色分量的構成比例由三維數組A表示，其中 A(
A(
A(
A(
從而繪製一
，1) = I"
，2) = 0 ;
，3) = Iv;
，1)構成顏色分量R，A(:，，2)構成顏色分量G， A(: ， ， 3)構成顏色分量B。幅由不同顏色標記的動靜脈血管的RGB圖像，其中紅色區域表示動脈，藍色區
域表示靜脈，紅色和藍色之外的區域表示組織。
基於上述方法，本發明還提出一種自動分割動靜脈血管的成像裝置，其結構為雷射光束1、第一線偏振片2與工作檯3依次位於照明光路上，且第一線偏振片2與入射雷射光束1垂直；工作檯3、第二偏振片4以及光電成像系統5依次位於成像光路上，第二線偏振片4與光電成像系統5光軸方向垂直，與光電成像系統5同心，且其偏振方向與第一線偏振片2的偏振方向垂直；計算機7通過圖像採集卡6與光電成像系統5相連，計算機7控制光電成像系統5將雷射照射到被測對象上，採集對象反射的雷射散斑圖像序列，並對採集的圖像進行時間襯比分析，時間序列灰度最小值分析，消除背景不均勻性等操作，將時間襯比圖像作二值化處理得到二維血管結構I^，將消除了背景不均勻性後的時間序列灰度最小值圖像作二值化處理得到二維動脈血管結構圖像Ia，由Ires與Ia相減得到二維靜脈血管結構圖像Iv，以Iv與IJ勾建一幅RGB偽彩色圖像，其中動脈血管與靜脈血管由不同顏色標記，從而實現動靜脈血管的自動分離。 本發明提出的自動分割動靜脈血管的雷射成像方法和裝置，以CCD或CMOS相機通過光電成像系統連續採集若干幀雷射散斑圖像，對雷射散斑圖像進行時間襯比分析，時間序列最小值分析和消除背景不均勻性等操作，實現生物組織中動靜脈血管的自動分割。與其它現有的方法和裝置相比，本發明所提出的自動分割動靜脈血管的雷射成像方法和裝置的優點在於採用單波長相干光照明，避免了使用多波長照明時成像裝置設計的複雜性；將動態雷射散斑特性和光譜吸收特性相結合，實現了動靜脈血管的自動分割；同時本發明提出的方法可以與雷射散斑血流成像分析方法相結合，有助於對生物組織二維血管形態和動靜脈血管中的血流分布，及動靜脈血管血流動力學變化進行實時、動態、高時間、空間解析度的監測。其應用範圍廣泛，可用於研究生理和病理狀態下的大鼠、小鼠、兔、貓、猴等實驗動物，以及人體的皮膚、眼底、腦皮層動靜脈血管區域各自的血流分布，以及神經活動、腦疾病引起的腦皮層區域動靜脈血管各自的血流變化。本發明適用於生理學、病理學、藥理學和藥效評價研究及臨床醫學診斷和治療。


圖1是本發明公開的自動分割動靜脈血管成像裝置。 圖2是本發明公開的自動分割動靜脈血管的雷射成像方法，對雷射散斑圖像序列操作，實現動靜脈血管自動分割的流程圖。 圖3是採用本發明公開的自動分割動靜脈血管的雷射成像方法和裝置對去除顱骨的大鼠頂葉皮層血管雷射散斑圖像進行處理得到的結果。其中，圖3-(a)是單幀雷射散斑圖像；圖3-(b)是將500幀散斑圖像序列均分為10組分別進行時間序列最小值計算後，對所得圖像作累積平均並消除背景不均勻性後的結果。圖3-(c)是對相同的500幀散斑圖像序列作時間襯比分析後得到的雷射散斑時間襯比圖像。將圖3-(c)與圖3-(d)分別作二值化處理，前者得到二維動脈血管結構圖像，兩者相減得到二維靜脈血管結構圖像。圖3-(d)是通過上述圖像處理操作後得到的動靜脈分離的血管結構圖像。其中紅色區域表示動脈，藍色區域表示靜脈，標尺長度為500 ii m。
具體實施例方式
本發明提出的自動分割生物組織動靜脈血管的雷射成像方法和裝置，採用如附圖1所示的成像裝置，其結構為雷射光束1、第一線偏振片2與工作檯3依次位於照明光路
上，且第一線偏振片2與入射雷射光束1垂直；工作檯3、第二偏振片4以及光電成像系統 5依次位於成像光路上，第二線偏振片4與光電成像系統5光軸方向垂直，與光電成像系統 5同心，且其偏振方向與第一線偏振片2的偏振方向垂直；計算機7通過圖像採集卡6與光 電成像系統5相連，計算機7控制光電成像系統5將雷射照射到被測對象上，採集對象反射 的雷射散斑圖像，並對採集的圖像進行時間襯比分析，時間序列圖像像素灰度最小值分析 和背景不均勻性校正等操作，構建一幅由不同顏色標記的動靜脈血管的RGB偽彩色圖像。
對採集得到的雷射散斑圖像序列進行操作的流程圖如附圖2所示。本發明提出的 自動分割動靜脈血管的雷射成像方法和裝置利用動態雷射散斑特性和光譜吸收特性在動 脈血管和靜脈血管中的差異，通過時間襯比分析，時間序列最小值分析，和一些特定的圖像 處理方法實現動靜脈血管的自動分割。本發明提出的自動分割動靜脈血管的雷射成像方法 和裝置使用的成像裝置較為簡單廉價。同時，本發明提出的動靜脈血管自動分割方法還可 以與雷射散斑襯比成像方法相結合，從而擴展雷射散斑成像在臨床醫學診斷和治療中的應 用。
動物實驗 實驗裝置如附圖l所示。實驗對象為Wistar大鼠，固定於工作檯3上，以632.8nm 的He-Ne雷射器1為光源，準直擴束後的雷射光束經第一線偏振片2後斜入射到去除頭骨 後的大鼠頂葉皮層上。由大鼠頂葉皮層散射形成的雷射散斑經第二線偏振片4後由帶宏視 鏡頭的電荷耦合器件相機構成的光電成像系統5成像。計算機7通過圖像採集卡6與光電 成像系統5相連，計算機7控制光電成像系統5將雷射照射到被測對象上，採集對象反射 的雷射散斑圖像序列。光學系統放大倍數設為2.5倍。曝光時間20ms，幀間隔時間25ms， 連續採集500幀雷射散斑圖像。單幀雷射散斑圖像如附圖3-(a)所示。利用所採集的500 幀雷射散斑圖像，按公式(I)計算雷射散斑時間襯比值，並構建二維雷射散斑時間襯比圖 像，結果如附圖3-(c)所示。對附圖3-(c)所示的時間襯比圖像通過自動閾值分割方法作 二值化處理，得到二維血管結構圖像。同時，將所採集的500幀雷射散斑圖像均分為10組， 分別對各組雷射散斑圖像序列按發明內容所述步驟(6) (10)進行時間序列上灰度最小 值計算，並構建二維時間序列灰度最小值圖像。將io組時間序列灰度最小值圖像按步驟 (9) (10)對各圖像中相同位置處的像素作累積平均，得到累計平均的時間序列灰度最小 值圖像。按發明內容所述步驟(11)消除背景不均勻性，所得結果如附圖3-(b)所示。由圖 3-(b)可見，動脈區域的灰度值較靜脈區域和背景區域的灰度值高，因而對附圖3-(b)通過 自動閾值分割方法作二值化處理，可以得到二維動脈血管結構圖像。將二維血管結構圖像 與二維動脈血管結構圖像相減，得到二維靜脈血管結構圖像。按發明內容所述步驟(14)，構 建一個RGB偽彩色圖像，使得圖像中紅色區域表示動脈，藍色區域表示靜脈，黑色區域表示 組織，如附圖3-(d)所示。由附圖3-(d)可知，所示動脈血管和靜脈血管的走向與其解剖學 特徵相吻合，說明動脈血管與靜脈血管得到了很好的區分，證明了本發明提出的自動分割 動靜脈血管的雷射成像方法和裝置的有效性。 以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限於該實施例和附圖所 公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保 護的範圍。
權利要求
本發明提出的動靜脈血管自動分割雷射成像方法，其步驟包括(1)將雷射光束照射到被測對象上，用CCD或CMOS相機通過光學成像系統，以相同的曝光時間和幀間隔時間連續採集N幀被測對象反射的雷射散斑圖像；每幀圖像採集的曝光時間為1ms～100ms，幀間隔時間為20～1000ms，幀數N≥50；(2)對步驟(1)採集所得N幀圖像，取出各幀圖像中相同位置處對應的像素，組成大小為N個像素的像素集，利用公式(I)計算該時間軸上的襯比Kt， K t= 1 N - 1 p = 1N ( Ip - I )2 / I --- ( I ) 其中，Ip代表N幀圖像中同一位置處對應N個像素中第p個像素的灰度值，I為這N個像素灰度的平均值；(3)按步驟(2)遍歷圖像中所有的像素，獲得所有像素對應的襯比值Kt(i，j)，其中i，j分別為該像素在圖像中的空間坐標位置；分別以每個像素對應的襯比值為灰度，構建二維的襯比分布圖；(4)使用閾值分割方法將襯比圖像作二值化處理，得到二維血管結構圖像Ives；(5)將相同的N幀雷射散斑圖像序列均分為n組，則每組包含N/n幀散斑圖像，N/n≥50；(6)對第k組，1≤k≤n，散斑圖像序列，對該組所包含的N/n幀圖像，取出各幀圖像中相同位置處對應的像素，組成大小為N/n個像素的像素集，尋找該像素集中灰度最小值；(7)按步驟(6)遍歷圖像中所有的像素，獲得所有像素對應的灰度最小值；分別以每個像素對應的時間序列最小植為灰度，構建二維的時間序列灰度最小值圖像；(8)按步驟(5)~(7)，得到n幀時間序列灰度最小值圖像；(9)取出n幀時間序列灰度最小值圖像中相同位置處對應的像素，組成大小為n個像素的像素集，計算該像素集的灰度平均值；(10)按步驟(9)遍歷圖像中所有的像素，獲得所有像素對應的灰度平均值；分別以每個像素對應的灰度平均值為灰度，構建二維的累積平均的時間序列灰度最小值圖像Imin；(11)為了消除圖像Imin中背景不均勻性對動靜脈分割結果的影響，對圖像Imin作如下操作(a)選取25×25像素大小的空間滑動窗並拖動滑動窗，使其遍歷圖像Imin中所有像素，每拖動一次滑動窗，計算該滑動窗內像素灰度最小值，從而構建圖像Imin在25×25像素空間滑動窗下的灰度最小值圖像；(b)選取25×25像素大小的空間滑動窗並拖動滑動窗，使其遍歷步驟(a)所得圖像中的所有像素，每拖動一次滑動窗，計算該滑動窗內像素灰度最大值，從而構建步驟(a)所得圖像在25×25像素空間滑動窗下的灰度最大值圖像；(c)將圖像Imin與步驟(b)所得圖像灰度值按對應像素相減，得到消除了背景不均勻性之後的圖像；(12)使用閾值分割方法將步驟(11)所得圖像作二值化處理，得到二維動脈血管結構圖像Ia，其中動脈血管區域像素值為1，其他區域像素值為0；(13)將二值圖像Iv與二值圖像Ia按對應像素相減，得到二維靜脈血管結構圖像Iv，其中動脈血管區域像素值為1，其他區域像素值為0；(14)將圖像Iv與圖像Ia按如下方式進行組合，構建一個RGB圖像，其R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)三種顏色分量的構成比例由三維數組A表示，其中A(:，:，1)＝Ia；A(:，:，2)＝0；A(:，:，3)＝Iv；A(:，:，1)構成顏色分量R，A(:，:，2)構成顏色分量G，A(:，:，3)構成顏色分量B；從而繪製一幅由不同顏色標記的動靜脈血管的RGB圖像，其中紅色區域表示動脈，藍色區域表示靜脈，紅色和藍色之外的區域表示組織。
2. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於步驟(1)中所使用的雷射波長的選擇範圍為600nm 800nm。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟(11)中空間鄰域NsXNs的選取並不局限於25X25像素大小，視成像系統放大倍數和CCD或CMOS晶片像素大小的不同，可以對該空間鄰域大小進行適當的調整。其調整的根據是，空間鄰域NsXNs的寬度Ns至少應與圖像中動脈血管的最大直徑相當。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟(14)中R、G、B三種顏色分量的構成比例是可以自由選擇的，並不局限於權利要求1中所述的顏色構成比例；動脈血管與靜脈血管的顏色可以通過調節R、G、B三種顏色分量的構成比例，由其他顏色標記。
5. —種自動分割動靜脈血管的成像裝置，其結構為雷射光束(1)、第一線偏振片(2)與工作檯(3)依次位於照明光路上，且第一線偏振片(2)與入射雷射光束(1)垂直；工作檯(3)、第二偏振片(4)以及光電成像系統(5)依次位於成像光路上，第二線偏振片(4)與光電成像系統(5)光軸方向垂直，與光電成像系統(5)同心，且其偏振方向與第一線偏振片(2)的偏振方向垂直；計算機(7)通過圖像採集卡(6)與光電成像系統(5)相連，計算機(7)控制光電成像系統(5)將雷射照射到被測對象上，採集對象反射的雷射散斑圖像序列，並對採集的圖像進行時間襯比分析，時間序列灰度最小值分析，消除背景不均勻性等操作，將時間襯比圖像作二值化處理得到二維血管結構Ives，將消除了背景不均勻性後的時間序列灰度最小值圖像作二值化處理得到二維動脈血管結構圖像Ia，由Ives與Ia相減得到二維靜脈血管結構圖像Iv，以Iv與Ia構建一幅RGB偽彩色圖像，其中動脈血管與靜脈血管由不同顏色標記，從而實現動靜脈血管的自動分離。
全文摘要
本發明公開了一種自動分割生物組織動靜脈血管的雷射成像方法和裝置。本發明採用單波長雷射照明，基於生物組織中動靜脈區域雷射散斑動態特性與光譜吸收特性的差異，通過雷射散斑時間襯比分析，時間序列圖像像素灰度最小值分析和背景不均勻性校正等操作實現了動靜脈血管的自動分割。本發明適用於生理學、病理學、藥理學和藥效評價研究及臨床醫學診斷和治療。
文檔編號A61B5/00GK101697871SQ20091030978
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者李鵬程, 邱建軍, 駱清銘 申請人:華中科技大學