一種基於片層光的血流三維成像裝置及方法與流程
2023-05-27 16:37:26 4
本發明涉及生物組織血流成像技術領域，更具體地，涉及一種基於片層光的血流三維成像裝置及方法。
背景技術：
胚胎發育是生命科學研究領域的重要課題，在胚胎發育過程中組織器官的形成與生長均需要血液提供氧氣和養分。發展一種可用於觀察胚胎發育過程中血管網絡分布的成像與監測方法具有十分重要的科研與應用價值。而且隨著臨床醫學和實驗研究的發展，血流成像無論在臨床醫學應用還是科學研究等方面均有重大的價值。目前，光學血流成像方法主要有雷射散斑血流成像，該方法通過以相同的曝光時間和幀間隔時間連續採集N幀散斑圖像；取出各幀圖像中相同位置對應N×N大小空間鄰域內的像素，組成像素集，計算該鄰域內的襯比度，再以每個像素點對應的襯比為灰度，構建血流圖像。
現有的雷射散斑血流成像方法主要分為以下三種：空間襯比成像法：例如中國發明專利CN1391869A「利用雷射散斑成像儀檢測腸細膜上微循環血流時空響應特性的方法」，該方法的主要缺點是圖像空間解析度較低。時間襯比成像法：例如中國發明專利CN1792323A「一種經顱腦血流高解析度成像方法及其裝置」，該方法的主要缺點是圖像時間解析度較低，容易受圖像抖動的影響。時空聯合襯比成像法：中國發明專利CN101485565A「一種雷射散斑血流成像分析方法」，中國發明專利CN102429650A「一種雷射散斑血流成像襯比分析方法」，這兩種方法都是利用空間和時間結合的方法提高成像的空間解析度和時間解析度，但是都存在算法運算量過大、速度較慢的問題。此外，雷射散斑血流成像都存在無法進行三維血流成像的缺點。
另外，現有的三維血流成像的方法還有共聚焦顯微鏡和顯微核磁共振技術。共聚焦顯微技術的缺點是無法進行非螢光成像，且無法對完整胚胎進行三維成像。顯微核磁共振技術的缺點是圖像解析度低，且價格昂貴。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於片層光的血流三維成像裝置，該裝置成本低廉，對樣品無損害，能實現片層光分層掃描，並能獲得三維血流圖像，且成像精度高。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
提供一種基於片層光的血流三維成像裝置，包括雷射器、分束器、柱面鏡、驅動裝置、成像裝置、觸發裝置及電腦；所述分束器對雷射器發射出的雷射進行分束，柱面鏡將分束後的雷射形成片層光照射在樣品上；成像裝置及觸發裝置均與電腦連接；電腦通過觸發裝置控制驅動裝置驅動置於其上的樣品做縱向運動；成像裝置用於採集樣品的圖像數據並將所述圖像數據傳輸至電腦，電腦對接收的圖像數據進行處理並建立樣品的三維血流圖像。
上述方案中，通過設置柱面鏡、驅動裝置、成像裝置、觸發裝置及電腦，使得電腦通過觸發裝置控制驅動裝置驅動樣品做縱向運動時，樣品的每一層依次位於柱面鏡形成的片層光的照射位置處，成像裝置在樣品的每一層均採集圖像數據並將其傳輸至電腦進行處理以建立樣品的三維血流圖像。本發明一種基於片層光的血流三維成像裝置，成本低廉，對樣品無損害，能實現片層光分層掃描，並能獲得三維血流圖像，且成像精度高。
優選地，所述成像裝置為COMS相機，所述COMS相機的鏡頭為長焦距遠心鏡頭。這樣設置不但能獲取更高空間解析度的圖像數據，而且能節省成本。
優選地，驅動裝置的輸出端與平臺連接，所述平臺用於固定樣品。驅動裝置工作使平臺做縱向運動，平臺運動帶動樣品運動，使樣品的每一層依次位於柱面鏡形成的片層光的照射位置處。這樣設置便於樣品的固定，防止驅動裝置工作時樣品晃動，影響拍攝的圖像數據的質量。
優選地，所述驅動裝置為步進電機。
優選地，所述分束器將雷射器發射出的雷射分成四束，柱面鏡為四個。將柱面鏡放置在樣品的四周，並使四個柱面鏡處於相同的高度，這樣四個位置處的片層光高度一致，從而使得樣品的照射光強更加均勻和有一致的景深，使得成像裝置採集的圖像數據效果更好，有利於提高建立的三維血流圖像的精度。
本發明的另一個目的是提供一種基於片層光的血流三維成像方法，該方法使用上述基於片層光的血流三維成像裝置，包括如下步驟：
S1.採集樣品的圖像數據：將樣品放置在驅動裝置的上方，電腦通過觸發裝置控制驅動裝置驅動置於其上的樣品做縱向運動，使得樣品的第一層到第n層依次位於片層光照射位置處，成像裝置在樣品的每一層均採集m張圖像，每張圖像採集速度為f；
S2.成像裝置將採集到的樣品的圖像數據傳輸至電腦，電腦對接收的圖像數據進行處理並建立樣品的三維血流圖像，包括如下步驟：
S21.對每一層採集到的m張圖像逐一像素點進行沿時間軸的快速傅立葉變換，以得到每一像素點沿m張圖像的時間軸的頻譜值：
Iz(x,y,t)→Iz(x,y,u) (1)
其中，Iz(x,y,t)表示第z層像素點(x，y)沿時間軸t處的信號光強，Iz(x,y,u)表示第z層像素點(x，y)頻域中頻譜值，z小於或等於n；
S22.進行頻域濾波，分別提取出動態信號數據和靜態信號數據，並將動態信號數據之和與靜態信號數據之和的比值作為每層圖像各像素點的成像參量：
其中，IRBC(x,y,z)為第z層像素點(x，y)處重建圖像的成像參量，id(x,y,u)是第z層像素點(x，y)處對應採集信號所提取的動態信號數據；is(x,y,0)是第z層像素點(x，y)處對應採集信號所提取的靜態信號數據，μ0＝10Hz,f為每張圖像採集速度；
S23.採集的樣品的圖像數據為樣品向上的側向散射光信號，因此採集的圖像數據包含了該位置和該位置之上的所有血流信息；將每層圖像各像素點的成像參量減去上一層圖像對應像素點的成像參量，以得到每層圖像中各像素點對應的真正成像參量：
I′RBC(x,y,z)＝IRBC(x,y,z)-IRBC(x,y,z-1)(3)其中，I′RBC(x,,)為每層投影血流圖像中各像素點對應的真正成像參量；
S24.將每層圖像各像素點對應的真正成像參量作為灰度值以建立樣品各層的二維投影血流圖像，利用n層二維投影血流圖像建立樣品的三維血流圖像。
本發明一種基於片層光的血流三維成像方法，採用非接觸光學測量的全場血流成像的方法，無需注射造影劑，對樣品無損害，能實現片層光分層掃描，在獲得的每層二維投影血流圖像的基礎上能建立三維血流圖像，且成像精度高。
優選地，所述樣品為小雞或魚的胚胎。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明一種基於片層光的血流三維成像裝置，通過設置柱面鏡、驅動裝置、成像裝置、觸發裝置及電腦，使得電腦通過觸發裝置控制驅動裝置驅動樣品做縱向運動時，樣品的每一層依次位於柱面鏡形成的片層光的照射位置處，成像裝置在樣品的每一層均採集圖像數據並將其傳輸至電腦進行處理以建立樣品的三維血流圖像，該裝置成本低廉，對樣品無損害，能實現片層光分層掃描，並能獲得三維血流圖像，且成像精度高；通過將成像裝置設置為COMS相機，將COMS相機的鏡頭設置為長焦距遠心鏡頭，不但能獲取更高空間解析度的圖像數據，而且能節省成本；通過將分束器設置成將雷射器發射出的雷射分成四束，柱面鏡設置為四個，使雷射通過柱面鏡從四周照向樣品，使得樣品的照射光強更加均勻和有一致的景深，使得成像裝置採集的圖像數據效果更好，有利於提高建立的三維血流圖像的精度；本發明一種基於片層光的血流三維成像方法，採用非接觸光學測量的全場血流成像的方法，無需注射造影劑，對樣品無損害，能實現片層光分層掃描，在獲得的每層二維投影血流圖像的基礎上能建立三維血流圖像，且成像精度高。
附圖說明
圖1為本實施例一種基於片層光的血流三維成像裝置的結構示意圖。
圖2為圖1的俯視圖，其中不包含成像裝置、電腦及觸發裝置。
圖3為樣品模擬分層及照射位置移動示意圖，其中虛線和實線表示兩條不同的血管。
圖4為模擬的樣品第z層採集的二維投影血流圖像。
圖5為模擬的樣品第z-1層採集的二維投影血流圖像。
圖6為樣品第z層真正的血流圖像。
圖7為圖像數據採集的流程圖。
圖8為電腦處理圖像數據獲取樣品的三維血流圖像的流程圖。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明作進一步的說明。其中，附圖僅用於示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實物圖，不能理解為對本專利的限制；為了更好地說明本發明的實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，並不代表實際產品的尺寸；對本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。
本發明實施例的附圖中相同或相似的標號對應相同或相似的部件；在本發明的描述中，需要理解的是，若有術語「上」、「下」、「左」、「右」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此附圖中描述位置關係的用語僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。
實施例
本實施例一種基於片層光的血流三維成像裝置的示意圖如圖1和圖2所示，包括雷射器1、分束器2、柱面鏡3、驅動裝置4、成像裝置6、觸發裝置8及電腦9；所述分束器2對雷射器1發射出的雷射進行分束，柱面鏡3將分束後的雷射形成片層光照射在樣品5上；成像裝置6及觸發裝置8均與電腦9連接；電腦9通過觸發裝置8控制驅動裝置4驅動置於其上的樣品5做縱向運動；成像裝置6用於採集樣品5的圖像數據並將所述圖像數據傳輸至電腦9，電腦9對接收的圖像數據進行處理並建立樣品5的三維血流圖像。
本實施例中，電腦9通過觸發裝置8控制驅動裝置4驅動置於其上的樣品5做從上至下的縱向運動。
使用該裝置時，使用者通過電腦9向觸發裝置8發送信號，觸發裝置8控制驅動裝置4驅動樣品5做從上至下的縱向運動，使樣品5的每一層依次位於柱面鏡3形成的片層光的照射位置處，成像裝置6在樣品5的每一層均採集圖像數據並將其傳輸至電腦9進行處理以建立樣品5的三維血流圖像。本發明一種基於片層光的血流三維成像裝置，成本低廉，對樣品無損害，能實現片層光分層掃描，並能獲得三維血流圖像，且成像精度高。
其中，所述成像裝置6為COMS相機，所述COMS相機的鏡頭為長焦距遠心鏡頭7。這樣設置不但能獲取更高空間解析度的圖像數據，而且能節省成本。
另外，驅動裝置4的輸出端與平臺10連接，所述平臺10用於固定樣品5。驅動裝置4工作使平臺10做從上至下的縱向運動，平臺10運動帶動樣品5從上至下運動，使樣品5的每一層依次位於柱面鏡3形成的片層光的照射位置處。這樣設置便於樣品5的固定，防止驅動裝置4工作時樣品5晃動，影響拍攝的圖像數據的質量。
其中，所述驅動裝置4為步進電機。
另外，所述分束器2將雷射器1發射出的雷射分成四束，柱面鏡3為四個，如圖2所示。將柱面鏡3放置在樣品5的四周，並使四個柱面鏡3處於相同的高度，這樣四個位置處的片層光高度一致，從而使得樣品5的照射光強更加均勻和有一致的景深，使得成像裝置6採集的圖像數據效果更好，有利於提高建立的三維血流圖像的精度。
本發明還提供了一種基於片層光的血流三維成像方法，該方法使用上述基於片層光的血流三維成像裝置，包括如下步驟：
S1.採集樣品5的圖像數據：將樣品5放置在驅動裝置4的上方，電腦9通過觸發裝置8控制驅動裝置4驅動置於其上的樣品5做從上至下的縱向運動，使得樣品5的第一層到第n層依次位於片層光照射位置處，成像裝置6在樣品5的每一層均採集m張圖像，每張圖像採集速度為f；圖像數據的採集流程圖如圖7所示，首先移動樣品5使得片層光照射在樣品的第1層處，每隔1/f時間採集一張圖像，採集m張圖像後，向下移動樣品5使得片層光照射在樣品第2層，然後按上述方式再採集m張圖像，如此類推，直至採集完第n層的m張圖像，停止採集，圖3為樣品5模擬分層及照射位置移動示意圖；
S2.成像裝置6將採集到的樣品5的圖像數據傳輸至電腦9，電腦9對接收的圖像數據進行處理並建立樣品5的三維血流圖像，處理流程圖如圖8所示，包括如下步驟：
S21.對每一層採集到的m張圖像逐一像素點進行沿時間軸的快速傅立葉變換，以得到每一像素點沿m張圖像的時間軸的頻譜值：
Iz(x,y,t)→Iz(x,y,u)(1)其中，Iz(x,y,t)表示第z層像素點(x，y)沿時間軸t處的信號光強，Iz(x,y,u)表示第z層像素點(x，y)頻域中頻譜值，z小於或等於n；
S22.進行頻域濾波，分別提取出動態信號數據和靜態信號數據，並將動態信號數據之和與靜態信號數據之和的比值作為每層圖像各像素點的成像參量：
其中，IRBC(x,y,z)為第z層像素點(x，y)處重建圖像的成像參量，id(x,y,u)是第z層像素點(x，y)處對應採集信號所提取的動態信號數據；is(x,y,0)是第z層像素點(x，y)處對應採集信號所提取的靜態信號數據，μ0＝10Hz,f為每張圖像採集速度；
S23.採集的樣品的圖像數據為樣品向上的側向散射光信號，因此採集的圖像數據包含了該位置和該位置之上的所有血流信息；將每層圖像各像素點的成像參量減去上一層圖像對應像素點的成像參量，以得到每層圖像中各像素點對應的真正成像參量：
I′RBC(x,y,z)＝IRBC(x,y,z)-IRBC(x,y,z-1)(3)其中，I′RBC(x,y,z)為每層投影血流圖像中各像素點對應的真正成像參量；
假定圖4為模擬的樣品第z層採集的二維投影血流圖像，假定圖5為模擬的樣品第z-1層採集的二維投影血流圖像，那麼樣品第z層採集的二維投影血流圖像減去樣品第z-1層採集的二維投影血流圖像可得樣品第z層真正的血流圖像，如圖6所示；
S24.將每層圖像各像素點對應的真正成像參量作為灰度值以建立樣品(5)各層的二維投影血流圖像，利用n層二維投影血流圖像建立樣品(5)的三維血流圖像。
本發明一種基於片層光的血流三維成像方法，採用非接觸光學測量的全場血流成像的方法，無需注射造影劑，對樣品無損害，能實現片層光分層掃描，在獲得的每層二維投影血流圖像的基礎上能建立三維血流圖像，且成像精度高。
其中，所述樣品5為小雞或魚的胚胎。
顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護範圍之內。