一种激光散斑血流灌注成像方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810786671.3 (22)申请日 2018.07.17 (71)申请人 上海健康医学院 地址 201318 上海市浦东新区周祝公路279 号 (72)发明人 孔平 黄钢 张建青 侯丽英 李鹏 黄辰 (74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 31225 代理人 杨宏泰 (51)Int.Cl. A61B 5/026(2006.01) (54)发明名称 一种激光散斑血流灌注成像方法 (57)摘要 本发明涉及一种激光散斑血流灌注成像方 法， 包括以下步骤： 1)获

2、得原始激光图像各个像 素的衬比值数据； 2)对衬比值数据进行预处理并 转换为血流灌注量； 3)用不同的颜色标注不同像 素点对应的血流灌注量。 与现有技术相比， 本发 明具有等计算速度快、 突出血红细胞大量聚和集 运动较快的区域、 实用性和推广性高优点。 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 CN 109222952 A 2019.01.18 CN 109222952 A 1.一种激光散斑血流灌注成像方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 1)获得原始激光图像各个像素的衬比值数据； 2)对衬比值数据进行预处理并转换为血流灌注量； 3)用不同的颜色标注不同像素点对应的血流灌注量。 2.根据权利要求1

3、所述的一种激光散斑血流灌注成像方法， 其特征在于， 所述的步骤1) 具体包括以下步骤： 11)采用激光散斑血流成像装置采集原始激光图f(x,y)， 其图像尺寸为m*n； 12)采用空间衬比分析法计算f(x,y)对应的衬比值矩阵C(x,y)， 衬比值矩阵C(x,y)的 大小为(m-w+1)*(n-w+1)， 其中， w为所使用滑动窗的窗口大小。 3.根据权利要求2所述的一种激光散斑血流灌注成像方法， 其特征在于， 所述的步骤 12)中， 空间衬比分析法具体为： 采用一个w*w的滑动窗， 获取滑动窗内所有像素灰度值的标准差与均值之比， 得到该窗 体内中心点的散斑对比度， 并将散斑对比度赋值于该中心

4、点对应的像素， 当滑动窗滑过整 幅图像时， 总计进行(m-w+1)*(n-w+1)次计算， 并将得到的所有中心衬比值构成衬比值矩阵 C(x,y)。 4.根据权利要求1所述的一种激光散斑血流灌注成像方法， 其特征在于， 所述的步骤2) 中， 衬比值C与血流灌注量K的转换式为： 其中， T为CCD相机的曝光时间， c为电场自相关函数的时间常数， 为光学系统相干因 子。 5.根据权利要求4所述的一种激光散斑血流灌注成像方法， 其特征在于， 所述的步骤2) 中， 衬比值C的动态范围为0.05-0.86， 计量精度为小数点后4位， 血流灌注量K的动态范围 为0-500， 计量精度为保留整数部分。 6.根

5、据权利要求4所述的一种激光散斑血流灌注成像方法， 其特征在于， 所述的步骤3) 具体包括以下步骤： 31)构建一张保留三位小数的衬比值C与保留整数血流灌注量K的检索表， 并采用线性 插值的方法使得衬比值矩阵中的每一个衬比值， 在检索表中索引到相对应的血流灌注量 值； 32)按照检索表将衬比值矩阵C(x,y)中所有衬比值对应的血流灌注值， 记录在大小为 (m-w+1)*(n-w+1)的矩阵P(x,y)中， 并将矩阵P(x,y)进行四舍五入取整处理， 得到大小为 (m-w+1)*(n-w+1)的矩阵P (x,y)； 33)根据矩阵P (x,y)中最大的血流灌注量Kmax， 定义所展示的彩色条CB的

6、范围为0， CBmax， 其中， CBmaxKmax/3， 为四舍五入取整操作， 彩色条CB的三原色为红绿蓝， 将血 流灌注量映射为不同的颜色级别， 并对每种颜色级别按照亮度分显示等级； 34)按照步骤33)将矩阵P (x,y)转变成具有亮度等级的颜色矩阵， 完成采用伪彩色图 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 109222952 A 2 的方式表述血流灌注量， 颜色越深越偏红的区域说明血流灌注量越大， 对应血红细胞聚集 地越多， 运动速度越快。 7.根据权利要求6所述的一种激光散斑血流灌注成像方法， 其特征在于， 所述的步骤 33)中， 将血流灌注量按下列公式映射为不同的颜色级别： 8

7、.根据权利要求7所述的一种激光散斑血流灌注成像方法， 其特征在于， 所述的步骤 33)中， 对每种颜色级别按照亮度分显示等级， 具体为： 当血流灌注量K0位于绿色的颜色级别时， 绿色分共为CBmax/4个等级， 其对应的亮度等级 ng的表达式为： 当血流灌注量K0位于红色的颜色级别时， 红色分共为CBmax/2个等级， 其对应的亮度等级 nr的表达式为： 当血流灌注量K0CBmax时， 则统一表示为最深的红色。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 109222952 A 3 一种激光散斑血流灌注成像方法 技术领域 0001 本发明涉及激光散斑图像处理分析领域， 尤其是涉及一种激光散斑血流

8、灌注成像 方法。 背景技术 0002 激光散斑血流成像技术是一种安全， 非接触血流检测技术， 广泛应用于人体体表 微循环监测， 运动伤害预防， 血管状态评价等领域。 目前激光散斑图像的处理分析主要有空 间衬比分析(Laser Speckle Spatial Contrast Analysis， LSSCA)和时间衬比分析(Laser Speckle Temporal Contrast Analysis， LSTCA),如：“一种激光散斑血流成像分析方法” (中国发明专利CN101485565)，“一种激光散斑血流成像处理系统及方法” (中国发明专利 CN102357033)，“一种激光散斑血流

9、成像衬比分析方法” (中国发明专利CN102429650)等， 都 是通过计算衬比来反映出单帧的静态图像， 或者连续变化的序列时变散斑图像中， 各区域 血流速度的相对值。 但是由于皮肤表面的血流灌注量变化较小， 其引起的散斑衬比值变化 量也较小， 导致传统的激光散斑血流图像中反映血流变化的有效信息较小， 大量数据范围 被静态背景占用。 发明内容 0003 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种激光散斑血流 灌注成像方法。 0004 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 0005 一种激光散斑血流灌注成像方法， 包括以下步骤： 0006 1)获得原始激光图像各个像素的衬比值

10、数据； 0007 2)对衬比值数据进行预处理并转换为血流灌注量； 0008 3)用不同的颜色标注不同像素点对应的血流灌注量。 0009 所述的步骤1)具体包括以下步骤： 0010 11)采用激光散斑血流成像装置采集原始激光图f(x,y)， 其图像尺寸为m*n； 0011 12)采用空间衬比分析法计算f(x,y)对应的衬比值矩阵C(x,y)， 衬比值矩阵C(x, y)的大小为(m-w+1)*(n-w+1)， 其中， w为所使用滑动窗的窗口大小。 0012 所述的步骤12)中， 空间衬比分析法具体为： 0013 采用一个w*w的滑动窗， 获取滑动窗内所有像素灰度值的标准差与均值之比， 得到 该窗体

11、内中心点的散斑对比度， 并将散斑对比度赋值于该中心点对应的像素， 当滑动窗滑 过整幅图像时， 总计进行(m-w+1)*(n-w+1)次计算， 并将得到的所有中心衬比值构成衬比值 矩阵C(x,y)。 0014 所述的步骤2)中， 衬比值C与血流灌注量K的转换式为： 0015 说 明 书 1/4 页 4 CN 109222952 A 4 0016 0017 其中， T为CCD相机的曝光时间， c为电场自相关函数的时间常数， 为光学系统相 干因子(光学系统决定的固定值)。 0018 所述的步骤2)中， 衬比值C的动态范围为0.05-0.86， 计量精度为小数点后4位， 血流灌注量K的动态范围为0-5

12、00， 计量精度为保留整数部分。 0019 所述的步骤3)具体包括以下步骤： 0020 31)构建一张保留三位小数的衬比值C与保留整数血流灌注量K的检索表， 并采用 线性插值的方法使得衬比值矩阵中的每一个衬比值， 在检索表中索引到相对应的血流灌注 量值； 0021 32)按照检索表将衬比值矩阵C(x,y)中所有衬比值对应的血流灌注值， 记录在大 小为(m-w+1)*(n-w+1)的矩阵P(x,y)中， 并将矩阵P(x,y)进行四舍五入取整处理， 得到大小 为(m-w+1)*(n-w+1)的矩阵P (x,y)； 0022 33)根据矩阵P (x,y)中最大的血流灌注量Kmax， 定义所展示的彩色

13、条CB的范围为 0， CBmax， 其中， CBmaxKmax/3， 为四舍五入取整操作， 彩色条CB的三原色为红绿蓝， 将血流灌注量映射为不同的颜色级别， 并对每种颜色级别按照亮度分显示等级； 0023 34)按照步骤33)将矩阵P (x,y)转变成具有亮度等级的颜色矩阵， 完成采用伪彩 色图的方式表述血流灌注量， 颜色越深越偏红的区域说明血流灌注量越大， 对应血红细胞 聚集地越多， 运动速度越快。 0024 所述的步骤33)中， 将血流灌注量按下列公式映射为不同的颜色级别： 0025显示血流灌注量 0026 所述的步骤33)中， 对每种颜色级别按照亮度分显示等级， 具体为： 0027 当血

14、流灌注量K0位于绿色的颜色级别时， 绿色分共为CBmax/4个等级， 其对应的亮 度等级ng的表达式为： 0028 0029 当血流灌注量K0位于红色的颜色级别时， 红色分共为CBmax/2个等级， 其对应的亮 度等级n的表达式为： 0030 0031 当血流灌注量K0CBmax时， 则统一表示为最深的红色。 0032 与现有技术相比， 本发明具有以下优点： 0033 本发明提出的激光散斑血流灌注成像方法基于传统的空间散斑衬比值分析方法， 采用了颜色分级亮度分级的量化血流灌注的方式， 能够重点突出了待测组织中血红细胞大 量聚集， 运动较快的区域， 弥补了传统衬比值分析时计算精度不足的问题， 利

15、用快速插值算 说 明 书 2/4 页 5 CN 109222952 A 5 法技巧提高了计算速度， 并用不同的颜色级别来表示不同区域的血流灌注量， 利用了人眼 的视觉特性放大了不同量化值之间的细微变化， 具有实用性和推广性。 附图说明 0034 图1为本发明算法原理图。 0035 图2为实际的成像效果图。 具体实施方式 0036 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 0037 实施例 0038 下面结合附图详细说明本发明的实例。 0039 如图1所示， 本发明描述的大动态范围血流灌注成像的具体方式为： 0040 第一步： 利用配套的激光散斑血流成像仪拍摄原始的激光散斑图像， 拍摄部位

16、为 静止状态下的人体手背。 该图像的分辨率是。 用(1040*1392)大小的矩阵f(x,y)存储图像每 一个像素位置的灰度值。 0041 第二步： 使用一个5*5的滑动窗， 计算窗内所有像素灰度值的标准差与均值之比， 得到该窗体内中心点的散斑对比度C， 并将C赋值于该中心点对应的像素， 当滑动窗滑过整 幅图像f(x,y)时， 一共进行(1036*1388)次类似的计算， 得到的所有中心衬比值构成(1036* 1388)大小的空间衬比值矩阵C(x,y)。 0042 第三步： 按照公式1的转换方式， 提前以1/C2作为牛顿迭代的初始值， 算出衬比值C 与血流灌注量K的对应关系， 并建立索引表。

17、0043 0044 实验中， C值的动态范围较小， 范围在0.05-0.86， 因此需要计量到小数点后4位 以提高不同像素之间的对比度。 而K值得动态范围较大， 范围在0-500之间， 因此仅保留整 数， 也能有效地反映出不同像素之间的区别。 0045 表1展示了索引表的部分内容 0046 表1衬比值与血流灌注量对应表(部分) 0047 0048 按照定义的检索算法， 如果衬比值矩阵中一元素C00.1297， 查阅检索表， 小于C0 说 明 书 3/4 页 6 CN 109222952 A 6 的最大值是0.1291， 大于C0的最小值是0.1302， 则相应的血流灌注量为58.5454， 取

18、整数后K0 为59。 0049 以上述方式， 检索得到衬比值矩阵C(x,y)对应的血流灌注量矩阵P(x,y),大小同 样为(1036*1388)。 0050 步骤4： 将P(x,y)进行四舍五入取整处理， 得到大小为(1036*1388)的矩阵P (x, y)。 0051 步骤5： 取出P (x,y)中最大的血流灌注量Kmax145,定义所展示的彩色条CB的范 围为0,CBmax， 其中CBmaxKmax/348。 彩色的三原色分别是红绿蓝， 将血流灌注量按照 公式2的方式映射为不同的颜色级别。 0052显示血流灌注量 0053 分配好颜色后， 再将一个颜色分量按照亮度分成若干个等级， 在每个

19、颜色等级上 赋予K值所对应的颜色， 以绿色为例， 本案例中， 绿色会被分成12个等级， 当12K024时， K0 对应n级绿色， 其中， n由公式3计算得到。 0054 nK0-12 (公式3) 0055 如果K020， 则就是用第8级绿色来表示这个像素。 0056 将P (x,y)按照该方法转变成一个颜色矩阵， 即完成了用伪彩色图的方式表述血 流灌注量的过程， 颜色越深， 越偏红的区域说明血流灌注量越大， 对应血红细胞聚集地越 多， 运动速度越快。 0057 如图2所示， 图2为使用本发明得到的血流灌注成像图， 拍摄的是正常情况下的手 背情况， 手指关节处， 手指尖颜色较深， 符合这两个部位

20、血流流速较快的生理现实， 说明本 方法具有实用性。 0058 本发明使用大动态范围的血流灌注量K值作为量化标准， 来对人体微循环状况做 出客观的评估， 不会带入主观判断。 经过实践证明， 血流灌注量在计算精度， 数值范围等方 面都优于传统的衬比值量化标准。 0059 本发明避免了每一次运算都要进行大量重复的牛顿迭代过程， 能够实现伪彩色图 的实时显示， 满足实际应用的要求， 并且描述了使用伪彩色技术呈现大动态范围量化值的 技术， 利用人体的视觉差异， 使用红绿蓝三种不同的颜色特点显示了不同数据范围之内数 值， 能够拉开不同数据范围之间的差异， 获得更为直观的显示。 说 明 书 4/4 页 7 CN 109222952 A 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/1 页 8 CN 109222952 A 8