用于血流和灌注成像以及量化的多光谱激光成像（MSLI）方法和系统技术方案

本发明专利技术概念的一些实施例提供了使用具有穿过样本的差异透射率的两个波长来应用激光散斑成像或者激光多普勒成像的系统。所述两个波长中的第一波长在可见范围内，其具有零或非常浅的穿透性。该波长捕获组织/器官表面的解剖结构并且用作所述样本的而不是血流和灌注的亚表面移动的位置标记。第二波长在近红外（NIR）范围内，其具有深得多的穿透性。该波长揭示了下层血流生理机能并且既与所述样本的运动相关又与血流和灌注的移动相关。因此，血流和灌注的真实运动可以在不受目标的运动伪影的影响的情况下根据NIR成像测量而得到。

Methods and systems for multispectral laser imaging (MSLI) for blood flow and perfusion imaging and quantification

Some embodiments of the concept provide a system using laser speckle imaging or laser Doppler imaging using two wavelengths with different transmittance across the sample. The first wavelength of the two wavelengths is within the visible range, which has zero or very shallow penetration. The wavelength captures the anatomical structure of the tissue / organ surface and is used as a sample of the sample rather than the location marker of the subsurface movement of the blood flow and perfusion. The second wavelength is in the near infrared (NIR) range, which has a much deeper penetration. This wavelength reveals the physiological function of the lower blood flow and is related to both the motion of the sample and the movement of the blood flow and perfusion. Therefore, the real movement of blood flow and perfusion can be measured by NIR imaging without the effect of a target motion artifact.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于血流和灌注成像以及量化的多光谱激光成像（MSLI）方法和系统要求优先权本申请要求题为“Multi-SpectralLaserImaging(MSLI)MethodsandSystemsforBloodFlowandPerfusionImagingandQuantification”、2015年3月20日提交的美国临时申请序列号62/136,010的权益和优先权，该临时申请的公开内容在此通过引用如同整体阐述结合于本文。版权的保留此专利文献的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。版权的拥有者（EastCarolinaUniversityofGreenville,N.C.），当专利文件或专利公开出现在专利商标局的专利文件或记录中时，不反对由任何人对专利文件或专利公开的复制，但是以其他方式无论如何都保留所有版权权利。
本专利技术概念一般涉及血流和灌注量化，以及更特别地，涉及使用成像技术（诸如激光散斑成像、激光多普勒成像以及具有多光谱能力的类似技术）的根据组织/器官中血液速度和血液流率的分布来量化血流和灌注。
技术介绍
血流和灌注成像技术的测量结果通常在临床环境中被目标组织/器官的移动伪影（artifact）所破坏。该移动可以是微小的（即，由于收缩和舒张血压水平所引起的小动脉的搏动）、中等的（即，小肠或大肠的正常蠕动）或巨大的（即，在心搏周期期间的心脏移动）。该移动可以内在于经成像的组织（即，上文所引用的示例），或者是外来的（即，换气期间作为肺部移动的结果的心脏移动）。因此，在期望流量和灌注的精确量化的许多临床情况中，将成像目标保持在静止状态中是困难的，并且这在一些临床情景中甚至是不可能的。例如，诸如对血液流速和流率的分布进行成像以用于对跳动心脏的冠状动脉和心肌中的灌注进行量化。不幸的是，大多数传统的基于激光的灌注技术假定目标组织/器官是静止的，这在目标正移动（例如跳动的心脏）所处的血液速率或速度的临床测量中引入显著的不精确度或误差，或者仅仅没有提供用于根据血液流率分布来量化灌注的信息，所述信息在目标可能正在移动或可能没有正在移动的临床情况中是迫切需要的。动物或人体内的组织/器官对不同波长的光不同地进行响应。通常，较短波长的光仅可以穿透组织的表面层，而较长波长的光在从紫外（UV）到近红外（NIR）的光谱区域内既可以穿透表面层也可以穿透亚表面层。当查看组织和器官的表面时，波长短于例如550nm的可见光和UV对于在药学上的详细解剖可视化是最优的。然而，不像NIR光，UV或可见光成像通常并不固有地能够在亚表面层中揭示组织/器官的生理学特性，这部分地是由于缺少对组织/器官的穿透。因此，期望可视化和量化的改进方法。
技术实现思路
本专利技术概念的一些实施例提供了多光谱成像系统，其包括：具有第一波长的第一光源，其被配置成对样本进行成像；不同于第一光源的具有不同于所述第一波长的第二波长的第二光源，其被配置成对样本进行成像；相机，其被配置成接收信息，例如来自样本的与所述第一和第二光源有关的散射光，其中所述第一波长被配置成反射离开所述样本的表面进入到相机中以及所述第二波长被配置成穿透所述样本并且向所述相机提供与所述样本有关的信息；以及处理器，其被配置成将由所述相机提供的与所述第一和第二光源有关的信息进行组合，以根据血液流率分布对所述样本的解剖结构进行成像，对所述样本的血流和灌注的生理机能进行成像和/或对样本的解剖结构以及血流和灌注的生理机能进行合成。在进一步的实施例中，所述第一和第二波长具有从350nm到1100nm范围内的不同波长。在更进一步的实施例中，所述第一波长可以在紫外（UV）光谱或可见光谱中并且所述第二波长可以在可见光谱或近红外光谱中。在一些实施例中，所述样本可以是组织和器官中的至少一个。在进一步的实施例中，所述处理器可以被进一步配置成实时地使用一个或多个单色相机来重构彩色图像。在更进一步实施例中，所述处理器可以被进一步配置成采集可见光谱或近红外（NIR）光谱中的散射光以提供更深的组织信息。在一些实施例中，所述系统的输出可以提供独特的可视化清晰度。在进一步实施例中，所述处理器可以被进一步配置成根据血液流率分布来量化地分析样本的解剖结构以及血流和灌注的生理机能。在更进一步的实施例中，所述处理器可以被进一步配置成在经成像组织/器官中将组织/器官的运动与血流和灌注的运动分离。在一些实施例中，所述处理器可以被进一步配置成移除经成像样本（例如，组织/器官）的运动伪影以便改善血流和灌注的量化的精确度，所述运动伪影由经成像样本的生理学和/或病理生理学移动所引起。在进一步的实施例中，所述处理器可以被进一步配置成移除由成像平台/相机的移动所引起的图像样本的运动伪影以便改善血流和灌注的量化的精确度。在更进一步的实施例中，所述处理器可以被进一步配置成通过移除运动伪影在基于激光的血流和灌注测量技术中改善量化精确度。在一些实施例中，所述灌注测量技术可以包括激光散斑成像（LSI）、激光多普勒成像（LDI）、荧光成像、反射成像和/或LSI加荧光。在进一步实施例中，所述处理器可以被进一步配置成通过移除由非均匀散射介质的光学特征的差异所引起的静态背景来在基于激光的血流和灌注测量技术中改善量化精确度。在更进一步的实施例中，所述处理器可以被进一步配置成实时同时地显示经成像样本（例如，经成像组织/器官）的解剖结构以及血流和灌注的生理机能。在一些实施例中，所述处理器可以被进一步配置成在样本中的不同深度处对解剖结构和血流生理机能进行成像。在进一步的实施例中，所述第一波长可以被配置成从在350nm到550nm之间到在300nm到600nm之间延伸到所述样本中以及所述第二波长可以被配置成在550nm到1100nm之间到在500nm到1500nm之间穿透所述样本。更进一步的实施例提供了相关的方法和计算机程序产品。附图说明图1是图示了根据本专利技术概念的一些实施例的实现双波长成像的系统的框图。图2是图示了根据本专利技术概念的一些实施例的多波长成像系统的各种部件的更详细的框图。图3是根据一个或多个本专利技术概念的一些实施例的数据处理系统的框图。图4是根据一个或多个本专利技术概念的一些实施例的在图3中图示的数据处理系统的更详细的框图。图5A和5B是手的可见光图像（5A）和近红外光图像（5B）。图6A和6B是图示了使用仅近红外光（6A）和双波长照明（6B）对静止的手的灌注测量的图像。图7A和7B是图示了使用仅近红外光（7A）和双波长照明（7B）对摇动的手的灌注测量的图像。图8A和8B是图示了使用仅近红外光（8A）和双波长照明（8B）对静止的手的灌注测量的图像，其中使用另一只手挤压被成像的手的手腕来暂时阻塞供血。图9A和9B图示了使用仅近红外光（9A）和双波长照明（9B）对猪大肠的灌注测量。图10A-10D是图示了下述各项的图像：为了定义解剖结构的一块猪小肠的可见光图像（10A）；为了定义透明图的同一块小肠的近红外光图像（10B）；使用LSI由NIR原始图像的11帧所计算的同一块小肠的血液流速分布图；以及使用根据本专利技术概念的一些实施例的算法的使用A、B、C来揭示解剖结构和生理机能两者的组合视觉效果（10D）。图11A-11C是图示了下述各项的图像：为了由8位灰度图像的亮度定义的解剖结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多光谱成像系统，所述系统包括：具有第一波长的第一光源，其被配置成对样本进行成像；不同于所述第一光源的具有不同于所述第一波长的第二波长的第二光源，其被配置成对样本进行成像；相机，其被配置成接收来自所述样本的与所述第一和第二光源有关的信息，其中第一波长下的光被配置成将所述样本的表面成像到所述相机中，以及第二波长下的光被配置成穿透所述样本并且向所述相机提供与所述样本有关的信息；以及处理器，其被配置成将由所述相机提供的与所述第一和第二光源有关的信息进行组合，以根据血液流率分布对所述样本的解剖结构进行成像，对所述样本的血流和灌注的生理机能进行成像和/或对所述样本的解剖结构以及血流和灌注的生理机能进行合成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.20 US 62/136010;2016.02.26 US 15/0548301.一种多光谱成像系统，所述系统包括：具有第一波长的第一光源，其被配置成对样本进行成像；不同于所述第一光源的具有不同于所述第一波长的第二波长的第二光源，其被配置成对样本进行成像；相机，其被配置成接收来自所述样本的与所述第一和第二光源有关的信息，其中第一波长下的光被配置成将所述样本的表面成像到所述相机中，以及第二波长下的光被配置成穿透所述样本并且向所述相机提供与所述样本有关的信息；以及处理器，其被配置成将由所述相机提供的与所述第一和第二光源有关的信息进行组合，以根据血液流率分布对所述样本的解剖结构进行成像，对所述样本的血流和灌注的生理机能进行成像和/或对所述样本的解剖结构以及血流和灌注的生理机能进行合成。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二波长具有在从350nm到1100nm范围内的不同波长。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一波长是在紫外（UV）光谱和可见光谱之一中以及所述第二波长是在可见光谱和近红外光谱之一中。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述样本包括组织和器官中的至少一个。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成实时地使用至少一个单色相机重构彩色图像。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使用可见光谱和近红外（NIR）光谱之一中的波长的光来替换红色光谱以提供更深的组织信息。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统的输出提供了独特的可视化清晰度。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成根据血液流率分布来量化地分析所述样品的解剖结构以及血流和灌注的生理机能。9.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成在经成像样本中将所述样本的运动与血流和灌注的运动分离。10.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成移除经成像样本的运动伪影以便改善血流和灌注的量化的精确度，所述运动伪影由经成像样本的生理学和/或病理生理学移动所引起。11.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成移除由成像平台/相机的移动所引起的经成像样本的运动伪影以便改善血流和灌注的量化的精确度。12.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成通过移除运动伪影在基于激光的血流和灌注测量技术中改善量化精确度。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述灌注测量技术包括激光散斑成像（LSI）、激光多普勒成像（LDI）、荧光成像、反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈成，TB小费尔古森，Z彭，KM雅各布斯，
申请(专利权)人：东卡罗莱娜大学，
类型：发明
国别省市：美国,US