一种基于片层光的三维血流速度成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于片层光的三维血流速度成像方法及装置，方法包括：通过片层光对样品进行分层照射；收集分层光照射到样品并散射出来的每一层信号，并对于每一层，每隔1/f时间采集一帧图像，得到m帧血流原始图像，直至所有层均采集完毕；对m帧血流原始图像进行构建得到第z层的动态血流图像，直至得到所有层的动态血流图像；将所有层的动态血流图像进行三维重建得到三维血管分布；从三维血管分布计算得到三维血管速度。装置包括：片层光照射系统、采集系统和处理系统。本发明专利技术相对于现有技术，可以很好的得到三维血管速度。本发明专利技术主要用于图像处理技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于片层光的三维血流速度成像方法及装置
本专利技术涉及图像处理
，特别涉及一种基于片层光的三维血流速度成像方法及装置。
技术介绍
全场光学血流成像技术具有非接触、无损、大视野和高分辨率的优点，常被用于研究在体血管生长、血流速度变化和血流灌注等生理过程，在病理研究和疾病诊断中有着广阔的应用前景。中国专利文献号CN105574861A，公开了一种无标记的血流成像方法及系统，通过在相同的曝光时间和采集时间下，连续采集若干帧图像，然后对每像素点时间序列进行傅里叶变换并进行高通滤波得到高频信号，然后进行多普勒频移计算，获得相应的血流速度。在光片照明成像(lightsheetillumination)技术，是一种被用于发育生物学、细胞动态观察和肿瘤血管三维成像方法。中国专利文献号CN108020503A，公开了一种光片照明显微成像系统和方法，通过样本移动装置控制样本移动，使得样本不同部分被切削装置切削，并通过斜入射照明及斜探测的方式对样本表面进行光片照明成像。该专利可实现对大体积样本的高分辨率尤其是高轴向分辨率成像，同时提供高成像质量和高成像速度。中国专利文献号CN104155274A，公开了一种双光束光片照明显微扫描成像方法，采用两路扫描激光垂直照射在样品上，激发样品荧光，对透明样品进行光片照明成像。中国专利文献号CN108937909A，公开了一种基于片层光的选层血流散斑成像装置及方法，通过两个变焦透镜改变两束片层光的焦点，在不同选层采集N帧图像来重建该层的血流原始图像，最后组合各选层的融合图像得到高清晰度的三维图像。中国专利文献号CN105574861A，只能实现二维血流成像和速度测量，无法实现三维血流成像和速度测量。而且，该方法准确测量速度对角度要求较高。中国专利文献号CN108020503A，虽然可以提供成像分辨率，尤其是轴向分辨率，但是该技术需要对样品进行切削，无法实现活体生物成像。中国专利文献号CN104155274A，适用于活体生物成像，且通过双光束扫描将成像速度提高一倍，但是该方法依然依赖于荧光成像，难以用于长时间的成像和检测。中国专利文献号CN108937909A，提高了图像采集质量，可以提供高清晰度的三维图像，但是该技术无法测量血流速度。以上文献均为单模态成像技术，成像效果不佳。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于片层光的三维血流速度成像方法及装置，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。为解决上述技术问题所采用的技术方案：提供一种基于片层光的三维血流速度成像方法，包括：步骤1、通过片层光对样品进行分层照射；步骤2、收集分层光照射到样品并散射出来的每一层信号，并对于每一层，每隔1/f时间采集一帧图像，得到m帧血流原始图像，直至所有层均采集完毕；步骤3、对m帧血流原始图像进行构建得到第z层的动态血流图像，直至得到所有层的动态血流图像；步骤4、将所有层的动态血流图像进行三维重建得到三维血管分布；步骤5、从三维血管分布计算得到三维血管速度。进一步，在步骤3中，对m帧血流原始图像进行构建得到第z层的动态血流图像包括：步骤3.1、对第z层所采集的m帧原始血流图像逐一像素点进行沿时间轴的快速傅里叶变换，即可得到每一像素点沿m帧图像的时间信号的频谱；用数学表达式可以表达为：I(x,y,z,u)＝FFTt→u[I(x,y,z,t)]；其中，I(x,y,z,t)表示第z层像素点(x,y)沿时间轴t的信号，I(x,y,z,u)表示I(x,y,z,t)经傅里叶变换后的频域分布；步骤3.2、设定频率窗口，分别提取出动态信号和静态信号；步骤3.3、定义成像参量为频域动态信号平均强度与频域静态信号平均强度之比；步骤3.4、通过数学表达式将第z层图像中各个像素点的值计算成调制深度MD得到第z层的动态血流图像；其中：进一步，在步骤4中，将所有层的动态血流图像进行三维重建得到三维血管分布包括：步骤4.1、建立数学模型k(z)：通过最小二乘法对样本数据进行高斯拟合，采用的拟合公式为：其中，β＝[a，b，c]T,n为采集的总层数，a、b和c均为实数；步骤4.2、寻找拟合极大值的位置来确定像素点的空间坐标；步骤4.3、通过所述空间坐标得到三维血管分布，记为MD′(x，y，z)。进一步，在步骤5中，从三维血管分布计算得到三维血管速度包括：步骤5.1、对第z层采集到的图像，每一像素点的时间序列信号沿时间轴进行傅里叶变换，并设置滤波处理窗口，分离出每一像素点的动态频域信号和静态频域信号；步骤5.2、对动态频域信号以及静态频域信号分别进行逆傅里叶变换，得到每个像素点的动态时域信号IAC(x，y，z，t)以及静态时域信号IDC(x，y，z，t)；步骤5.3、根据血管内血红细胞在低相干光条件下产生的吸收涨落调制效应，定义瞬时调制深度IMD(x，y，z,t)为：步骤5.4、选定位置(x,y,z)作为第一待测点，并在该位置设定图像处理窗口，计算第一待测点和窗口内每一像素点的相关性，数学表达为：其中，R(x′,y′,z′,τ)为互相关系数，描述了两个信号的相关程度，通过计算最大互相关系数对应的位置，即可算出血红细胞不同时刻的位置(x′,y′,z′)，τ表示为血红细胞经过两个相关位置之间的渡越时间；步骤5.5、通过计算血红细胞不同时刻的位置和渡越时间的比值得到血流速度。另一方面，提供一种基于片层光的三维血流速度成像装置，包括：片层光照射系统、采集系统和处理系统，所述片层光照射系统包括：宽带光源、激发光源、2x2光纤耦合器、第一光斑均匀准直器、第一柱面镜、第一三维平台、第二光斑均匀准直器、第二柱面镜、第二三维平台、升降平台和运动控制卡；所述采集系统包括CMOS相机；所述处理系统包括电脑；所述片层光照射系统用于：产生片层光，并对样品进行分层照射；所述采集系统用于：收集分层光照射到样品并散射出来的每一层信号，并对于每一层，每隔1/f时间采集一帧图像，得到m帧血流原始图像，直至所有层均采集完毕；所述处理系统用于：对m帧血流原始图像进行构建得到第z层的动态血流图像，直至得到所有层的动态血流图像；将所有层的动态血流图像进行三维重建得到三维血管分布；从三维血管分布计算得到三维血管速度；所述CMOS相机与电脑通讯连接，所述宽带光源的输出端与2x2光纤耦合器的第一输入端连接，所述激发光源的输出端与2x2光纤耦合器的第二输入端连接，所述2x2光纤耦合器的第一输出端与第一光斑均匀准直器的输入端连接，所述2x2光纤耦合器的第二输出端与第二光斑均匀准直器的输入端连接，所述第一光斑均匀准直器的输出端输出第一准直光束作用在第一柱面镜上，所述第一柱面镜将所述第一准直光束输出第一片层光，所述第二光斑均匀准直器的输出端输出第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于片层光的三维血流速度成像方法，其特征在于：包括：/n步骤1、通过片层光对样品进行分层照射；/n步骤2、收集分层光照射到样品并散射出来的每一层信号，并对于每一层，每隔1/f时间采集一帧图像，得到m帧血流原始图像，直至所有层均采集完毕；/n步骤3、对m帧血流原始图像进行构建得到第z层的动态血流图像，直至得到所有层的动态血流图像；/n步骤4、将所有层的动态血流图像进行三维重建得到三维血管分布；/n步骤5、从三维血管分布计算得到三维血管速度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于片层光的三维血流速度成像方法，其特征在于：包括：
步骤1、通过片层光对样品进行分层照射；
步骤2、收集分层光照射到样品并散射出来的每一层信号，并对于每一层，每隔1/f时间采集一帧图像，得到m帧血流原始图像，直至所有层均采集完毕；
步骤3、对m帧血流原始图像进行构建得到第z层的动态血流图像，直至得到所有层的动态血流图像；
步骤4、将所有层的动态血流图像进行三维重建得到三维血管分布；
步骤5、从三维血管分布计算得到三维血管速度。


2.根据权利要求1所述的一种基于片层光的三维血流速度成像方法，其特征在于：
在步骤3中，对m帧血流原始图像进行构建得到第z层的动态血流图像包括：
步骤3.1、对第z层所采集的m帧原始血流图像逐一像素点进行沿时间轴的快速傅里叶变换，即可得到每一像素点沿m帧图像的时间信号的频谱；
用数学表达式可以表达为：
I(x,y,z,u)＝FFTt→u[I(x,y,z,t)]；
其中I(x,y,z,t)表示第z层像素点(x,y)沿时间轴t的信号，I(x,y,z,u)表示I(x,y,z,t)经傅里叶变换后的频域分布；
步骤3.2、设定频率窗口，分别提取出动态信号和静态信号；
步骤3.3、定义成像参量为频域动态信号平均强度与频域静态信号平均强度之比；
步骤3.4、通过数学表达式将第z层图像中各个像素点的值计算成调制深度MD得到第z层的动态血流图像；
其中：





3.根据权利要求1所述的一种基于片层光的三维血流速度成像方法，其特征在于：在步骤4中，将所有层的动态血流图像进行三维重建得到三维血管分布包括：
步骤4.1、建立数学模型k(z)：



通过最小二乘法对样本数据进行高斯拟合，采用的拟合公式为：



其中，β＝[a,b,c]T,n为采集的总层数，a、b和c均为实数；
步骤4.2、寻找拟合极大值的位置来确定像素点的空间坐标；
步骤4.3、通过所述空间坐标得到三维血管分布，记为MD′(x,y,z)。


4.根据权利要求1所述的一种基于片层光的三维血流速度成像方法，其特征在于：在步骤5中，从三维血管分布计算得到三维血管速度包括：
步骤5.1、对第z层采集到的图像，每一像素点的时间序列信号沿时间轴进行傅里叶变换，并设置滤波处理窗口，分离出每一像素点的动态频域信号和静态频域信号；
步骤5.2、对动态频域信号以及静态频域信号分别进行逆傅里叶变换，得到每个像素点的动态时域信号IAC(x,y,z,t)以及静态时域信号IDC(x,y,z,t)；
步骤5.3、根据血管内血红细胞在低相干光条件下产生的吸收涨落调制效应，定义瞬时调制深度IMD(x,y,z,t)为：



步骤5.4、选定位置(x,y,z)作为第一待测点，并在该位置设定图像处理窗口，计算第一待测点和窗口内每一像素点的相关性，数学表达为：
R(x′,y′,z′,τ)＝∫0TIMD(x,y,z,t)*IMD(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：易敏，王茗祎，关财忠，李泓毅，麦浩基，郑伊玫，杨尚潘，杜倩宜，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：广东;44