多光束相干人體皮膚灌注成像系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種無創、實時監測組織血流的皮膚灌注成像技術，具體涉及一種多 光束相干人體皮膚灌注成像系統和方法，屬于臨床組織血流成像領域。
【背景技術】
[0002] 在1960年早期，激光的發明者和首先使用激光者發現當激光照射粗造表面時，會 形成一些隨機的顆粒狀的斑點。起先他們稱這種效應為"顆粒"，后來稱之"散斑"。散斑即 當激光照射在相對粗糙(和光的波長相比）的物體表面上，經過不同光程的散射光之間相互 干涉，形成隨機干涉圖樣。
[0003] 當被激光照亮的區域經過CCD成像系統時，產生顆粒狀或斑紋狀像面散斑。如果 散射介質在運動，圖像中的每一個象素將產生隨時間變化的散斑圖樣。該圖樣在時間和空 間上的強度變化包含著散射介質的運動信息。通過分析散斑強度在時間上的變化(如激光 多普勒測速儀)，或強度變化的空間統計特性(如激光散斑襯比成像)，都可獲得定量的流速 信息。
[0004] 激光多普勒測速技術可以無損傷、連續地測定組織微血管血液速度，因為適應范 圍廣、操作簡便而得到廣泛應用。但是激光多普勒技術只能逐點取樣測血流速度，成像則需 要配備掃描裝置等，空間分辨率低。
[0005] 激光散斑襯比成像方法可以獲取血流速度信息，其原理是利用相干光照射在血管 上，被血管中運動的紅細胞散射后相互干涉，形成斑點式的光強分布，通過解析這種由紅細 胞運動造成的時間域或空間域的散斑模糊效應，可以獲取運動粒子的速度信息。激光散斑 襯比成像技術無需掃描便能實現較高的空間分辨率和時間分辨率，能夠活體地、動態地、非 接觸式地監測血管管徑和血流速度變化，獲得血流動力學的多個指標，具有全場成像、實時 性強、結構簡單等諸多優點，受到了越來越多的神經科學工作者和醫學工作者的關注。但是 激光散斑襯比成像只能獲取皮膚表面的血流速度信息，而不能得到深度信息。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的問題是結合激光多普勒原理和激光散斑襯比成像技術，目的是 提供一種多光束相干人體皮膚灌注成像系統和方法，設計合理、方法簡單、成本相對低廉。
[0007] 為達到上述目的，本發明的構思如下： 激光器發出的光通過輸出光纖均勻照射在被測組織表面形成多光束相干光，當多光束 相干光疊加進入組織后，在傳播過程中就由于組織細胞的散射形成隨機分布的散射圖樣。 通過計算機控制高速相機進行數據采集，獲取后向散射光得到散射圖案。在數據分析中，我 們首先通過傅里葉變換的手段，基于激光多普勒的原理求解皮膚組織的灌注量，使其成像 深度與激光多普勒血流檢測一致，之后使用襯比度分析來得到相干時間的估算，使其成像 空間分辨率與激光散斑襯比成像一致。因此其主要優勢為即能檢測成像深度，又提高了成 像分辨率，在時間分辨率方面可實時檢測并顯示。
[0008] 根據上述構思，本發明采用如下技術方案： 一種多光束相干人體皮膚灌注成像系統，包括激光器、光分路器、單模光纖、高速相機、 濾光片、調節支架、計算機，若干所述單模光纖安裝在光分路器上，所述激光器連接光分路 器輸入端的單模光纖，光分路器的輸出端的單模光纖均勻地圍繞在高速相機鏡頭周圍，所 述的濾光片緊貼在高速相機鏡頭上，所述的計算機與激光器以及高速相機相連，控制激光 的開關和圖像的采集，所述調節支架一端連接高速相機，另一端固定。
[0009] 所述的激光器發出的光的波長為830nm。
[0010] 所述的濾光片濾掉波長800nm以下的光。
[0011] 所述的光分路器為單輸入16輸出。
[0012] 所述的光分路器的16根輸出光纖均勻地圍繞在相機鏡頭周圍。
[0013] 所述的高速相機的幀速率達到10000幀每秒，且在該系統中，分別工作在高速和 低速兩個模式，其中高速為1萬幀每秒，低速為200幀每秒。
[0014] 一種多光束相干人體皮膚灌注成像方法，采用上述的多光束相干人體皮膚灌注成 像系統，成像步驟如下： A. 調整成像位置：根據成像對象位置，移動調節支架，使高速相機鏡頭對準皮膚表面； 通過軟件打開高速相機，根據成像區域，調整高速相機與皮膚表面的距離，使其停在圖像 最清晰位置； B. 打開激光器：通過軟件控制打開激光器，使激光通過光分路器，由16根單模光纖照 射在皮膚表面，形成相干光； C. 圖像采集：圖像采集速率分為高速，即每秒1萬幀和低速，即每秒200幀，二者每隔 1秒互相切換； D. 圖像處理：對于高速下的1萬張圖像，對每一個像素點J(x，y，t)求快速傅里葉變 換，同時應用下述公式獲得組織內血細胞濃度組織灌注量/?勺信息：
其中，a, 6為常數系數，/為頻率，5/乃為功率譜； 對于低速下的200張圖像，利用散斑襯比度算法求得襯比度值尤
其中，〇為圖像中散斑光強的標準差，為圖像中散斑光強的均值， 根據以下公式，通過用直和曝光時間球得相關時間re，
其中C為常數系數。
[0015] 與現有技術相比，本發明具有如下突出的實質性特點和顯著的進步： 本發明一款用于無創監測組織血流的皮膚灌注成像系統，通過低能量相干激光束，生 成監測區域的血流灌注量偽彩圖像，設計合理、方法簡單、成本相對低廉。本系統和方法可 用于監測健康或患病組織的微循環狀況，亦可用于研宄不同生理刺激下的微循環反應。監 測過程為非接觸式，應用領域非常廣泛，包括燒傷評估、整形外科、傷口愈合以及皮膚病科 等。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明多光束相干人體皮膚灌注成像系統結構圖。
[0017] 圖2為本發明產品設計及應用圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發明的實施做進一步的