專利名稱：基于橫向流速模型的血流流速成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及血流成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于橫向流速模型的血流流速成像方法。
背景技術(shù)：
體表淺層微循環(huán)系統(tǒng)血流流速分布的快速成像，在臨床上有廣泛的應(yīng)用，目前，非侵入性的血流成像技術(shù)包括:散斑技術(shù)、超聲多普勒流速儀、激光多普勒流速儀、多普勒光學(xué)相干層析、基于高速CMOS相機(jī)的激光多普勒血流成像技術(shù)。散斑技術(shù)不能進(jìn)行定量測量，也不適用于較快的流速，超聲多普勒流速儀只能用于大血管，無法用于微循環(huán)系統(tǒng)。多普勒光學(xué)相干層析和激光多普勒流速儀都是單點(diǎn)測量，需要機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)較大面積成像，成像速度慢。基于高速CMOS相機(jī)的激光多普勒血流成像技術(shù)是對激光多普勒流速儀的改進(jìn)，和激光多普勒流速儀一樣都是基于多普勒效應(yīng)，使用幀頻率為20KHZ左右的高速CMOS相機(jī)，代替機(jī)械掃描，實(shí) 現(xiàn)快速成像。但是這種高速CMOS相機(jī)及所需要的巨大的數(shù)據(jù)傳輸處理速度，使這種成像技術(shù)的成本很高，同時血流流速結(jié)果受多普勒角不確定性影響較大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于橫向流速模型的血流流速成像方法，它能通過紅細(xì)胞斷續(xù)進(jìn)出探測光焦斑導(dǎo)致的背向散射光強(qiáng)信號的低頻漲落去計算血流流速，以代替目前使用的由多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的高頻漲落計算血流流速的方法。
本發(fā)明所提出的技術(shù)解決方案是這樣的: 一種基于橫向流速模型的血流流速成像方法，該成像方法包括如下步驟:用經(jīng)擴(kuò)束的激光5照射體表6，用CMOS相機(jī)7對被照區(qū)域連續(xù)成像，CMOS相機(jī)7每個像素記錄的光強(qiáng)信號形成獨(dú)立的信號序列，計算每個信號序列的歸一化自相關(guān)函數(shù)，歸一化自相關(guān)函數(shù)的第一個零點(diǎn)之前部分線性區(qū)域的斜率為紅細(xì)胞I橫向穿過探測光焦斑2的渡越時間1I紅細(xì)胞的橫向速度為*7^ = Φο，其中，w力探測光焦斑的橫向?qū)挾取?br> 本發(fā)明的原理如下:經(jīng)擴(kuò)束的激光5以和體表6接近垂直的方向照射體表6，用CMOS相機(jī)7對被照區(qū)域進(jìn)行連續(xù)成像，CMOS相機(jī)7的整個像素矩陣等價于并行的探測器陣列，每一個像素即是一個獨(dú)立的探測器，記錄對應(yīng)焦點(diǎn)處隨時間變化的背向散射光強(qiáng)信號。假定某個像素對應(yīng)的焦斑處的血流情況如

圖1 (a)所示，圖中黑點(diǎn)表示流動的紅細(xì)胞，點(diǎn)線矩形框表示探測光的焦斑2，當(dāng)紅細(xì)胞沒有進(jìn)入探測光焦斑2時，反射回去的信號很弱，當(dāng)紅細(xì)胞I進(jìn)入探測光焦斑2時，會有較強(qiáng)的反射信號，因此受流動的紅細(xì)胞I斷續(xù)進(jìn)出探測光焦斑2的調(diào)制，背向散射光強(qiáng)信號隨時間形成一個一個的脈沖，當(dāng)紅細(xì)胞I移動速度較慢時，穿過探測光焦斑2的時間較長，產(chǎn)生的脈沖寬度較大，當(dāng)紅細(xì)胞I移動速度較快時，穿過探測光焦斑2的時間較短，產(chǎn)生的脈沖寬度較窄，脈沖的時間寬度對應(yīng)紅細(xì)胞I穿過探測光焦斑2的時間，即渡越時間Tq。圖1 (a)中，在非聚焦區(qū)域穿過探測光束的紅細(xì)胞3、4，由于這些紅細(xì)胞3、4處于焦斑2之外，對背向散射光強(qiáng)信號的影響較小，因此，焦斑2外的紅細(xì)胞的影響可以忽略。圖1 (b)中矩形框表示放大的焦斑2，紅細(xì)胞以速度F流過焦斑2，探測光沿豎直方向，多普勒角為的縱向分量導(dǎo)致多普勒頻移，假定為;紅細(xì)胞以橫向速度&穿過探測光焦斑2，則背向散射光可表示為馬=A(i)cos(m + Am),假定血管周圍靜止組織的背向散射光為E2 = Bcos(m)，這兩部分光都進(jìn)入探測器進(jìn)行干涉(即外差法)，則探測到的光為/ = +52 +A(i)Bcos(A戧),因?yàn)橹?遠(yuǎn)小于5，則探測到的光強(qiáng)信號可以簡化為/ =爐如圖2 (a)所示，其中的高頻振蕩來源于多普勒效應(yīng)，即cosb ￡；)，所以，基于多普勒效應(yīng)的血流成像方法都是分析高頻振動信號計算流速，對相機(jī)的幀頻要求比較高，一般在20KHZ。圖2 Ca)中的低頻包絡(luò)(如圖2 (b)所示)對應(yīng)于,圖2 (b)中的脈沖就是紅細(xì)胞穿過探測光焦斑所形成，因此脈沖的平均時間寬度就是紅細(xì)胞穿過探測光焦斑的時間，即渡越時間％，假定探測光焦斑的橫向?qū)挾葹棣虅t紅細(xì)胞的橫向速度。P1 = w/tq。由于圖2 (b)中的低頻脈沖的頻率較低，因此對相機(jī)的幀頻要求不低于500HZ即可。當(dāng)相機(jī)的曝光時間大于多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的高頻振蕩的幾個周期時，則多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的高頻振蕩就被平均，信號中只有紅細(xì)胞斷續(xù)進(jìn)出探測光焦斑導(dǎo)致的低頻脈沖，如圖2 (b)所示。
雖然橫向流速模型只能得到流速的橫向分量，即Fsm Θ , F為實(shí)際流速A力多普勒角，由于體表淺層血管大部分都是和體表接近平行分布，當(dāng)成像系統(tǒng)和照射激光和體表接近垂直時，多普勒角5的范圍在90° 80°之間，則流速橫向分量的范圍在r~0.98y之間，非常接近實(shí)際流速P,所以用橫向流速可以代表實(shí)際流速，不用考慮未知的多普勒角的影響，而目前的基于多普勒效應(yīng)的血流成像方法得到的是流速的縱向分量，即，當(dāng)多普勒角Θ的范圍在90~ 80度之間時，結(jié)果為O 0.17Φ",和實(shí)際流速Γ相差較大，不能反映真實(shí)流速。
對于如圖2 (b)所示的信號，由歸一化自相關(guān)函數(shù)計算脈沖的平均寬度，即渡越時間％，
權(quán)利要求
1.一種基于橫向流速模型的血流流速成像方法，其特征在于:該成像方法包括如下步驟:用經(jīng)擴(kuò)束的激光(5 )照射體表(6 )，用CMOS相機(jī)(7 )對被照區(qū)域連續(xù)成像，CMOS相機(jī)(7 )每個像素記錄的光強(qiáng)信號形成獨(dú)立的信號序列，計算每個信號序列的歸一化自相關(guān)函數(shù)，歸一化自相關(guān)函數(shù)的第一個零點(diǎn)之前線性區(qū)域的斜率為紅細(xì)胞(I)橫向穿過探測光焦斑(2)的渡越時間10，紅細(xì)胞的橫向速度為&P = w/td ,其中，w為探測光焦斑的橫向?qū)挾取?br> 全文摘要
一種基于橫向流速模型的血流流速成像方法，該方法用經(jīng)擴(kuò)束的激光照射體表，用CMOS相機(jī)對被照區(qū)域連續(xù)成像，體表淺層血管中紅細(xì)胞的運(yùn)動導(dǎo)致背向散射光強(qiáng)漲落，整個像素矩陣作為并行的探測器陣列，CMOS相機(jī)的每一個像素作為一個獨(dú)立的探測器，連續(xù)成像后，每個像素記錄的光強(qiáng)信號形成獨(dú)立的信號序列，計算每個信號序列的歸一化自相關(guān)函數(shù)，歸一化自相關(guān)函數(shù)的第一個零點(diǎn)之前線性區(qū)域的斜率為紅細(xì)胞橫向穿過探測焦斑的渡越時間，紅細(xì)胞的橫向速度為，為探測光焦斑的橫向?qū)挾取?br> 文檔編號A61B5/0265GK103211588SQ20131016127
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月6日
發(fā)明者王毅, 周紅仙 申請人:王毅