【《激光散斑血流成像的系统设计分析》3200字】

激光散斑血流成像的系统设计分析目录TOC\o"1-3"\h\u8183激光散斑血流成像的系统设计分析 1257291.1系统设计 180011.2关键元件选型 252081.2.1激光光源 2188711.2.2图像采集设备 475841.3系统搭建与测试实验 5286801.1.1散斑采样深度测量实验 5204431.1.2人体指尖血流监测实验 7血流是维持生物体正常机能状态的重要因素，它不仅可以为人体输送氧气、营养物质，还能运载、传递人体内的各种信息，提供免疫、止血等功能。因此，血流成像方法的发明与发展一直受到生物医学领域研究人员的广泛关注。随着生命科学研究的不断深入，各领域对血流成像方法提出了进一步的要求，例如临床应用上迫切需要非接触式、高时空分辨率、可实时动态监测的血流成像仪器。本章设计搭建了激光散斑血流成像系统，通过散斑采样深度测量实验测量了该系统的采样深度，并通过人体指尖血流监测实验对系统的血流速度变化监测功能进行了验证。1.1系统设计激光散斑血流成像是一种非接触式光学成像方法，其成像系统较为简单，通常由激光光源、图像采集设备、成像模块、计算机等组成。激光散斑血流成像系统一般分为反射型和透射型，其中，反射型成像系统如图1.1(a)所示，激光光源与相机在同一侧，相干激光照射在被测生物组织表面，组织中的散射粒子运动产生的后向散射光形成的散斑图像被相机采集。透射型成像系统如图1.1(b)所示，激光光源穿透被测生物组织，相机在被测物体的另一侧接收透射光，采集得到散斑信号。(a)反射型成像系统(b)透射型成像系统图1.1激光散斑成像系统实际应用中，透射型成像系统多用于可透光样品，被测物体的厚度需要小于光子的最大穿透深度，使用条件有限，不适用于脑血流成像、皮肤（面部）血流成像等，也未能充分利用生物散斑成像无损、快速的优点；反射型成像系统多用于研究生物组织样品，被广泛用于血流成像领域，所以本文采用反射型成像系统进行构建。接下来针对系统中的关键元件从理论基础和应用需求两方面来进行选型，包括激光光源和图像采集设备。1.2关键元件选型1.2.1激光光源由激光散斑血流成像原理可知，激光光源的波长选取没有特别限制，但是生物组织是一种混浊介质，光子在入射其中时同时存在着光的吸收和散射现象，如图1.2所示。图1.2光子在生物组织中的传播示意图[95]生物组织中光的吸收是由于原血红素、胆红素、黑色素等发色团导致的[96]，其强弱程度通常用吸收系数来衡量，如公式(3-1)所示： (3-1)其中，为初始光强；为单位长度上一个光子被吸收的概率；为无散射介质的厚度；为经过无散射介质后的光强。生物组织中光的吸收系数随着入射光波长的不同而有着明显变换：可见光入射时，光的吸收由于血糖、黑色素等升高；紫外光入射时，光的吸收由于蛋白质、核酸的强吸收而升高；近红外光入射时，光的吸收较低，吸收系数在范围内。生物组织中光的散射主要是由于微观折射系数的不匹配导致的[96]，其强弱程度可以用散射系数来衡量，如公式(3-2)所示： (3-2)其中，为初始光强；为单位长度上一个光子被散射的概率；为无吸收介质的厚度；为经过无吸收介质后的光强。生物组织中光的散射系数范围为，如人的胸部组织在入射光波长为时散射系数范围为。由上述可知，当入射光波长处于近红外波段内时，生物组织中的运动粒子具有低吸收、高散射的光学特性，所以为了增加散斑采样深度，本研究优先选择近红外波段的激光光源。常用的激光光源包括氦氖激光器和半导体激光器，其中，氦氖激光器具有较高的相干性、稳定性和偏振度，但是其波长均为，选择余地较少，且氦氖激光器的体积较大，功率一般较低且不可调；半导体激光器则有着较多的波长选择，包括、等，可以达到较高功率且功率可调，并且体积较小、易于装配。考虑到医疗仪器越来越多的趋向便携化设计以及近红外波段光源的优先选择条件，本文选择半导体激光器作为激光光源。当使用激光光源照射生物组织表面进行血流监测时，国家激光使用安全标准(GB7247.1-2012)规定了激光照射人体组织的最大允许照射量(MaximumPermissibleExposure,MPE)[97]，表示人眼或皮肤受到激光照射后无损伤产生的最大照射水平。MPE的影响因素包括激光的波长及脉宽、连续照射时间、暴露在激光照射中的视网膜成像的大小等。在实际应用时，激光的照射功率密度应低于MPE值，所以本文选用低功率密度激光器以避免对生物组织造成损伤。1.2.2图像采集设备图像采集设备可以将图像的光强信号转为电信号送入电脑或嵌入式系统中进行显示及处理，目前常用的图像采集设备包括CCD和互补金属氧化物半导体器件(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS)。CCD的基本单元是面阵感光元素，即像素(Pixel)，包含的像素数越多，可提供的图像分辨率就越高；CCD的输出节点极少（一个或几个），因此信号输出一致性较好；CCD采用逐个光敏输出的读出方式，需要较宽的信号带宽，读出速度较慢，功耗较大；CCD需要集成在半导体单晶材料上，制造工艺较为复杂，世界上仅有少数几个厂商能够生产，成本较高，价格昂贵。CMOS通过模拟数字转换器将影像信号转为数字图像信号输出；CMOS的每个像素都有单独的信号放大器，因此信号输出一致性较差，但是对每个信号放大器的带宽要求低，降低了功耗，并且读出速度非常快；CMOS的集成度很高，制造工艺与计算机芯片等集成电路的制造工艺相同，成本较低。由上述可知，CCD在成像分辨率、信噪比和读出噪声上具有一定优势，而CMOS在帧速、功耗、系统结构、集成度、成本上具有一定优势。为了更高的成像速度及集成度，本文优先选择CMOS相机，并且由于激光散斑血流成像技术是基于图像灰度来统计流速信息，所以采用黑白相机。此外，为了保证图像的精度并提高成像动态范围，优先选择位数高于8bit的相机。最终本研究选择了德国Basler公司生产的acA1920-155型号的CMOS相机，其性能参数如表1.1所示。表1.1CMOS相机参数型号acA1920-155帧速164fps分辨率19201200pixel位深10,12bits暗噪声6.6像素尺寸5.865.86感光芯片尺寸11.3mm7.1mm1.3系统搭建与测试实验1.1.1散斑采样深度测量实验关键元件选型确定后，根据系统工作原理和图1.1(a)所示的反射型成像系统结构图，搭建了如图1.3(a)所示的激光散斑血流成像系统。激光散斑的采样深度往往有限，2001年，Briers评估散斑采样深度在1mm以内[79]；2009年，Doherty等评估散斑采样深度约[98]。根据神经血管外科医生所述，人脑部的血管壁厚不超过0.5mm，所以为了验证本文搭建的系统满足血管裸露状态下的脑血流成像要求，设置了散斑采样深度测量实验。首先，生物组织血流可利用Intralipid溶液（圣克鲁斯生物技术）与纯净水配制出的Intralipid-1%溶液来进行模拟。然后，向50mL纯净水中加入200mg琼脂糖粉末，一直加热直到琼脂糖粉末完全溶解于纯净水中，再加入1.5mLIntralipid-20%溶液，继续加热使之充分混合后倒入定制的圆柱形玻璃器皿中，等待混合溶液冷却凝固成凝胶，可用于模拟血管周围的组织。(b)实验模具(a)激光散斑血流成像系统(c)实物图(d)采样深度曲线图1.3采样深度测量实验盛放凝胶的圆柱形玻璃器皿的实验模具与实物图分别如图1.3(b)、图1.3(c)所示，其中，一根内径为0.5mm的毛细玻璃管倾斜固定于玻璃器皿中，玻璃管一端通过医用橡胶软管与蠕动泵（BT00-600M，北京慧宇伟业流体设备）相连，另一端通过软管置于Intralipid-1%溶液中，调节蠕动泵来控制软管内模拟血流的流动速度。在固定的倾斜角度下，对相机采集得到的散斑图像进行衬比计算，并伪彩色处理得到流速分布图像，统计流速图像中水平方向上可观察到的像素数量，结合成像放大倍数、像素尺寸及倾斜角度可计算得到采样深度。如图1.3(d)所示，统计了不同泵速下测量得到的采样深度。实验结果表明，本文设计搭建的系统的平均采样深度约为0.65mm，理论上满足血管裸露状态下脑血流成像的应用要求。1.1.2人体指尖血流监测实验为了进一步验证本文搭建的激光散斑血流成像系统的性能，设置了人体指尖血流监测实验。通过激光照射人的手部，在相机开始拍摄前用医用压脉带绑住手腕，然后采集散斑图像并同步处理，得到人体指尖的血流速度图像。如图1.4(a)所示，最初人体指尖的血流处于正常状态，指尖由于微循环丰富在伪彩增强后呈现出红色。随着压脉带对手部指尖血流的阻断，指尖血流明显下降，颜色呈现为蓝色的背景色，如图1.4(b)所示