CN106073801A - 一种体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法和装置，所述方法包括：利用红外线数字化仪定位人的鼻咽腔体部位；用与该定位仪同焦点的双波长近红外光源紧贴脸部射出，透过肌肉和骨头，体外实现对所述鼻咽腔体进行断层扫描；根据氧合和还原血红蛋白在双波长近红外吸光系数的差异测量血氧饱和度的原理，从探测到鼻咽的反射散射光可以计算到该点的血氧饱和度值，进而得到所述鼻咽腔的血氧分布图，实现体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度检测的目的；上述方法具有无损、实时、连续、成本低等优点。

Description

一种体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法和装置

技术领域

本发明涉及医疗器械，特别是涉及一种体外鼻咽腔体血氧饱和度的成像方法和装置，代替传统的内窥镜鼻咽成像系统。

背景技术

现有鼻咽内窥镜，无法进行早期诊断，无法看到咽隐部位，无法测量鼻内肿物的大小和无法解决鼻内窥镜进入鼻咽腔的深度的技术问题以及内窥镜进入鼻咽腔时给患者带来不可避免的不舒适感等问题。

目前，CT成像技术，密度分辨率高，适合对骨头或者钙化组织成像，对于直径小于1毫米的组织却难以被可靠识别。MRI技术同样对细微组织灵敏度低，且诊断费用贵，禁忌用于身体内植入金属或磁性材料的患者。超声成像的分辨率不及近红外光，内窥镜的设计且需要耦合剂不可避免对鼻咽粘膜带来刺激。

双波长近红外血氧饱和度成像技术利用组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对700nm-900nm 波段的近红外光吸收较大的原理发展而来。目前开展病灶血氧含量与正常组织血氧含量有差别的疾病诊断的研究中。

发明内容

为解决现有技术中的缺陷，本发明提供一种体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法和装置，实现无损体外成像。

一种体外鼻咽腔内静脉血氧饱和度成像方法，包括以下步骤：

1)用红外线数字化仪定位人的鼻咽腔体被扫描部位；

2)光源于体外透过骨头和肌肉聚焦于人的鼻咽腔体被扫描部位进行连续定位，用双波长近红外光交错完成定位部位的扫描；

3)与光源同步的黑白高感度近红外CCD收集鼻咽腔体组织整体或局部扫描后得到的光信号，同时转换为数字电信号；

4)数据采集卡采集步骤3中CCD所拍摄的图像数据；

5)图像处理系统对步骤4中的图像数据进行处理；

6)输出影像和病理两方面的诊断信息。

本发明提供体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，包括：根据红外线数字化仪定位人的鼻咽腔体部位，为双波长近红外光源进行定位引导；根据上述定位，用双波长近红外光源对鼻咽腔体进行扫描。所述扫描上界为蝶骨体，下界为软腭；

其中，所述光源位于体外人脸处。

其中步骤1中红外线数字化仪为光学导航系统，利用鼻咽腔内标志进行坐标体系的建立来三维定位。

其中步骤2中用多角度的扫描方式对鼻咽腔体组织聚焦成像；扫描范围上界为蝶骨体，下界为软腭，扫描角度为以鼻咽腔为中心，180度旋转，再现鼻咽腔体组织的静脉血氧饱和度分布；鼻咽部组织由外到内即上皮组织，基底膜，固有膜，粘膜下层和肌层。

其中步骤2中的光源为特定的760nm的LED 和850nm的LED双波长近红外光；760nm的LED和850nm的LED各8颗，两种波长的光源组成4×4交错排列的面阵列，控制系统控制它们持续发光的时间和交替发光的频率。

其中步骤2中的光源前端设置单波长滤光片切换器，单波长滤光片切换器上有两个圆孔，双波长LED先后透过这两个孔照射样品。

其中步骤3中黑白高感度近红外CCD采集的是反射的散射光，同步接收760nm波长激发的样品信号和850nm波长激发的样品信号，完成单波长摄像；因此，CCD与光源同侧，两者之间的距离由探测深度来确定。

其中步骤4中数据采集卡用labview软件完成数字信号采集，并不失真的将采集到的图像数据传输到图像处理系统。

其中步骤5中图像处理系统用Labview软件根据血氧成像算法对步骤4中的数字信号进行血氧饱和度的计算，得到血氧含量的分布图以及含血量和含氧量的定量数值。

所述图像处理和血氧分析先通过软件标定，软件定标包括：系统的初步定标的确定需通过分析实验数据进行调节，调节的结果使健康个体的血氧水平在76％左右；系统进一步的定标需要与多种方法相结合，多人次测量结果相对比，通过回归分析得到更精确的校验公式和系数。

所述装置包括光源部分、图像采集系统、控制系统以及血氧含量成像系统；

所述光源部分包括：用于定位人的鼻咽腔体部位的红外线数字化定位仪、置于定位仪前端的双波长近红外光源以及放置光源前端的同步单波长滤光片切换器；置于定位仪前端的双波长近红外光源与定位仪同焦点；放置光源前端的同步单波长滤光片切换器上有两个圆孔，双波长光源从不同的圆孔出射，扫描所定位的鼻咽腔体；

所述图像采集系统包括黑白高感度近红外CCD摄像仪和数据采集卡；黑白高感度近红外CCD与光源同侧，有夹角，两者的距离由探测深度决定，用于采集双波长近红外光激发组织的散射光，并完成光电转换；数据采集卡置于CCD后端，采集数字信号并把采集到的数字信号传输到图像处理系统；

所述控制系统主要由单片机和继电器组成，单片机控制继电器，继电器控制光源的持续发光时间和单波长滤波器的切换时间；单片机同步控制光源和图像采集系统，控制黑白高感度近红外CCD能同步拍摄到每一次单波长激发的散射光；单片机与光源和CCD用导线或数据线相连；

所述血氧含量成像系统包括血氧含量的图像增强系统和血氧成像及辅助诊断系统。

其中血氧成像系统是基于PC平台，在Labview软件用血氧成像算法生成图像和完成血氧饱和度的定量分析。

本发明与现有技术相比有以下优点：本发明可不用血管造影剂即显示血管的结构，故对血管、肿块、淋巴结和血管结构之间的相互鉴别，有其独到之处，它分辨率高，敏感地检出组织成份中静脉血氧饱和度的变化，能更早地发现病变；同时避免了鼻内镜深入鼻咽深处给病人带来的痛苦。

附图说明

图1本发明鼻咽腔内壁成像的示意图。

图2 为本发明对鼻咽腔内壁软组织成像结果的示意图。

图3为本发明体外鼻咽腔体成像装置的结构示意图。

图4为本发明成像方法的流程图。

图中：1-双波长近红外光光源； 2-双波长近红外光；3-760nm波长通过的窗口； 4-850nm波长通过的窗口； 5-红外线数字化仪定位仪；6-同步控制系统； 7-单波长滤光片切换器；8-样品；9-黑白高感度近红外CCD；10- 操纵臂； 11-数据采集卡；12-散射光；13-图像增强处理系统；14-血氧成像及辅助诊断系统；15-数字信号；16-PC平台。

具体实施方式

下面结合具体的实例及附图对这种体外鼻咽腔体成像方法——血氧饱和度成像装置的技术方案进行详细的描述，以使其更加清楚。

如图1所示本发明鼻咽腔内壁成像的示意图，双波长近红外光源1在人脸处不同角度发出近红外光波2，穿透皮肤，骨头后到达鼻咽腔，定位聚焦后扫描。反射回的散射光12经CCD9摄像，并把视频信号12转化为数字信号15。

图2为本发明对鼻咽腔内壁软组织成像结果的示意图，鼻咽腔内壁由浅至深可分为粘膜层，粘膜下层和肌层；粘膜层分为上皮层，基底层和固有膜层。

图3为本发明体外鼻咽腔体成像装置的结构示意图，该装置包括同时驱动控制光源和黑白高感度近红外CCD9的同步控制系统6、双波长近红外光光源1 和CCD9相对于样品有夹角（夹角大小视情况而定，但是小于90度）、红外线数字化仪定位仪5、760nm波长通过的窗口3、850nm波长通过的窗口4、单波长滤光片切换器7、探测系统依次相连的是操纵臂10、散射光12、数据采集卡11、数字信号15、图像增强处理系统13、血氧成像及辅助诊断系统14、PC平台16。

其中，光源1为双波长近红外光，波长为760nm和850nm。

所述单波长滤光片切换器7用来确保单一时间内只通过一种波长，实现CCD9单波长成像；切换频率由控制系统控制。

本实例中，近红外CCD9用于摄像鼻咽内表面的散射光学图像；CCD9采用高清摄像头，按照组织血氧成像原理，该摄像头不需要经过鼻孔深入到鼻咽内，直接在体外就能实现对鼻咽内表面的高清光学成像。

数据采集卡11为黑白高清图像采集卡，能够无失真地将黑白高感度近红外CCD9输入的视频信号采集到图像增强处理系统和血氧成像系统，保证原始图像数据的准确性。

图像增强处理系统13目的是凸显微小血管。算法利用改进的各向异性扩散增强算子与平滑混合算子处理原图形成新的图像；或者利用高斯平滑与微分边缘检测混合算子对图像进行处理；使原本不易察觉的血管浮现出来。再对每个局部区域进行自适应灰度修正，从而使整幅图像的处理达到很好的效果。

血氧成像及辅助诊断系统14血氧成像诊断系统包括数据图像采集、血氧成像算法系统、血氧值辅助分析系统。通过数据图像采集系统可以获得血氧成像算法所需的各个波长近红外光的光学图像。数据图像输入血氧成像算法系统进行图像合成与图像处理，之后对图像进行伪彩色处理，将黑白图像的灰度值映射成相应的彩色。血氧值辅助分析系统为医生提供血含量和氧含量分析功能并给出辅助诊断结果。

如图4所示本发明成像方法的流程图，包括：

步骤s20，用红外线数字化仪5定位人的鼻咽腔体被扫描部位，为双波长近红外光源1进行定位引导。

步骤s30，初始化步骤，实现光源1与摄像头CCD9的同步运行。提供依次相连的单波长滤光片切换器7、近红外CCD9、数据采集卡11、图像增强处理系统13、血氧成像及辅助诊断系统14。

步骤s40，扫描步骤，通过PC 平台上的运动控制卡控制步进机动作。运动控制卡与黑白高感度近红外CCD9同步，当某一滤光片3或4运动到镜头前时，经由运动控制卡反馈的触发信号，仪器的控制系统接到运动控制卡的触发信号后给黑白高感度近红外CCD9拍摄指令而完成自动采集过程。因此，一次采集过程可以获得多幅不同单波长的图像数据。

具体的，CCD9为面阵CCD9，单通道得到大面积的图像信息，采集的图像更能清晰、直观地反映目标区域情况。黑白高清图像采集卡11能够无失真地将黑白高感度近红外CCD9输入视频信号12。图像处理系统用算法13实现凸显微小血管及病灶区域。血氧成像及辅助诊断系统14显示组织的血管分布图和定量给出局部氧含量和血含量。

步骤s50，视频采集步骤，通过该摄像头9采集鼻咽内表面的组织光学图像，并把视频信号12转化为数字信号15。

步骤s60，成像步骤由图形化编程工具labview软件实现，由图像增强函数实现图像的优化。

步骤s70，血氧含量分布图和血含量和氧含量的定量计算。系统需要进一步的定标，结合有创方法，根据改进的朗伯特一比尔定律和吸光度加和定律独立地推导出更准确的计算公式；通过回归分析得到更精确的校验公式和系数；软件需要对脑血氧信号的频谱进行分析。

上述鼻咽腔血氧饱和度成像方法，通过红外线数字化仪5定位人的鼻咽腔，摄像头9采集该组织光学图像，提供视频图像，数据采集卡11，图像增强处理系统13实现对鼻咽内壁软组织全深度精确成像，提高了检测的准确度。而传统的鼻咽内镜采用光学成像方式，只能观察到鼻咽内壁表层的颜色，光泽和形状信息，或者表层下面2毫米的信息；而且都是内窥镜的形式，给病人带来不可避免的痛苦。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

1) 用红外线数字化仪定位人的鼻咽腔体被扫描部位；

2)光源于体外透过骨头和肌肉聚焦于人的鼻咽腔体被扫描部位进行连续定位，用双波长近红外光交错完成定位部位的扫描；

3) 与光源同步的黑白高感度近红外CCD收集鼻咽腔体组织整体或局部扫描后得到的光信号，同时转换为数字电信号；

4)数据采集卡采集步骤3中CCD所拍摄的图像数据；

5) 图像处理系统对步骤4中的图像数据进行处理；

6) 输出影像和病理两方面的诊断信息。

2.根据权利要求1中所述的一种体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，其特征在于：步骤1中红外线数字化仪为光学导航系统，利用鼻咽腔内标志进行坐标体系的建立来三维定位。

3.根据权利要求1所述的体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，其特征在于：步骤2中用多角度的扫描方式对鼻咽腔体组织聚焦成像；扫描范围上界为蝶骨体，下界为软腭，扫描角度为以鼻咽腔为中心，180度旋转，再现鼻咽腔体组织的静脉血氧饱和度分布；鼻咽部组织由外到内即上皮组织，基底膜，固有膜，粘膜下层和肌层。

4.根据权利要求1所述的体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，其特征在于：步骤2中的光源为特定的760nm的LED 和850nm的LED双波长近红外光；760nm 的LED和850nm的LED各8颗，两种波长的光源组成4×4交错排列的面阵列，控制系统控制它们持续发光的时间和交替发光的频率。

5.根据权利要求1所述的体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，其特征在于：步骤2中的光源前端设置单波长滤光片切换器，单波长滤光片切换器上有两个圆孔窗口，分别为760nm波长通过的窗口、一个为850nm波长通过的窗口，760nm和850nm 的光先后透出滤光片照射样品。

6.根据权利要求1所述的体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，其特征在于；步骤3中黑白高感度近红外CCD采集的是反射的散射光，同步接收760nm波长激发的样品信号和850nm波长激发的样品信号，完成单波长摄像；因此，CCD与光源同侧，两者之间的距离由探测深度来确定。

7.根据权利要求1所述的体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，其特征在于：步骤4中数据采集卡用labview软件完成数字信号采集，并不失真的将采集到的图像数据传输到图像处理系统。

8.根据权利要求1所述的体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，其特征在于：步骤5中图像处理系统用Labview软件根据血氧成像算法对步骤4中的数字信号进行血氧饱和度的计算，得到血氧含量的分布图以及含血量和含氧量的定量数值。

9.据权利要求8所述的体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像方法，其特征在于：由血氧饱和度计算公式定标健康个体鼻咽腔血氧水平，通过回归分析得到更精确的校验公式和系数。

10.一种体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像装置，其特征在于：包括光源部分、图像采集系统、控制系统以及血氧含量成像系统；

所述光源部分包括：用于定位人的鼻咽腔体部位的红外线数字化定位仪、置于定位仪前端的双波长近红外光源以及放置光源前端的同步单波长滤光片切换器；置于定位仪前端的双波长近红外光源与定位仪同焦点；放置光源前端的同步单波长滤光片切换器上有两个圆孔，双波长光源从不同的圆孔出射，扫描所定位的鼻咽腔体；

所述图像采集系统包括黑白高感度近红外CCD摄像仪和数据采集卡；黑白高感度近红外CCD与光源同侧，有夹角，两者的距离由探测深度决定，用于采集双波长近红外光激发组织的散射光，并完成光电转换；数据采集卡置于CCD后端，采集数字信号并把采集到的数字信号传输到图像处理系统；

所述控制系统主要由单片机和继电器组成，单片机控制继电器，继电器控制光源的持续发光时间和单波长滤波器的切换时间；单片机同步控制光源和图像采集系统，控制黑白高感度近红外CCD能同步拍摄到每一次单波长激发的散射光；单片机与光源和CCD用导线或数据线相连；

所述血氧含量成像系统包括血氧含量的图像增强系统和血氧成像及辅助诊断系统。

11.根据权利要求10所述的一种体外鼻咽腔体静脉血氧饱和度成像装置，其特征在于，血氧成像系统是基于PC平台，在Labview软件用血氧成像算法生成图像和完成血氧饱和度的定量分析。