一种无创分析血液流速及成分的系统和方法与流程

1.本发明属于医疗检验技术领域，具体涉及一种无创分析血液流速以及血液成分的系统和方法。


背景技术：

2.血液由血浆和血细胞组成，其中血浆由水、蛋白质、电解质和有机化合物组成，血细胞分为红细胞、白细胞和血小板三类细胞。其中白细胞又分为中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、单核细胞、淋巴细胞。白细胞呈球形、无色、具有细胞核，是血细胞中体积比较大的一类血细胞。白细胞的主要作用是吞噬细菌、防御疾病。如果体内的白细胞的数量高于正常值，很可能是由于细菌感染或者造血系统疾病；另一方面，当身体受病毒感染、长期接触放射线、接受肿瘤化疗和放疗，经历免疫系统疾病或血液病等，白细胞的数量会低于正常值。单位体积内白细胞（wbc）计数是判断健康情况、疾病诊断和治疗、治疗药物试验等领域的一个重要指标。由于白细胞体积较大，当它们通过体内毛细血管时，如手指指甲附近表皮的毛细血管，白细胞会短暂堵塞毛细血管或在毛细血管中滚动。用特定波长光源照明毛细血管时，毛细血管的光学图像会呈现不连续的现象，即不连续血流事件。对不连续血流事件的分析可以提取血液中白细胞的信息。此外，血液中的成分，如红细胞，可以对入射光进行吸收、散射，提取含有光与血液作用为主的光信号可以推断出血液中所含物质的浓度信息，如红细胞、血糖、血氧等。
3.通常，血液检验通过从人体中获取血液样本（静脉血或末梢血），再将血样进行稀释、标记、依次分离后来测定血液的成分。由于取样和分析均需要专业人员操作，通常血液检验需要在医院或特定的检验场所才能进行。当需要频繁了解病人的血细胞信息时，如肿瘤病人化疗和放疗、血液病人治疗，病人将经历频繁的取血操作，为病人带来极大不便。并且，当为儿童进行血液检验时，由于儿童可能不原意配合，取血过程也为病人带来一定的痛苦。此外，在进行健康管理时，要求频繁监测用户的血液信息，也需要在非医疗环境下获取人体的血液信息。
4.为了避免血液检验中采血过程带来的痛苦和不便，本发明旨在提供一种获取毛细血管的光学图像序列，分析图像序列中出现的不连续血流事件及血液与照明光间的相互作用来测量血液流速和血液成分的系统和方法，如测量白细胞计数、红细胞含量、血糖浓度、血氧浓度，以满足特定人群的需求。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种无创分析血液流速及成分的系统和方法，如流速、白细胞计数、红细胞含量、血糖浓度、血氧浓度，以满足需要频繁、及时及无创获得人体血液成分信息的需求。
6.本发明公布的一种无创分析血液流速及成分的方法包括以下步骤：1）采集毛细血管图像序列并提取毛细血管在参考图像上的位置和形状尺寸；2）从图像序列中的每个图像
确定毛细血管在参考图像坐标系中的位置；3）提取一个毛细血管位置在每个图像中的像素值组成时间序列并确定不连续血流事件的数目与类型；4）计算每个图像中该毛细血管的一个区域的重心并确定血流速度；5）根据计算的不连续血流事件的数目、血流速度、毛细血管的尺寸及成像参数确定一个对不连续血流事件的估计，该估计值代表单位体积血液中出现不连续血流事件的次数；6）综合从所有毛细血管得到的对不连续血流事件的估计值作为对不连续血流事件的一次测量值。
7.在上述步骤1）中，有的实施例用两个不同波长的光源分别照射毛细血管所在生物组织部位并依次获取图像。此时，步骤1进一步包括1）用显微成像单元采集活体内被第一个波长光源照明的第一个毛细血管图像a；2）用显微成像单元采集活体内被第二个波长光源照明的毛细血管图像序列b；3）取图像序列b中的一幅图像为参考图像，将图像a与参考图像进行位置校准（registration），计算参考图像与校准后图像的差异，并取阈值，得到毛细血管在参考图像坐标中所占据像素的位置坐标、直径和长度；4）在参考图像与校准后图像的差异图像中，用位于毛细血管位置的像素值对血液中一种物质浓度进行校准和测量。这种物质包括但不限于红细胞浓度，红细胞个数，血氧浓度，血糖浓度。此外，该差异图像可以是参考图像和校准后图像中像素值的对数值差异。
8.在上述的一种无创分析血液流速及成分的方法中，所述的不连续血流事件包括白细胞流经毛细血管事件，所述的对毛细血管中不连续血流事件的计数和分类包括对白细胞个数和类型的计数和分类。
9.本发明中一种无创分析血液流速及成分的系统的优选实施方式，包括下面组成单元：由显微物镜、数字相机和至少一个波长光源组成的显微成像单元，光源照明显微物镜视场内生物组织中的毛细血管，数字相机在光源照明毛细血管时根据指令采集图像；由存储器和处理控制器组成的存储和处理单元，存储器存储图像采集指令、处理指令和通讯指令，处理控制器根据处理指令分析所采集的图像，提取毛细血管的位置和其他特征信息，确定毛细血管中不连续血流事件的信息，估算毛细血管中血液的平均流速，根据成像参数计算单位体积血液中出现不连续血流事件的次数，并将估算结果发送到服务器、个人设备和显示单元；显示单元，显示单元作为用户与设备的交互接口，并显示图像采集过程和测量结果。
10.在一些实施例中，显微成像单元采用两种不同波长光源。系统首先用第一个波长光源照明显微物镜视场中的毛细血管，数字相机采集毛细血管的第一个图像a；然后用第二个波长光源照明显微物镜视场内的毛细血管，数字相机采集毛细血管随时间变化的图像序列b；完成图像采集后，存储与处理单元采用包括下面步骤的方法计算血液流速和成分：1）取图像序列b中的一幅图像为参考图像，将图像a与参考图像进行位置校准（registration），计算参考图像与校准后图像的差异，并取阈值，得到毛细血管在参考图像坐标中所占据像素的位置坐标、直径和长度；2）用参考图像和校准后图像的差异图中、位于毛细血管内的像素值对血液中一种物质浓度进行测量；3）从图像序列中确定毛细血管并将其坐标校准到参考图像坐标系中的位置；4）提取一个毛细血管位置在每个图像中的像素值组成时间序列并确定不连续血流事件的数目；5）计算每个图像中该毛细血管的一个区域的
重心并确定血流速度；6）根据计算的不连续血流事件的数目、血流速度、毛细血管的尺寸及成像参数确定一个对不连续血流事件的估计，该估计值代表单位体积血液中出现不连续血流事件的次数；7）综合从所有毛细血管得到的对不连续血流事件的估计值作为对不连续血流事件的一次测量值。
11.在一些实施例中，显微成像单元采用一个波长的光源照明显微物镜视场中的毛细血管，数字相机根据指令采集毛细血管随时间变化的二维图像序列；存储与处理单元采用包括下面步骤的方法计算血液流速和成分：1）选取图像序列中的一幅图像作为参考图像，并且通过对参考图像进行如特征提取、取阈值或机器学习毛细血管库的方式来提取毛细血管在参考图像坐标中所占据像素的位置坐标，并根据毛细血管的形状估算每个毛细血管的直径、长度；2）从图像序列中确定毛细血管并将其坐标校准到参考图像坐标系中的位置；3）提取一个毛细血管位置在每个图像中的像素值组成时间序列并确定不连续血流事件的数目；4）计算每个图像中该毛细血管的一个区域的重心并确定血流速度；5）根据计算的不连续血流事件的数目、血流速度、毛细血管的尺寸及成像参数确定一个对单位体积血液中不连续血流事件次数的估计；6）综合从所有毛细血管得到的对单位体积血液中不连续血流事件次数的估计值作为一次测量值。
12.在上述的一种无创分析血液流速及成分的系统中，所述的不连续血流事件包括白细胞流经毛细血管时的现象，所述的对毛细血管中不连续血流事件的计数和分类是对白细胞个数和类型的计数和分类。
附图说明
[0013] 图1 是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法的流程图。
[0014]
图2 是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法中采用两个波长光源提取毛细血管的示例。
[0015]
图3 是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法中计算毛细血管中不连续血流事件次数的示例。
[0016]
图4是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法中计算毛细血管中不连续血流事件类型的示例。
[0017]
图5 是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法中计算同一毛细血管在相邻图像中的重心坐标间距离的示例。
[0018]
图6是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的系统的一个实施例示意图。
[0019]
图7是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的系统的一个实施例示意图。
具体实施方式
[0020]
通过以下图表对本发明的优选实施方式进行说明。要注意的是以下说明的实施方式仅是本发明的典型实施方式，所述实施方式不应解释为用来限制本发明的范围。
[0021] 图1是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法的流程图。本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法100包括步骤110采集毛细血管图像序列并提取毛细血管在参考图像上的位置和形状尺寸。在一些实施例中，采集毛细血管图像序列时，用两个不同波长的光源分别照明毛细血管所在生物组织部位并依次获取图像。此时，步骤110进一步
包括1）用显微成像单元采集活体内被第一个波长光源照明的第一个毛细血管图像a；2）用显微成像单元采集活体内被第二个波长光源照明的毛细血管图像序列b；3）取图像序列b中的一幅图像为参考图像，将图像a与参考图像进行位置校准（registration），计算参考图像与校准后图像的差异，并取阈值，得到毛细血管在参考图像坐标中所占据像素的位置坐标，并根据毛细血管的形状估算每个毛细血管的直径、长度。在两个不同波长照明下的生物组织通过光学成像后，它们的图像在有毛细血管的位置有不同的对比度。通过计算参考图像与校准后图像的差，可以突出毛细血管并提取毛细血管所在的像素位置（坐标）。此外，参考图像和校准后图像的差异图中，位于毛细血管位置内的像素值主要包含血液与照明光束的作用结果，可用于对血液中一种物质浓度的测量，如红细胞浓度、红细胞个数、血氧、血糖等，该差异图像可以是两副图像中对应像素值的对数值之差。图2是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法中采用两个波长光源提取手指组织中毛细血管的示例。图2a是手指组织在波长为450纳米光源照明时的图像，毛细血管由202示出，图2b是手指组织在波长为420纳米光源照明时的图像。毛细血管由212示出。图2a和图2b中的毛细血管具有不同的对比度。图2c是图2a和图2b中沿直线位置201和211的像素值对比，其中带点曲线231是图2a中沿直线201，曲线232代表图2b中沿直线211。 曲线231和曲线232 在包含毛细血管的位置具有明显差异。图2d是图2a和图2b的差异。该差异图像可以是两副图像中对应像素值的对数值之差。在上述实施例中，所采用的两种不同波长光源从相对于显微单元物镜的侧面位置，以类似的角度和光斑大小对显微成像单元的物镜视场内的毛细血管部位进行斜入射照明。此外，两种不同波长光源通过合束后还可以从显微成像单元的物镜进行照明。光源还可以是集成了两种波长的发光二极管光源和激光光源，以相似的角度和光斑大小对显微成像单元的物镜视场内的毛细血管部位先后进行照明。光源可以是连续光源或脉冲光源。当用脉冲光源，如脉冲激光器时，采集图像设备可以与光源同步。
[0022]
在一些实施例中，采用一个波长来照明生物组织部位并采集图像序列。此时步骤110 选取图像序列中的一幅图像作为参考图像，并且通过对参考图像进行如特征提取、取阈值或机器学习毛细血管库的方式来提取毛细血管在参考图像坐标中所占据像素的位置坐标，并根据毛细血管的形状估算每个毛细血管的直径、长度。在上述实施例中，光源被放置在显微物镜的前端侧面或者通过显微物镜对毛细血管部位进行照明。光源可以是连续光源或脉冲光源。当用脉冲光源，如脉冲激光器时，采集图像设备可以与光源同步。
[0023]
本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法100包括步骤120确定毛细血管在图像序列中的位置坐标并将坐标校准到参考图像坐标系中。在图像采集时，由于成像系统的移动或被测物的移动会造成同一个物体被成像在二维传感器的不同位置。步骤120将图像序列b中的其它图像与参考图象分别进行位置校准形成新的图像序列c，在参考图像坐标系统中，同一个毛细血管在图像序列c中有相同的位置坐标。
[0024]
本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法100包括步骤130提取一个毛细血管位置在每个图像中的像素值组成时间序列并确定不连续血流事件的数目。步骤130进一步包括1）选取一个毛细血管中至少一个像素位置坐标，在图像序列c中的图像中依次提取对应位置的像素值，用这些像素值的生成第一个按时间变化的信号，该信号中每一个值对应图像序列c中的一幅毛细血管图像；2）计算第一个按时间变化的信号中相邻值的差，生成第一个差值信号；3）对第一个差值信号取阈值生成第一个逻辑值序列；4）计算第一个逻辑
值序列中相邻值的差，生成第二个差值信号；5）对第二个差值信号取阈值，计算第二个差值信号中满足阈值条件的个数，数值是采集图像序列b对应时间内毛细血管中不连续血流事件的出现次数的估计。图3是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法中计算毛细血管中不连续血流事件次数的示例。图3a中的曲线301是用一个毛细血管内一个像素位置在图像序列中对应的像素值生成的第一个按时间变化的信号，其中每个像素值被归一化到对应图像的像素均值。图3a中曲线302是用曲线301 生成的第一个差值信号的绝对值。图3b对应图3a中的图像序列1-65。在图3b中，曲线303是用曲线302取大于阈值0.1时生成的第一个逻辑序列，曲线304 是对曲线303的差值信号取大于阈值0后生成的逻辑序列。通过计算曲线304中值为1的个数，得到采集图像序列对应时间内这个毛细血管中出现不连续血流事件的次数。
[0025]
本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法100的步骤130中，有些实施例还包括对第一个按时间变化的信号做平滑处理后取阈值，生成第二个逻辑值序列，并计算连续相邻逻辑值的长度，对该长度按大小进行分类作为对采集图像序列b对应时间内毛细血管中不连续血流事件类型的分类。图4是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法中计算毛细血管中不连续血流事件类型的示例。在图4a中的曲线401是用一个毛细血管内一个像素位置在图像序列中对应的像素值生成的第一个按时间变化的信号，其中每个像素值被归一化到对应图像的像素均值。这个按时间变化的信号曲线401包含所有在这个毛细血管中出现的不连续血流事件的信息。直接对曲线401取阈值对不连续血流事件进行分类可能会损失部分信息。在图4b中，曲线402是对图4a中曲线经过平滑处理后的结果，对曲线402取阈值，可以较好的保留信息。曲线402中满足阈值条件的信号宽度403可以由曲线402取阈值生成的逻辑序列计算得到。根据得到的相邻逻辑值的长度，可以对不连续血流事件进行分类，如区分血流中由白细胞引起的不连续血流事件与其它干扰事件，或者对白细胞进一步分类。
[0026]
本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法100包括步骤140计算每个图像中该毛细血管的一个区域的重心并确定血流速度。步骤140进一步包括：1）沿这个毛细血管选取一段区域，在图像序列c 中，用该区域中像素的像素值作为权重，为每一图像计算该区域的重心坐标，每对重心坐标对应图像序列c中的一幅图像并组成一个重心序列；2）用相邻重心坐标计算两个重心坐标的距离并对这些距离取阈值，计算满足阈值条件距离的均值，并用该均值除以单个图像采集时间作为血流速度。图5是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法中计算同一毛细血管在相邻图像中的重心坐标间距离的示例。图5中的图像数据是使用波长为420纳米光源照明志愿者手指表皮获得。图像采集帧率为200帧每秒，图像序列长度为500帧，每个图像像素对应的物理尺寸为0.65微米，毛细血管平均直径约10个像素。图5中曲线501是同一毛细血管的一个区域在相邻图像中的重心坐标间距离，对该距离取阈值10，可以计算得到血流的平均速度为1.74 mm/s。
[0027]
本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法100包括步骤150根据计算的不连续血流事件的数目、血流速度、毛细血管的尺寸及成像参数确定一个对不连续血流事件的估计。该估计值代表单位体积血液中出现不连续血流事件的次数。
[0028]
本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法100还包括步骤160综合从所有毛细血管得到的对不连续血流事件的估计值作为对单位体积血液中不连续血流事件的一次
测量值。
[0029]
本发明的一种无创分析血液流速及成分的方法100中，所述的不连续血流事件包括白细胞流经毛细血管时的现象，所述的对毛细血管中不连续血流事件的计数和分类是对白细胞个数和类型的计数和分类。
[0030]
图6是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的系统的一个实施例示意图。在该实施例包括一个二维光传感器600、两个不同波长光源601和602以及光合束片603组成的光源单元610、光分束片604、显微物镜605、生物样品606、控制处理单元607。其中，二维光传感器600可以是ccd、cmos探测器或其它类型的二维光传感器。生物样品606是人体活其它动物体内包含毛细血管的部位，如手指尖、耳垂或口腔膜壁等。光源601发出的光束经合束片603反射后，经过光分束片604的反射，再经过显微物镜605照射到生物样品606上。光源602发出的光经过合束片603 后被光分束片604反射，通过显微物镜照射到生物样品606上。光源601和602照射在生物样品上的光束形状、发散角及强度分布相同或处于系统要求的误差范围内。光源单元610可用一个集成的光源系统620代替。光源系统620可以是一个可调谐的激光器或者集成了两个led芯片的光源。光源系统610或620可以是连续型光源或者脉冲型光源。当光源系统610或620是脉冲型光源时，可以用光源的脉冲信号来同步二维光传感器600进行图像采集。控制处理单元607控制图像采集和处理，以及将测量结果通过显示终端或网络发送给用户及相关人员。
[0031] 图7是根据本发明的一种无创分析血液流速及成分的系统的另一个实施例示意图。在该实施例包括一个二维光传感器700、两个不同波长光源701和702以及光合束片703组成的光源单元710、显微物镜705、生物样品706、控制处理单元707。其中，二维光传感器700可以是ccd、cmos探测器或其它类型的二维光传感器。生物样品706是人体活其它动物体内包含毛细血管的部位，如手指尖、耳垂或口腔膜壁等。光源701发出的光经过合束片703 后照射到生物样品706上，光源702发出的光束经合束片703反射后，照射到生物样品706上。光源701和702照射在生物样品上的光束形状、发散角及强度分布相同或处于系统要求的误差范围内。光源单元710可用一个集成的光源系统720代替。光源系统720可以是一个可调谐的激光器或者集成了两个led芯片的光源。光源系统710或720可以是连续型光源或者脉冲型光源。当光源系统710或720是脉冲型光源时，可以用光源的脉冲信号来同步二维光传感器700进行图像采集。控制处理单元707控制图像采集和处理，以及将测量结果通过显示终端或网络发送给用户及相关人员。
[0032]
在图6和图7所述的实施例中，还可以包括一个电机，该电机由存储和处理单元控制，调节显微成像单元与毛细血管间的距离来控制所采集的图像的质量。
[0033]
在图6和图7所述的实施例中，所采用的光源波长范围在380纳米到1510 纳米之间；所采用的数字相机的采集帧率大于25帧每秒。
[0034]
在图6和图7所述的实施例中，用于照明的光束可以是线性偏振光，一个线性偏振片被设置在二维光传感器600和700和物镜605和705之间，靠近二维光传感器600和700的位置，偏振片的偏振方向与照明光束的偏振方向正交。
[0035]
在一些实施例中，折射率匹配介质被涂抹在生物组织样品上，如松枝油、水。
[0036]
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修
改都是可能的。因此，本发明不局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。