基于空间调制光的血流血氧成像系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

众多的生理过程都伴随着局部血流和血氧含量的变化。为了满足对体表血流和

血氧进行大视场测量的需求，包含多波长血氧成像技术和激光散斑衬比血流成像技

术的光学系统被广泛应用。其中，激光散斑衬比血流成像技术是一种可实时大视场成

像的技术，但是随着成像视场的变大，此技术在测量曲度较大或形貌复杂的表面时，

样本的表面形貌会影响相机采集的光照强度，进而影响散斑空间衬比分析的测量结

果，因此需要结合样本的表面形貌信息对采集的光照强度进行校正。

本文向激光散斑衬比成像系统中引入了空间调制光以测量样本的表面形貌，根

据光的传输规律和相机的内部参数对相机采集的光强进行了校正；结合空间频域成

像技术，本系统可以在测量血流信息的同时测量样本的血氧浓度和定量的光学参数

分布。为此，开展了以下工作：

对样本轮廓导致的激光散斑衬比成像误差进行了仿真，验证了样本的轮廓表面

法向角分布和高度变化通过影响相机采集的光强影响最终测量结果，并结合光的传

输规律，推导了考虑相机相对位置的光强校正的公式。为了在不同工作距离下可产生

大视场空间调制光，设计了一种适用于数字微镜投影的全内反射棱镜，在此基础上发

展的投影系统在450mm工作距离下可以实现投影光场宽度的最大值为118.2mm×

210.1mm，最小值41.5mm×73.8mm尺寸的空间调制光投影。

通过对样本的测量验证了系统测量样品形貌轮廓、血流指数和定量测量样本光

学参数的能力。仿体实验结果表明，平面测距与测量真值之间的误差为0.751%，球

体点云的拟合半径与真值之间的误差为0.951%；在光学参数的测量中，对于约化散

射系数的测量精度，655nm波长处的最小检测变化量为0.009mm-1，850nm波长处

的最小检测变化量为0.007mm-1；在合适的相机曝光时间和投影时间下，测量得到的

血流指数与脂肪乳仿体中计算得到的流速存在线性关系。

基于测量的三维形貌对相机采集的光强进行了校正，并进一步对光学参数成像

和血流成像的结果进行了校正。对于空间频域成像技术，校正前后，吸收系数在的总

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误差由41.82%降至13.22%；约化散射系数的总误差由86.36%降至11.23%。对于激

光散斑衬比成像技术，校正前，指缝区域相对正常区域平均血流指数的最大误差为

53.88%；校正后，原最大误差对应点的血流指数的误差降为5.86%。在袖带加压实验

中，验证了系统对在体组织血氧浓度和血流变化的检测能力。

关键词：空间调制光，光学参数成像，激光散斑衬比成像，光强校正

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Abstract

Numerousphysiologicalprocessesareaccompaniedbychangesinlocalbloodflow

andbloodoxygencontent.Inordertomeetthedemandforlargefieldofviewmeasurement

ofsurfacebloodflowandbloodoxygen,optica