专利名称：微循环图象处理及多参数测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于研究人体毛细血管和微血管血液循环的仪器，属医疗器械领域。
微循环主要研究流动血液及组织液的理化性质和流变特性，微血管的结构、形态及其功能调节，微血管、毛细血管、淋巴管周围的组织结构及其相互作用，以及微循环与整个循环系统之间的联系。中国专利ZL85201718提出了一种微循环多参数综合测试仪，能测量微血管血流速度，微血管直径、面积和红细胞比积，其仪器框图如图1所示。该仪器利用电视信号产生采样窗口信号，通过窗口信号控制对微循环电视图象信号的采样，经过处理，测得微循环的四个参数。该仪器提出了自跟踪窗技术，能够较准确地提取血管中的血流信号。但随着微循环研究及临床使用的发展需要，对测量的范围、参数和测量的准确度提出更高的要求，仅测量一个或几个参数的仪器已不能满足需要，采得的不是全部微循环图象信息且不能存储，对信号的处理比较简单，测量结果的可靠性、准确度不够，应用受到限制。
本发明的目的是设计一种对微循环进行窗口系列动态图象的实时采集、存储和显示，对测量目标能进行多窗口、多部位双向跟踪的仪器。该仪器与微机组成微循环图象处理及多参数测量系统，把图象处理及计算机技术应用于微循环的研究和测量，得出微循环的动态特性及多种参数，并提高微循环参数测量的范围、可靠性和准确度。本发明的另一目的是将整个测试系统设计成主从机结构形式，使微循环图象处理及多参数测量仪便于与不同型号的微型计算机联机运行，有利于该仪器的推广使用。
本测量仪由从处理机，窗口发生电路，图象采集、存储、输出电路以及同步信号产生电路等部分组成。
1.已有技术框图2.微循环图象处理及多参数测量仪框图3.窗口系列动态图象实时采集、存储和显示电路4.窗口发生及自跟踪测量目标电路5.窗口跟踪示意图6.可编程视频同步信号发生电路7.测量系统框图下面结合附图详细介绍发明内容。
一.微循环图象处理及多参数测量仪总体叙述如图2所示，本测量仪由从处理机，窗口系列动态图象实时采集、储存、显示电路，窗口发生及自跟踪目标电路以及同步信号发生电路等几部分组成。
本仪器工作时，由从处理机接收主机来的命令和数据，而后进行具体的控制和处理。
主机执行窗口功能时，主机向从机发送窗口功能的命令，从机执行窗口程序，主机通过按键修改窗口参数，传至从机，从机根据参数，通过可编程窗口发生器，改变窗口数据，由窗口电路产生窗口脉冲，在图象显示器上显示出窗口，窗口一般是由发亮的矩形框边组成，也可以编程产生其它形状的窗口。通过按键修改窗口位置，可使窗口移动，而修改窗口的大小参数，就可改变窗口的大小。
在按照窗口进行图象采集、存储、显示时，首先通过主机控制在确定位置产生一定大小的窗口，由窗口的位置、大小确定所要采集的图象在图象存储器的地址，其窗口范围内的视频图象信号通过高速A/D存储到所确定的图象存储器中的某个区域。图象存储器中的数字图象信号通过高速D/A，变成模拟信号，再混合组成视频图象信号，输出到图象显示器显示。
在整个工作过程中，视频信号的采集、存储以及数字图象信号的输出显示，都是由同步信号产生电路产生的同步信号协同工作。同步信号可以由可编程同步信号发生器产生，也可以由输入的视频信号中分离提取而获得。
本仪器能在从机CPU的控制下对窗口区域的动态图象进行快速采集、存储和实时显示，连续进行采集，就可以形成系列动态图象。
本仪器也可以对图象进行各种图象分析和处理，如图象滤波、增强处理、边缘尖锐化处理、图象量化处理等。处理后的图象可以送回图象存储器，输出至图象显示器显示，以观察处理效果。
二.窗口系列动态图象的实时采集、存储和显示电路及原理和静态图象处理不同，对运动物体的处理和测量必须采集图象的动态信息，即按不同时刻采集图象信息，形成系列图象，以便进行动态图象的处理和测量。我们设计了利用窗口采集系列动态图象的技术，其电路框图如图3所示。本电路除了能进行按窗口进行系列动态图象的采集、存储、实时显示以外，还可以对整幅图象进行实时采集、存储、显示，进行通常整幅的图象处理。其电路框图如图2所示。
在进行系列动态图象采集、存储时，先由主机键盘确定窗口的大小和位置，即确定图象的所需采集的大小和位置，据此由程序确定该块图象在图象存储区的位置和大小，即定其在图象存储区的行、列地址范围。把行起始地址和行终止地址分别赋给予置寄存器，把列起始地址和列终止地址分别赋给予置寄存器。在图象采集时，当图象扫描地址进入予置的行、列起始地址范围后，打开图象缓冲器，把采集的图象数据送到规定的图象存储区。当图象扫描地址超过予置的行或列终止地址时，关闭图象缓冲器，图象数据不再能送到图象存储区。这样，窗口范围内的图象数据可以送到确定的图象存储器中。连续或断续采集几块动态图象，存储在图象存储器中的不同区域，就形成系列动态图象。
在图象显示时，从图象存储器起始地址扫描到结束地址，在显示器上形成一幅图象，连续扫描，在显示器上形成不间断的图象。若图象存储器图象数据不变，就成为“冻结”图象，或静态图象;若图象存实器图象数据不断在变化，就形成运动图象。要是不断改变图象存储器扫描的起始行地址，就会在屏幕上形成上下滚动的图象;而不断改变图象存储器扫描的起始列地址，就会在屏幕上形成左右移动的图象。
三.窗口发生及自跟踪测量目标电路及原理1.窗口发生电路该仪器能发生四个采样窗口，以适应多部位实时测量的需要。每个窗口的大小，形状及位置可在全屏幕内任意改变。窗口发生电路由扫描址发生器、控制信号发生器、地址及控制信号切换器、窗口发生数据存储器及显示窗口存储器、窗口水平始址寄存-计数器及窗口水平终址寄存-计数器、窗口脉冲发生器，以及与从微机的接口电路等几部分组成。其电路框图如图4所示。
窗口发生数据存储器的作用是存放每行窗口的水平位置及水平宽度的数据。每一个窗口占用512×8bit的内存单元。数据的修改在从机的管理与控制下进行。修改完毕的窗口发生数据通过门控制电路传送至显示窗口存储器。通过扫描址发生器读出显示内存的数据。每行在行消隐期间读出两个8位数据，即窗口水平位置数据和窗口水平宽度数据，分别送到窗口水平始址寄存-计数器和窗口水平宽度寄存-计数器。在电视扫描显示期间该计数器进行减法运算，并将进位脉冲送至窗口脉冲发生器产生一行的显示窗口脉冲。逐行扫描地址，就形成整个窗口的一系列脉冲。这些脉冲序列再送入视频-窗口混合电路就形成迭加的窗口显示信号，由显示器进行显示。窗口发生内存数据可由键入进行修改，亦可由程序进行修改，从而可形成自跟踪测量目标的窗口采样。
2.窗口自跟踪测量目标原理窗口自跟踪测量目标的原理是运用图象处理的方法，对窗口测量目标图象信号进行处理，从而判定测量目标在窗口中的相对位移量，将此位移量作为窗口发生数内存修改的依据，修改窗口发生的位置数据，移动窗口而达到自跟踪测量目标的目的。如图5a所示To时刻测量目标与窗口相对位置的正常状态，b所示为To+△t时刻测量目标与窗口位置下移的非正常状态。此时将b中的窗口图象信号采集、存储下来，并进行图象处理，判定测量目标与窗口的相对位置下移量△L，然后修改窗口发生的内存数据，使窗口下移△L，从而使测量目标与窗口的相对位置又恢复正常。通过双向的检测判定，就可形成双向跟踪。此过程都是在微机控制下不断进行的，从而能连续自动跟踪测量目标。
四.可编程视频同步信号发生器电路及原理。
可编程视频同步信号发生电路由扫描地址发生器、可编程的EPROM、定时器、行消隐发生器及门电路等几部分组成。其原理框图如图6所示。
EPROM内存为位控结构，D0～D4各位分别定义为场同步，行同步、槽脉冲，均衡脉冲及复位脉冲的位置信息，然后将各位信号送至定时器，从而形成相应各视频同步信号的脉冲信号，再经过门电路合成为复合同步信号。可通过编程置入或修改EPROM的数据，从而有不同的同步格式。
本发明在实际应用中的实施方案微循环图象处理及多参数测量仪与微机、显微镜、摄象机、录相机、打印机等组成微循环图象处理及多参数测量系统，如图7所示。
该系统的图象规格为512×512象素/1帧图象，黑白图象，6bit(64级)或7bit(128级)灰度级，采样率为1帧图象/40ms。
该系统能由四个测量窗口同时选择四个测量目标，实时测量微循环的血流速度、血管直径、血管纵断面积及红细胞比积。四个窗口可进行预选，进行四向的测量。
在离线测量情况下，该系统可对微循环的微血管密度、血管分布、血管的自律运动，眼底图象分析，血栓提取，血球聚积，细胞分析等多种微循环图象的参数进行处理、计算和测量。
几种参数的测量方法简介下面就微循环血管直径、血流速度和血管密度的计算测量方法作一简介。
(1)微血管血管直径的测量方法在通常情况下，微循环图象，特别是甲皱微循环图象，其血管的边缘是很不清晰的。我们运用图象处理方法，较好地解决了这一问题。
首先对采集的血管图象进行平滑化处理。
g(x，y)＝1/M∑f(n，m)(n，m)∈s此式中S＝[(x，y+1)，(x，y-1)，(x+1，y)，(x-1，y)]该处理的作用是滤除噪音和剔除奇异象素。尔后进行图象增强Pr(Rk)＝Nk/n 0≤RK≤1Sk＝∑Pr(rj) 0≤SK≤1此式中，Rk是原图象的归一化灰度级K。
L是灰度级数Nk是K灰度级的象素总数Pr(Rk)是K灰度级的概率Sk是增强后归一化灰度级Kn为采集图象的象素总数经过此种直方图法增强处理后可明显使原不清晰的图象变得相当清楚。
尔后再进行边缘尖锐化和1bit量化处理。
G[f(x，y)]＝｜f(x，y)-f(x+1，y+1)｜+｜f(x+1)，y)-f(x，y+1)｜
式中T是阈值电平，适当选择阈值可得到良好的量化效果。
最后通过检测血管的上边沿和下边沿，则可得到血管的平均直径De。
Di＝Yd-Yu，De-K/MΣi = 0M -1D(i) (μm)]]>此式中Yd，Yu是血管的上下边沿Y坐标，M是检测的直径总数，K是有关图象放大倍数等的系数。
当检测出血管边沿后，采样窗口将自动跟踪测量目标，保证在血管幌动情况下对直径或速度测量时采样的准确性。
(2)速度的测量连续采集四幅窗口区域的动态微循环图象，通过对一幅图象的上述边沿检测处理后，取出上边沿以下血管中的四行图象信号-包括动态的和静态的信号，求出每列四象素的均值，得到四条图象曲线f1(x，y)，f2(x，y)，f3(x，y)和f4(x，y)进行去除静态信号的运算。
g1(x，y)＝1/2[f1(x，y)+f3(x，y)]-f2(x，y)g2(x，y)＝1/2[f2(x，y)+f4(x，y)]-f3(x，y)经过此种运算可有效地减少静态图象对速度计算时影响，而此种影响往往导致错误的测量结果。
尔后进行相关运算，得到血流速度VR(w)＝g1(z)＊g2(z+w)得到R(p)＝max(R(W))从而得到V＝P/nTv(mm/s)式中，V是血流速度TV是场周期20msn是相邻采集的两幅图象间隔的场次K是有关图象放大倍数等的系数(3)血管密度的处理对于血管密度计处理的困难在于两方面一是在大视野范围里，由于灯光分布及实体本身的不均衡，往往造成图象范围里的亮度差;二是血管粗细不一致，灰度级的差异亦较大。我们对该问题的解决采用了两种有效的措施即消除趋势项和分层量化法。处理结果表明，经过这两种信号处理办法后，量化结果是较满意的。
该系统在微循环测量的可行性、可靠性、准确度、测量参数的综合性以及很强的开发功能等方面较之国内现有的微循环测量仪的性能都有极大的改进和提高。也集国外分类测量仪的测量功能于一体;明显具有功能强、体积小、测量参数多、价格低廉等特点。
四.临床使用该系统已在同仁医院和301医院进行了较多病例的临床测试。我们也在一些方面进行了实际应用，取得到了较好的效果。根据临床使用的需要继续在进行各种开发和完善工作。即将进行鉴定和投入批量生产。
权利要求
1.一种微循环图象处理及多参数测量仪，其特征在于所述的测量仪由从处理机，窗口系列动态图象实时采集、存储和显示电路，窗口发生及自跟踪测量目标电路及可编程视频同步信号发生电路组成。
2.一种如权利要求1所述的测量仪，其特征在于其中所述的窗口系列动态图象实时采集、存储和显示电路是由行列地址予置寄存器，扫描址发生器，地址选择器，比较器，图象存储器，读写控制器，输出缓存器，输入缓存器，D/A，A/D变换器及图象显示器组成。
3.一种如权利要求1所述的测量仪，其特征在于其中所述的窗口发生及自跟踪测量目标电路由扫描址发生器、控制信号发生器、地址及控制信号切换器、窗口发生数据存储器及显示窗口存储器、窗口水平始址寄存-计数器及窗口水平终址寄存-计数器、窗口脉冲发生器以及与从处理机的接口电路等几部分组成。
4.一种如权利要求1所述的测量仪，其特征在于其中所述的可编程视频同步信号发生电路由扫描地址发生器，可编程的EPROM，定时器，行消隐发生器及门电路等几部分组成。
5.一种如权利要求1所述的测量仪，其特征在于所述的测量仪与主机、监视器、打印机、录相机、摄象机、显微镜等组成微循环测量系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于研究人体毛细血管和血管血液循环的微循环图处理及多参数测量仪，本测量仪设计一种电路，对微循环进行窗口系列动态图象的实时采集、存储和显示，对测量目标实行多部位双向跟踪，通过对采集图象的处理及有关参数测量，研究流动血液及组织液的理化性质、微血管的结构、形态及其功能调节等等，本仪器采用主从机结构，便于与不同型号的微型计算机联机运行，有利于该仪器的广泛使用。
文档编号A61B5/02GK1045694SQ8910146
公开日1990年10月3日 申请日期1989年3月23日 优先权日1989年3月23日
发明者张志广, 沈永林, 刘适文 申请人:清华大学