CN108882882B - 散斑测量设备和散斑测量方法 - Google Patents

散斑测量设备和散斑测量方法 Download PDF

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Abstract

[问题]为了提高诸如红细胞的目标粒子的流量测量等的准确性。[解决方案]该散斑测量装置包括：成像单元，其在利用相干光照射待测量对象时捕获从待测量对象返回的散射光的图像作为散斑图像；以及控制单元，其考虑待测量对象和成像单元之间的相对位置关系中的移动，并且确定对应于由成像单元随时间连续捕获的多个散斑图像中待测量对象的相同位置的测量区域。

Description

散斑测量设备和散斑测量方法
技术领域
本技术涉及散斑测量设备和散斑测量方法。
背景技术
在利用诸如激光的相干光照射具有不平坦结构的对象并且由成像器观察从对象反射的散射光的情况下，出现称为散斑图案的粒状图案。在利用激光照射非移动对象的情况下，散斑图案不改变并且光强度也不改变。在利用激光照射移动对象的情况下，依据移动对象的速度改变散斑图案。根据这个原理，如果确定了散斑强度的时间变化，可以确定移动粒子的速度、大小等。这个原理应用于测量生物体的参数，诸如生物测量中的红细胞的血流速度。
例如，专利文献1公开了在特定点测量时间序列改变以及估计粒子组的移动参数的技术。
专利文献2公开了由成像器捕获散斑图像以测量粗糙表面上的振动现象。
引文列表
专利文献
专利文献1：PCT国际申请公开第2014-500751号的译文
专利文献2：美国专利第8638991号
发明内容
技术问题
然而，为了实际使用散斑测量方法，例如，在如上所述的生物测量中用于测量红细胞的血流速度等的各个方面中仍然存在待解决或提高的问题。
鉴于上述情况给出本技术，并且本技术的目的是提供一种能够提高诸如红细胞的微粒的流速测量等的精度的散斑测量设备和散斑测量方法。
问题解决方案
为了解决该问题，根据本技术的实施方式的散斑测量设备包括：
成像器，其在利用相干光照射待测量对象时捕获从待测量对象返回的散射光图像作为散斑图像；以及
控制器，其通过结合待测量对象与成像器之间的相对位置关系的移动量来确定由成像器按时间序列连续捕获的多个散斑图像中对应于待测量对象的相同位置的测量区域。
根据本技术的散斑测量设备，在散斑测量中，取消由于成像器的移动和振动而在待测量对象与成像器之间的相对移动的分量，并且仅由于诸如红细胞的微粒的移动引起的散斑分量被提取作为待测量对象。因此，可以提高散斑测量精度。
控制器可以被配置成：比较由成像器按时间序列连续捕获的多个散斑图像；检测待测量对象与成像器之间的相对位置关系的移动量；以及根据所检测到的移动量来确定多个散斑图像中对应于待测量对象的相同位置的测量区域。
另外，控制器可以被配置成：将由成像器捕获的散斑图像的坐标空间划分为均具有预定大小的多个划分区域；确定具有最小区域特定噪声分量的划分区域作为测量区域；从下一时刻的散斑图像中检索与测量区域的散斑图像具有最高重合的区域；并且将所检索到的区域视作为在下一时刻的测量区域。
此外，控制器可以被配置成确定散斑响应相对于相干光强度的改变而不线性改变的图像信号作为局部噪声。
此外，控制器被配置成从测量区域排除所有现有散斑的亮度的对比度差的平均值、最大值和中值中的任何一个是阈值或更小的划分区域。
另外，根据本技术的散斑测量方法包括：
利用相干光照射待测量对象；
捕获从待测量对象返回的散射光图像作为散斑图像；以及
由控制器通过结合待测量对象与成像器之间的相对位置关系的移动量，确定按时间序列连续捕获的多个散斑图像中对应于待测量对象的相同位置的测量区域。
本发明的有益效果
如上所述，根据本技术，可以提高在生成固定散斑图案的对象(诸如皮肤)内移动的诸如红细胞的微粒的流速测量等的精度。
附图说明
图1是示出散斑测量设备的概述的视图；
图2是示出根据本技术的第一实施方式的散斑测量设备100的结构的框图；
图3是示出在第一实施方式的散斑测量设备100中在特定时刻t0由成像器4捕获的整个散斑图像It0和测量区域At0的视图；
图4是示出在第一实施方式的散斑测量设备100中由成像器4在时刻t0捕获的整个散斑图像It0与在下一时刻t1捕获的整个散斑图像It1之间的位置关系以及根据该位置关系计算的在下一时刻t1的测量区域At1的视图；
图5是示出根据本技术的第二实施方式的散斑测量设备100A的结构的框图；
图6是示出在第二实施方式的散斑测量设备100A中在时刻t0捕获的整个散斑图像It0和设置在其中的划分区域D1至D16的视图；
图7是示出在第二实施方式的散斑测量设备100A中在时刻t0捕获的整个散斑图像It0与在下一时刻t1捕获的整个散斑图像It1之间的位置关系以及根据该位置关系计算的在下一时刻t1的测量区域At1的视图。
具体实施方式
在下文，将参照附图描述本技术的实施方式。
<第一实施方式>
[概述]
例如，如图1所示，本说明书描述了一种散斑测量设备，其利用诸如来自光源1的激光的相干光1a照射诸如流过生物体的红细胞的待测量对象2，由成像器4捕获反射的散射光3，并且分析通过捕获提供的散斑图像以测量血流速度。
在这样的散斑测量设备中，在测量期间由于成像器4的主体移动(包括脉动)和振动而改变待测量对象2与成像器4之间的相对位置关系的情况下，移动分量被叠加在整个散斑图像上。因此难以估计诸如红细胞的待测量对象2的准确流速。
根据本技术的第一实施方式的散斑测量设备的目的是通过从散斑测量结果中移除待测量对象2与成像器4之间的相对位置关系中的移动分量来提高散斑测量精度。
为了实现该目的，第一实施方式的散斑测量设备包括：成像器4，其在利用相干光1a照射待测量对象2时捕获从待测量对象2返回的散射光3的散斑图像；以及算术处理电路，其是通过结合待测量对象2与成像器4之间的相对位置关系的移动量来确定测量区域(即由成像器4按时间序列连续捕获的多个散斑图像中待测量对象2的相同位置)的控制器。
更具体地，算术处理电路被配置成：比较由成像器4按时间序列连续捕获的多个散斑图像；检测待测量对象2与成像器4之间的相对位置关系的移动量；以及根据所检测到的移动量来确定作为多个散斑图像中的待测量对象2的相同位置的测量区域。
在根据本技术的第二实施方式的散斑测量设备中，算术处理电路被配置成：将由成像器4捕获的散斑图像划分为均具有预定大小的多个划分区域；确定具有最小区域特定噪声分量的划分区域作为测量区域；以及在下一时刻从散斑图像中检索与测量区域的散斑图像具有相对较少重合的一个或多个划分区域，以将所检索到的区域作为下一时刻的测量区域。
<第一实施方式>
在下文，将详细描述根据本技术的第一实施方式的散斑测量设备。
图2是示出第一实施方式的散斑测量设备100的结构的框图。
如图2所示，散斑测量设备100包括：诸如激光源的光源1，其利用诸如激光的相干光照射待测量对象2；以及散斑测量***10，其通过接收由待测量对象2反射的散射光来生成散斑图像，并且例如根据按时间序列连续提供的多个散斑图像测量红细胞的血流速度。
散斑测量***10包括：诸如CCD(电荷耦合装置)和CMOS(互补金属氧化物半导体)的成像器4、算术处理电路6以及存储器7。算术处理电路6和存储器7可以包括在一个或更多个计算机中。成像器4经由接口8连接至总线9。
计算机可以经由网络连接至成像器4。另外，多个计算机可以同时执行散斑测量的并行处理。
算术处理电路6根据存储在存储器7等中的程序来用作移动检测器61、测量区域计算器62、跟踪信号生成器63、时序信号处理器64等。
存储器7存储由成像器4按时间序列连续捕获的多个散斑图像。
移动检测器61检测待测量对象2与成像器4之间的相对位置关系中的移动。更具体地，移动检测器61针对诸如像素的预定单元重复地交错移动存储在存储器7中的时序连续的两个散斑图像之间的位置关系；匹配这两者；并且计算在最大重合时刻两者之间的距离作为待测量对象2与成像器4之间相对位置关系的移动量。可替选地，为了进一步提高精度，可以针对通过进一步划分像素的子像素单元彼此交错移动并且匹配两个散斑图像之间的位置关系。
由诸如皮肤组织的固定结构散射的相干光的散斑图像在按时间序列连续的两个散斑图像中不具有很大改变的形状。因此，如果已知按时间序列连续的两个散斑图像之间的相对位置关系中的移动，则可以计算对应于两个散斑图像中的待测量对象2的相同位置的测量区域。
根据由移动检测器61检测的时序连续的两个散斑图像之间的相对位置关系的移动量，测量区域计算器62计算针对两个散斑图像中的初始时刻的散斑图像设置的测量区域对应于下一时刻的散斑图像的位置。具体地，在本实施方式中，在初始时刻的散斑图像的中心处例如具有预定的水平和竖直大小的测量区域被初始设置。在测量期间由于成像器4的主体移动和振动而改变待测量对象2和光源1或成像器4之间的相对位置关系的情况下，测量区域也根据移动量而改变。因此，测量区域计算器62可以根据由移动检测器61检测的移动量计算在下一时刻的散斑图像的测量区域。
跟踪信号生成器63生成诸如由测量区域计算器62确定的测量区域的各个像素值的平均值的评估值，作为用于散斑测量的信号。
时序信号处理器64处理由跟踪信号生成器63生成的信号，并且计算诸如红细胞的微粒的速度、粒子直径等。例如，时序信号处理器64可以通过激光多普勒方法测量红细胞的速度并且通过DLS(动态光散射法)估计粒子直径。
[操作]
接下来，将描述本实施方式中散斑测量设备100的操作。
图3示出了在特定时刻t0由成像器4捕获的整个散斑图像It0和测量区域At0。
在本实施方式中，在散斑图像I的中心处具有预定水平和竖直大小的区域被预先设置为初始测量区域At0。在待测量对象2与成像器4之间的相对位置关系中的移动方向未知的情况下，测量区域At0优选地以这种方式布置在散斑图像的中心。注意图3所示的标记S表示对应于红细胞的散斑。实际上，一个散斑就是随着时间推移而重复闪烁的一个斑点图案。
图4示出了由成像器4在时刻t0捕获的整个散斑图像It0与在下一时刻t1捕获的整个散斑图像It1之间的位置关系，以及根据位置关系计算的下一时刻t1的测量区域At1。
该示例示出了这样的情况：在时刻t0的散斑图像It0和在时刻t1的散斑图像It1针对像素单元重复地彼此交错移动并且匹配，并且在最大重合的时刻两者在x轴方向上的距离是x1以及两者在y轴方向上的距离是y1。
根据移动量，测量区域计算器62计算在时刻t0对应于测量区域At0的待测量对象2的相同位置的区域，作为在时刻t1的散斑图像It1中的时刻t1的测量区域At1。具体地，在时刻t1的散斑图像It1的测量区域At1根据移动量从散斑图像的坐标空间内的前一时刻t0的测量区域At0的位置Pt0移动。
接下来，跟踪信号生成器63在各个时刻生成诸如测量区域的各个像素值的平均值的评估值作为用于散斑测量的信号，并且向时序信号处理器64输出信号。时序信号处理器64在各个时刻处理用于散斑测量的信号并且计算诸如红细胞的微粒的速度、粒子直径等。
如上所述，根据本实施方式的散斑测量设备100，取消由于成像器4的主体移动和振动而在待测量对象2与成像器4之间的相对移动分量，并且可以仅提取由于诸如红细胞的微粒的移动引起的散斑分量。因此，可以提高散斑测量精度。
<第二实施方式>
在下文，将详细描述根据本技术的第二实施方式的散斑测量设备100A。
图5是示出根据本技术的第二实施方式的散斑测量设备100A的结构的框图。
如图5所示，在散斑测量设备100A中，算术处理电路6A包括：区域生成器65A、区域质量确定单元66A、测量区域计算器62A、跟踪信号生成器63A以及时序信号处理器64A。
区域生成器65A将由成像器4捕获的整个散斑图像划分为均具有预定大小的多个划分区域。设置划分区域的大小使得存在至少多个散斑图像。存在于一个划分区域的多个粒子的散斑粒子之间的位置关系不受待测量对象2和成像器4之间的相对位置关系中的移动的影响。因此，需要将划分区域设置为具有存在多个散斑粒子的大小，以便将由于粒子的移动而导致的散斑图像的改变与由于待测量对象2和成像器4之间的相对位置关系中的移动而导致的散斑图像的改变区分开来。
区域质量确定单元66A评估质量作为散斑图像的每个划分区域的测量区域。例如，包括来自外部的光的各种区域特定噪声因子可以存在于对应于整个散斑图像的待测量对象2的位置中。此处，区域特定噪声不同于由于成像器4的主体移动和振动而由待测量对象2与成像器4之间的相对移动引起的整个散斑图像的移动。
为了评估质量作为散斑图像的每个划分区域的测量区域，区域质量确定单元66A确定散斑响应相对于激光强度的改变不线性改变的区域、所有散斑的亮度的对比度差的平均值或最大值在阈值以下的区域等作为存在区域特定噪声的区域。换句话说，区域质量确定单元66A确定具有尽可能低的区域特定噪声的划分区域作为高质量测量区域。
测量区域计算器62A针对预定单元(例如，相对于在下一时刻的散斑图像，由区域质量确定单元66A确定的测量区域的散斑图像中的像素等)重复地交错移动具有与划分区域相同大小的检索窗口，并且匹配这两者。移动检测器61确定具有最大重合的检索窗口作为下一时刻散斑图像的测量区域。
跟踪信号生成器63A计算例如由测量区域计算器62A确定的测量区域的各个像素值的平均值，并将其作为用于散斑测量的信号输出。
时序信号处理器64A处理由信号生成器生成的信号，并且计算红细胞等的速度、粒子直径等。例如，时序信号处理器64A可以通过激光多普勒方法测量红细胞的速度并且通过DLS(动态光散射法)估计粒子直径。
[操作]
接下来，将描述本实施方式中的散斑测量设备100A的操作。
图6示出了在特定时刻t0由成像器4捕获的整个散斑图像It0和设置在其中的划分区域D1至D16。
在本实施方式中，作为划分区域的初始值，设置水平和竖直方向上的4x 4，即总共16个区域D1至D16。
在图6中，白色圆圈表示对应于红细胞的散斑以及黑色圆圈表示除了红细胞以外的局部噪声的散斑。
区域质量确定单元66A评估16个划分区域D1至D16的质量作为散斑图像的测量区域并且确定具有高质量的一个或多个划分区域作为测量区域。在图6的实施方式中，划分区域D10被确定为具有最高质量的划分区域并且划分区域D10被确定为在时刻t0的测量区域At0。
图7示出了在时刻t0捕获的整个散斑图像It0与在下一时刻t1捕获的整个散斑图像It1之间的位置关系以及根据位置关系计算的在下一时刻t1的测量区域At1。
在本示例中，测量区域计算器62A针对预定单元(诸如，相对于在时刻t0的测量区域At0的散斑图像，在下一时刻t1的散斑图像中的像素)重复地交错移动具有与一个划分区域相同的大小的检索窗口W，并且匹配这两者。测量区域计算器62A确定在最大重合的时刻的检索窗口W的区域作为下一时刻t1的测量区域At1。
因此，可以在由成像器4按时间序列连续捕获的两个散斑图像中计算是待测量对象2的相同位置并且具有较少噪声分量的高质量测量区域A。
接下来，跟踪信号生成器63A在各个时刻根据测量区域的各个像素值生成用于散斑测量的信号，并且将该信号输出至时序信号处理器64A。时序信号处理器64A在各个时刻处理用于散斑测量的信号，并且计算诸如红细胞的微粒的速度、粒子直径等。
在区域质量确定单元66A输出多个区域的情况下，针对区域的数量执行上述处理并且计算测量区域。例如，通过对诸如根据多个区域计算的速度和粒子直径的数值求平均，可以以更高的精度进行散斑测量。
如上所述，根据本实施方式的散斑测量设备100A，还消除由于成像器4的主体移动和振动而在待测量对象2和成像器4之间的相对移动分量，并且可以仅提取由于诸如红细胞的微粒的移动引起的散斑分量。因此，可以提高散斑测量精度。另外，由于选择具有较少局部噪声分量的测量区域，因此可以进一步提高精度。
[修改]
在上述实施方式中，描述了散斑测量设备100和100A，散斑测量设备100和100A中的每一个利用激光照射待测量对象2并且由成像器4直接捕获从待测量对象2返回的散射光图像。此外，本公开内容可应用于经由透镜由成像器4捕获从待测量对象2返回的散射光图像的散斑测量设备100和100A。
利用这种结构，获得了待测量对象2的图像。通过比较连续捕获的待测量对象2的两个图像，可以检测待测量对象2和成像器4之间的相对位置关系中的移动。
本技术还可以具有以下结构。
(1)
一种散斑测量设备，包括：
成像器，其利用相干光照射待测量对象时捕获从待测量对象返回的散射光图像作为散斑图像；以及
控制器，其通过结合所述待测量对象与所述成像器之间的相对位置关系的移动量来确定由所述成像器按时间序列连续捕获的多个散斑图像中对应于所述待测量对象的相同位置的测量区域。
(2)
根据上述(1)所述的散斑测量设备，其中，
所述控制器被配置成：比较由所述成像器按时间序列连续捕获的所述多个散斑图像；检测所述待测量对象与所述成像器之间的所述相对位置关系的移动量；以及根据检测到的移动量来确定所述多个散斑图像中对应于所述待测量对象的相同位置的测量区域。
(3)
根据上述(1)所述的散斑测量设备，其中，
所述控制器被配置成：将由所述成像器捕获的散斑图像的坐标空间划分为均具有预定大小的多个划分区域；确定具有最小区域特定噪声分量的划分区域作为测量区域；从下一时刻的散斑图像中检索与所述测量区域的散斑图像具有最高重合的区域；并且将所检索到的区域视为在下一时刻的测量区域。
(4)
根据上述(3)所述的散斑测量设备，其中，
所述控制器被配置成确定相对于相干光强度的改变而不线性改变的图像信号作为局部噪声。
(5)
根据上述(3)或(4)所述的散斑测量设备，其中，
所述控制器被配置成从测量区域排除所有现有散斑的亮度的对比度差的平均值、最大值和中值中的任何一个在阈值以下的划分区域。
(6)
一种散斑测量方法，包括：
利用相干光照射待测量对象；
捕获从所述待测量对象返回的散射光图像作为散斑图像；以及
由控制器通过结合所述待测量对象和成像器之间的相对位置关系的移动量，确定按时间序列连续捕获的多个散斑图像中对应于所述待测量对象的相同位置的测量区域。
(7)
根据上述(6)所述的散斑测量方法，其中，
所述控制器比较由所述成像器按时间序列连续捕获的所述多个散斑图像；检测所述待测量对象与所述成像器之间的相对位置关系的移动量；以及根据检测到的移动量来确定多个散斑图像中对应于所述待测量对象的相同位置的测量区域。
(8)
根据上述(7)所述的散斑测量方法，其中，
所述控制器将由所述成像器捕获的散斑图像的坐标空间划分为均具有预定大小的多个划分区域；确定具有最小区域特定噪声分量的划分区域作为测量区域；从下一时刻的散斑图像中检索与所述测量区域的散斑图像具有最高重合的区域；并且将所检索到的区域视为下一时刻的测量区域。
(9)
根据上述(8)所述的散斑测量方法，其中，
所述控制器确定相对于相干光强度的改变而不线性改变的图像信号作为局部噪声。
(10)
根据上述(8)或(9)所述的散斑测量方法，其中，
所述控制器从测量区域排除所有现有散斑的亮度的对比度差的平均值、最大值和中值中的任何一个在阈值以下的划分区域。
附图标记列表
1 光源
2 待测量对象
4 成像器
6 算术处理电路
7 存储器
10 散斑测量***
61 移动检测器
62、62A 测量区域计算器
63、63A 跟踪信号生成器
64、64A 时序信号处理器
65A 区域生成器
66A 区域质量确定单元
100、100A 散斑测量设备

Claims (8)

1.一种散斑测量设备，包括：
成像器，其在利用相干光照射待测量对象时捕获从所述待测量对象返回的散射光图像作为散斑图像；以及
控制器，其基于所述待测量对象与所述成像器之间的相对位置关系的移动量来确定按时间序列连续捕获的多个散斑图像中对应于所述待测量对象的相同位置的测量区域，
所述控制器被配置成：将由所述成像器捕获的散斑图像的坐标空间划分为均具有预定大小的多个划分区域；确定具有最小区域特定噪声分量的划分区域作为测量区域；从下一时刻的散斑图像中检索与所述测量区域的散斑图像具有最高重合度的区域；并且将所检索到的区域视为在下一时刻的测量区域。
2.根据权利要求1所述的散斑测量设备，其中，
所述控制器被配置成：比较由所述成像器按时间序列连续捕获的所述多个散斑图像；检测所述待测量对象与所述成像器之间的位置关系的移动量；以及根据检测到的移动量来确定所述多个散斑图像中的对应于所述待测量对象的相同位置的所述测量区域。
3.根据权利要求1所述的散斑测量设备，其中，
所述控制器被配置成确定相对于相干光强度的改变而不线性改变的图像信号作为局部噪声。
4.根据权利要求3所述的散斑测量设备，其中，
所述控制器被配置成从测量区域排除所有现有散斑的亮度的对比度差的平均值、最大值和中值中的任何一个在阈值以下的划分区域。
5.一种散斑测量方法，包括：
利用相干光照射待测量对象；
捕获从所述待测量对象返回的散射光图像作为散斑图像；以及
由控制器基于所述待测量对象和成像器之间的相对位置关系的移动量，确定按时间序列连续捕获的多个散斑图像中对应于所述待测量对象的相同位置的测量区域，
所述控制器将由所述成像器捕获的散斑图像的坐标空间划分为均具有预定大小的多个划分区域；确定具有最小区域特定噪声分量的划分区域作为测量区域；从下一时刻的散斑图像中检索与所述测量区域的散斑图像具有最高重合的区域；并且将所检索到的区域视为下一时刻的测量区域。
6.根据权利要求5所述的散斑测量方法，其中，
所述控制器比较由所述成像器按时间序列连续捕获的所述多个散斑图像；检测所述待测量对象与所述成像器之间的位置关系的移动量；以及根据检测到的移动量来确定多个散斑图像中对应于所述待测量对象的相同位置的测量区域。
7.根据权利要求5所述的散斑测量方法，其中，
所述控制器确定相对于相干光强度的改变而不线性改变的图像信号作为局部噪声。
8.根据权利要求5或7所述的散斑测量方法，其中，
所述控制器从测量区域排除所有现有散斑的亮度的对比度差的平均值、最大值和中值中的任何一个在阈值以下的划分区域。
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