微循环指标量化方法学微生态疗法治疗婴儿腹泻的临床研究与探讨
作者：陈兴新 骆秉铨
单位：陈兴新(221009 江苏省徐州市，心血管病研究所)；骆秉铨(221009 江苏省徐州市，心血管病研究所)
关键词：
中国微循环000125
1 概述
计算机图像处理与分析技术是近几年发展起来的新兴学科，是现代生物医学工程的一个重要分支。其基本原理就是采用计算机图像处理技术，实现微循环图像的数字化，并进行图像处理，改善图像质量，实现高智能化检测，完成微循环图像指标的定量分析。
从微循环图像中直接测取反映微循环功能状态的微血管网络形态学参数和微血流动力学参数是微循环研究的重要方法之一。因此，形态和流态两大特征系列指标是计算机定量分析研究的对象。
, 百拇医药
微循环显微图像计算机定量分析，主要包括两大功能模块，即硬件技术和软件功能。
2 硬件技术
硬件技术是建立微循环数字图像分析系统的关键。硬件系统要性能良好，相互匹配，尽量降低各环节间的信号衰减和噪音干扰，以获取较理想的微循环图像，为计算机后继处理和指标量化打下基础。硬件技术主要包括以下几个环节：显微镜、摄像机、计算机图像采集和图像显示系统等。
2.1 微循环显微镜：微循环显微镜是显微图像的入口，是整个图像采集系统的关键，其图像质量的优劣直接影响到后继图像的处理和分析。因此，显微镜要求具有很好的景深，放大倍数可调，物距尽可能大，镜架及物托稳固性能好，并配备满足一定波长要求的冷光源。对特殊的图像源，要求配备专门的显微镜，如荧光显微镜等。操作人员要进行专业培训，操作要精细，调焦准确，尽可能减少人为因素造成的图像质量降低。
, 百拇医药 2.2 摄像系统：摄像属系统的一个信号转换过程，它将显微光学图像信号转换为模拟电图像信号，完成光→电转换。因此，选择体积小、重量轻、性能优越的摄像机是摄像系统的关键。主要技术指标：具有较高的图像分辨率(≥800线)，低照度(<0.5lux)和稳定的工作性能。目前，众多的微循环图像分析系统大都选用性能较好的CCD彩色或黑白摄像机。
2.3 计算机图像采集系统： 图像采集完成信号的A/D转换，并进行计算机图像存储。图像采集卡要求衰减低、噪音小、精度高(≥512×512)，尽可能降低A/D转换过程中噪音信号的干扰和有用信息的丢失。尤其是毛细血管图像，图像采集卡分辨率要尽可能高，否则，毛细血管信息将会丢失。目前，图像采集卡有多媒体卡和专业卡两种。专业卡的性能较好，图像显示逼真，清晰度高，但成本高，需要专门的图像监视器；多媒体卡是目前较为流行的图像采集卡，其功能多、售价低、且不需专门的图像监视器。但由于借助计算机显示屏作为图像输出，图像的清晰度有所降低，尤其是黑白图像。因此，选择何种卡应视系统的造价和总体功能而定。
, 百拇医药
微循环图像的采集、存储、处理和显示都是靠计算机系统控制完成的。因此，要求计算机系统运行速度快，大硬盘和高内存。另外应选配大屏幕、高分辨率显示器和高性能打印机，以提高图像的显示和打印质量。
总之，硬件系统各环节尽可能匹配，操作简便，性能可靠。微循环图像作形态分析时，图像放大要适中，放大倍数不要过大，以利于观察微循环特征的全貌，对整体形态有个粗略的定性认识，并且能够提高微血管密度测量的准确度。观测流态指标时，应适当地提高放大倍率，放大微血管内流动微粒的形态，以利于血流速度的测量。
3 软件系统
软件系统主要包括两方面的内容，即微循环图像处理和微循环图像指标量化与分析。
3.1 微循环图像预处理：微循环图像在采集、转换过程中，由于受到系统或人为因素的影响，如系统噪音、照明场不均匀及人为操作不当等，都会造成微循环图像的失真和噪音干扰，给系统分析和指标量化带来不利因素。因此，在微循环图像特征量化提取之前，必须对原始图像进行预处理，以消除噪音干扰，突出微循环图像的特征信息。微循环图像预处理主要包括以下几方面的处理过程：
, 百拇医药
3.1.1 图像还原处理：目的是为了消除因照明场不均匀造成的图像明暗分布不匀，图像信息被背景掩盖。
3.1.2 直方图均衡处理：改变微循环图像的灰度分布，增强微血管网络的清晰度。
3.1.3 图像平滑与锐化处理：消除微循环图像中的高频干扰和噪音，锐化微血管网的边缘。
3.1.4 图像稀化处理：稀化处理是针对微血管网络分析所做的处理，忽略微血管的管径和面积，微血管以线表示，处理后的微血管图像为线网图像，以利于分析血管网络变化和区域血管总长度等指标。
3.2 微循环图像特征分析与指标量化：根据微循环生理功能特点，微循环图像主要有形态和流态两大特征。
3.2.1 甲襞微循环图像特征指标量化：甲襞微循环是临床常选的检测部位之一，临床分析技术比较成熟，其图像特征指标可量化归纳有10项(见表1)。
, 百拇医药
表1 甲襞微循环特征指标量化一览表 指标名称
量化项目说明
输入值
管径、长度、面积
输出值
管径、长度、面积
管襻顶
管径、长度、面积
输入枝与输出枝比
管径、长度、面积
襻乳间距
长度
, 百拇医药
管襻间距
长度
血管条数密度
单位长度内的血管条数
血管迂曲
迂曲度
血流速度
速度
血流量
流量
3.2.2 球结膜微循环图像特征指标量化：人眼球结膜微循环包括了人体微循环的全部环节，其微血管表浅，图像清晰易于观察和分析。根据临床观测的指标，球结膜微循环图像特征量化指标有14项(见表2)。表2 球结膜微循环指标量化一览表
, 百拇医药
指标名称
量化项目说明
微动脉血管
A1、A2、A3、A4
微静脉血管
V1、V2、V3、V4
串联血管长度
单位区域内微血管总长度
并联血管长度
单位区域内微血管总长度与节点数比值
血管迂曲
迂曲度
, 百拇医药
血管总体密度
单位面积内微血管的面积密度
微动脉密度
单位面积内微动脉血管的面积密度
微静脉密度
单位面积内微静脉血管的面积密度
交换距离
毛细血管到组织细胞的最短距离
灌流比
单位区域内流动血管条数与总血管条数的比
血流速度
流速
, 百拇医药
血流量
流量
切变率
8倍流量比血管管径
区域血流量
灌流比与血流量之积
微循环特征量化指标除上述甲襞和球结膜微循环外，还有舌、唇等十几个检查部位，其量化指标大同小异。
4 指标量化方法举例
针对上述列举的微循环特征指标，采用计算机图像处理和分析技术，建立相关的数学模型和分析方法，定量提取微循环特征指标。
4.1 形态指标定量提取：形态指标测量主要提取图像的线、面等特征指标。由于微循环图像来自显微摄像，图像背景比较复杂，干扰噪音较多，为确保提取指标的准确性，测量方法应选择自动测量和人机交互式测量相结合。
, 百拇医药
4.1.1 微血管管径自动测量：计算机自动产生一标尺垂直跨越被测血管，根据微血管边缘灰度与背景灰度存在突变，计算机自动识别微血管边缘，计算出管径。
4.1.2 区域血管总长度和并联长度自动测量：通过稀化后的微血管图像，微血管网络以线网表示，计算机自动跟踪被选区域内的所有血管线网，计算出区域内微血管总长度，即串联长度。
血管并联长度等于血管总长度与区域内血管结点数或条数的比值。因此，血管总长度大并不意味着并联长度大，并联长度更能反映微血管阻力情况。
4.1.3 单位面积血管面积密度自动测量：预处理后的微血管图像，微血管灰度较背景低，通过选择适当的灰度阈值，计算机自动测量单位面积内微血管面积所占的比例。
4.1.4 毛细血管交换距离测量：毛细血管交换距离是指毛细血管到组织细胞间进行物质交换的最短距离。选择任意两相交毛细血管交叉点为圆心，计算机自动画扩展圆，当扩展圆与邻近毛细血管相切时，则扩展圆半径的1/2为该处的交换距离。
, http://www.100md.com
4.1.5 血管迂曲度测量：血管迂曲意味着微血管病变，血管串联长度增大，血管阻力升高。血管迂曲度测量是按血管串联长度S和血管首尾径长R计算得出：迂曲度=(S-R)/S×100%。
4.2 流态指标定量测量：流态指标测量以血流速度测量为主。血流速度是微循环血液动力学的主要指标，它能客观地反映微循环血流灌注情况。目前测量血流速度的方法主要有以下几种：相关法、飞点同步法、环放步进跟踪法和血管造影法等。
4.2.1 相关法测速：相关法又分为时间相关和空间相关两种，这两种方法都是通过对流经被测血管的血细胞微粒柱，在相对时间(单窗法)t或相对距离(双窗法)l内，血细胞微粒柱的迁移进行相关计算，得出迁移距离或迁移时间，计算出血流速度。这种方法主观干扰因素小，操作简单，只要窗口一旦选定，计算机会自动测量出血流速度。但它对图像要求比较严格，要求图像放大倍数高，图像在被测过程中不能晃动，而且，测量重复性比较差。本方法大都用在动物实验研究中。
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4.2.2 飞点同步法测速：飞点同步法是人为地制造一串运动光点迭加到活动图像上，光点的走向与被测血管一致，运动方向与血流方向一致，通过人眼观察血流运动，调节光点的运动速度以逼近血管内血细胞运动速度，那么，光点的运动速度即被认为被测血管的血流速度。这种测量方法的优点是操作简便，图像稳定度要求不严，但人为因素影响较大，只能作为相对血流速度。
4.2.3 环放步进跟踪法测速：环放步进跟踪法是利用计算机技术，连续采集并存储多幅序列图像，然后进行逐帧循环慢放，人眼实时观察并跟踪血管内血细胞微粒的逐帧移动，测量相邻帧或几帧间微粒的移动距离，计算出即时速度，最后求得平均速度。此测速方法对图像的稳定性要求不高，测量精度高，重复性好，但速度测量存在上限，即线流状态无法测量。
4.2.4 血管造影法测速：造影法测速属一种有创性方法。被测者需注射一种荧光造影剂，一是造影剂对观测对象身体有影响，二是需要配置专门的荧光显微镜，造价昂贵。此方法测速准确，精度高，但临床推广困难。
, 百拇医药
5 讨论
微循环图像特征分析与指标量化，是一个复杂的计算机图像处理过程：
5.1 图像采集干扰因素多，硬件要求比较严格；
5.2 图像背景复杂，特征提取难度大。因此，建立一个完善的分析系统，必须选择性能良好、彼此匹配的硬件技术，建立完善的数学模型，开发多功能图像处理软件。
参考文献
1，P C Y Chen， S W Kovalcheck and B W Zweifach: Analysis of microvascular network in bulbar conjunctiva by image processing. Int J Microcir:Clin EXp 1987,6:245～255.
, http://www.100md.com
2，田牛编.微循环基础与临床.北京：人民军医出版社1984，25～158
3，胡庆茂，李树祥微循环图像血管直径的精确测量研究中国医疗器械杂志1992，16(5)：259～262.
(收稿1999-08-11修回1999-09-27)
中国微生态学杂志 2000年第5期第12卷 临床研究
微生态疗法治疗婴儿腹泻的临床研究与探讨
作者：吴志潮 郑亚平 林新富 蔡忠钦
单位：福建省立医院小儿科，福州350001
关键词：婴幼儿腹泻；微生态治疗., 百拇医药
单位：陈兴新(221009 江苏省徐州市，心血管病研究所)；骆秉铨(221009 江苏省徐州市，心血管病研究所)
关键词：
中国微循环000125
1 概述
计算机图像处理与分析技术是近几年发展起来的新兴学科，是现代生物医学工程的一个重要分支。其基本原理就是采用计算机图像处理技术，实现微循环图像的数字化，并进行图像处理，改善图像质量，实现高智能化检测，完成微循环图像指标的定量分析。
从微循环图像中直接测取反映微循环功能状态的微血管网络形态学参数和微血流动力学参数是微循环研究的重要方法之一。因此，形态和流态两大特征系列指标是计算机定量分析研究的对象。
, 百拇医药
微循环显微图像计算机定量分析，主要包括两大功能模块，即硬件技术和软件功能。
2 硬件技术
硬件技术是建立微循环数字图像分析系统的关键。硬件系统要性能良好，相互匹配，尽量降低各环节间的信号衰减和噪音干扰，以获取较理想的微循环图像，为计算机后继处理和指标量化打下基础。硬件技术主要包括以下几个环节：显微镜、摄像机、计算机图像采集和图像显示系统等。
2.1 微循环显微镜：微循环显微镜是显微图像的入口，是整个图像采集系统的关键，其图像质量的优劣直接影响到后继图像的处理和分析。因此，显微镜要求具有很好的景深，放大倍数可调，物距尽可能大，镜架及物托稳固性能好，并配备满足一定波长要求的冷光源。对特殊的图像源，要求配备专门的显微镜，如荧光显微镜等。操作人员要进行专业培训，操作要精细，调焦准确，尽可能减少人为因素造成的图像质量降低。
, 百拇医药 2.2 摄像系统：摄像属系统的一个信号转换过程，它将显微光学图像信号转换为模拟电图像信号，完成光→电转换。因此，选择体积小、重量轻、性能优越的摄像机是摄像系统的关键。主要技术指标：具有较高的图像分辨率(≥800线)，低照度(<0.5lux)和稳定的工作性能。目前，众多的微循环图像分析系统大都选用性能较好的CCD彩色或黑白摄像机。
2.3 计算机图像采集系统： 图像采集完成信号的A/D转换，并进行计算机图像存储。图像采集卡要求衰减低、噪音小、精度高(≥512×512)，尽可能降低A/D转换过程中噪音信号的干扰和有用信息的丢失。尤其是毛细血管图像，图像采集卡分辨率要尽可能高，否则，毛细血管信息将会丢失。目前，图像采集卡有多媒体卡和专业卡两种。专业卡的性能较好，图像显示逼真，清晰度高，但成本高，需要专门的图像监视器；多媒体卡是目前较为流行的图像采集卡，其功能多、售价低、且不需专门的图像监视器。但由于借助计算机显示屏作为图像输出，图像的清晰度有所降低，尤其是黑白图像。因此，选择何种卡应视系统的造价和总体功能而定。
, 百拇医药
微循环图像的采集、存储、处理和显示都是靠计算机系统控制完成的。因此，要求计算机系统运行速度快，大硬盘和高内存。另外应选配大屏幕、高分辨率显示器和高性能打印机，以提高图像的显示和打印质量。
总之，硬件系统各环节尽可能匹配，操作简便，性能可靠。微循环图像作形态分析时，图像放大要适中，放大倍数不要过大，以利于观察微循环特征的全貌，对整体形态有个粗略的定性认识，并且能够提高微血管密度测量的准确度。观测流态指标时，应适当地提高放大倍率，放大微血管内流动微粒的形态，以利于血流速度的测量。
3 软件系统
软件系统主要包括两方面的内容，即微循环图像处理和微循环图像指标量化与分析。
3.1 微循环图像预处理：微循环图像在采集、转换过程中，由于受到系统或人为因素的影响，如系统噪音、照明场不均匀及人为操作不当等，都会造成微循环图像的失真和噪音干扰，给系统分析和指标量化带来不利因素。因此，在微循环图像特征量化提取之前，必须对原始图像进行预处理，以消除噪音干扰，突出微循环图像的特征信息。微循环图像预处理主要包括以下几方面的处理过程：
, 百拇医药
3.1.1 图像还原处理：目的是为了消除因照明场不均匀造成的图像明暗分布不匀，图像信息被背景掩盖。
3.1.2 直方图均衡处理：改变微循环图像的灰度分布，增强微血管网络的清晰度。
3.1.3 图像平滑与锐化处理：消除微循环图像中的高频干扰和噪音，锐化微血管网的边缘。
3.1.4 图像稀化处理：稀化处理是针对微血管网络分析所做的处理，忽略微血管的管径和面积，微血管以线表示，处理后的微血管图像为线网图像，以利于分析血管网络变化和区域血管总长度等指标。
3.2 微循环图像特征分析与指标量化：根据微循环生理功能特点，微循环图像主要有形态和流态两大特征。
3.2.1 甲襞微循环图像特征指标量化：甲襞微循环是临床常选的检测部位之一，临床分析技术比较成熟，其图像特征指标可量化归纳有10项(见表1)。
, 百拇医药
表1 甲襞微循环特征指标量化一览表 指标名称
量化项目说明
输入值
管径、长度、面积
输出值
管径、长度、面积
管襻顶
管径、长度、面积
输入枝与输出枝比
管径、长度、面积
襻乳间距
长度
, 百拇医药
管襻间距
长度
血管条数密度
单位长度内的血管条数
血管迂曲
迂曲度
血流速度
速度
血流量
流量
3.2.2 球结膜微循环图像特征指标量化：人眼球结膜微循环包括了人体微循环的全部环节，其微血管表浅，图像清晰易于观察和分析。根据临床观测的指标，球结膜微循环图像特征量化指标有14项(见表2)。表2 球结膜微循环指标量化一览表
, 百拇医药
指标名称
量化项目说明
微动脉血管
A1、A2、A3、A4
微静脉血管
V1、V2、V3、V4
串联血管长度
单位区域内微血管总长度
并联血管长度
单位区域内微血管总长度与节点数比值
血管迂曲
迂曲度
, 百拇医药
血管总体密度
单位面积内微血管的面积密度
微动脉密度
单位面积内微动脉血管的面积密度
微静脉密度
单位面积内微静脉血管的面积密度
交换距离
毛细血管到组织细胞的最短距离
灌流比
单位区域内流动血管条数与总血管条数的比
血流速度
流速
, 百拇医药
血流量
流量
切变率
8倍流量比血管管径
区域血流量
灌流比与血流量之积
微循环特征量化指标除上述甲襞和球结膜微循环外，还有舌、唇等十几个检查部位，其量化指标大同小异。
4 指标量化方法举例
针对上述列举的微循环特征指标，采用计算机图像处理和分析技术，建立相关的数学模型和分析方法，定量提取微循环特征指标。
4.1 形态指标定量提取：形态指标测量主要提取图像的线、面等特征指标。由于微循环图像来自显微摄像，图像背景比较复杂，干扰噪音较多，为确保提取指标的准确性，测量方法应选择自动测量和人机交互式测量相结合。
, 百拇医药
4.1.1 微血管管径自动测量：计算机自动产生一标尺垂直跨越被测血管，根据微血管边缘灰度与背景灰度存在突变，计算机自动识别微血管边缘，计算出管径。
4.1.2 区域血管总长度和并联长度自动测量：通过稀化后的微血管图像，微血管网络以线网表示，计算机自动跟踪被选区域内的所有血管线网，计算出区域内微血管总长度，即串联长度。
血管并联长度等于血管总长度与区域内血管结点数或条数的比值。因此，血管总长度大并不意味着并联长度大，并联长度更能反映微血管阻力情况。
4.1.3 单位面积血管面积密度自动测量：预处理后的微血管图像，微血管灰度较背景低，通过选择适当的灰度阈值，计算机自动测量单位面积内微血管面积所占的比例。
4.1.4 毛细血管交换距离测量：毛细血管交换距离是指毛细血管到组织细胞间进行物质交换的最短距离。选择任意两相交毛细血管交叉点为圆心，计算机自动画扩展圆，当扩展圆与邻近毛细血管相切时，则扩展圆半径的1/2为该处的交换距离。
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4.1.5 血管迂曲度测量：血管迂曲意味着微血管病变，血管串联长度增大，血管阻力升高。血管迂曲度测量是按血管串联长度S和血管首尾径长R计算得出：迂曲度=(S-R)/S×100%。
4.2 流态指标定量测量：流态指标测量以血流速度测量为主。血流速度是微循环血液动力学的主要指标，它能客观地反映微循环血流灌注情况。目前测量血流速度的方法主要有以下几种：相关法、飞点同步法、环放步进跟踪法和血管造影法等。
4.2.1 相关法测速：相关法又分为时间相关和空间相关两种，这两种方法都是通过对流经被测血管的血细胞微粒柱，在相对时间(单窗法)t或相对距离(双窗法)l内，血细胞微粒柱的迁移进行相关计算，得出迁移距离或迁移时间，计算出血流速度。这种方法主观干扰因素小，操作简单，只要窗口一旦选定，计算机会自动测量出血流速度。但它对图像要求比较严格，要求图像放大倍数高，图像在被测过程中不能晃动，而且，测量重复性比较差。本方法大都用在动物实验研究中。
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4.2.2 飞点同步法测速：飞点同步法是人为地制造一串运动光点迭加到活动图像上，光点的走向与被测血管一致，运动方向与血流方向一致，通过人眼观察血流运动，调节光点的运动速度以逼近血管内血细胞运动速度，那么，光点的运动速度即被认为被测血管的血流速度。这种测量方法的优点是操作简便，图像稳定度要求不严，但人为因素影响较大，只能作为相对血流速度。
4.2.3 环放步进跟踪法测速：环放步进跟踪法是利用计算机技术，连续采集并存储多幅序列图像，然后进行逐帧循环慢放，人眼实时观察并跟踪血管内血细胞微粒的逐帧移动，测量相邻帧或几帧间微粒的移动距离，计算出即时速度，最后求得平均速度。此测速方法对图像的稳定性要求不高，测量精度高，重复性好，但速度测量存在上限，即线流状态无法测量。
4.2.4 血管造影法测速：造影法测速属一种有创性方法。被测者需注射一种荧光造影剂，一是造影剂对观测对象身体有影响，二是需要配置专门的荧光显微镜，造价昂贵。此方法测速准确，精度高，但临床推广困难。
, 百拇医药
5 讨论
微循环图像特征分析与指标量化，是一个复杂的计算机图像处理过程：
5.1 图像采集干扰因素多，硬件要求比较严格；
5.2 图像背景复杂，特征提取难度大。因此，建立一个完善的分析系统，必须选择性能良好、彼此匹配的硬件技术，建立完善的数学模型，开发多功能图像处理软件。
参考文献
1，P C Y Chen， S W Kovalcheck and B W Zweifach: Analysis of microvascular network in bulbar conjunctiva by image processing. Int J Microcir:Clin EXp 1987,6:245～255.
, http://www.100md.com
2，田牛编.微循环基础与临床.北京：人民军医出版社1984，25～158
3，胡庆茂，李树祥微循环图像血管直径的精确测量研究中国医疗器械杂志1992，16(5)：259～262.
(收稿1999-08-11修回1999-09-27)
中国微生态学杂志 2000年第5期第12卷 临床研究
微生态疗法治疗婴儿腹泻的临床研究与探讨
作者：吴志潮 郑亚平 林新富 蔡忠钦
单位：福建省立医院小儿科，福州350001
关键词：婴幼儿腹泻；微生态治疗., 百拇医药