CN101543398B - 一种基于指数型光子密度动态调整的目标检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于光子密度指数型调整的目标检测装置。该装置可用于人体组织内肿瘤的近红外无创检测。该装置主要解决了以往的近红外成像设备对深层结构不敏感，检测效果差的问题。本发明根据成像深度对光子密度进行调整，调整曲线呈指数型。调整曲线上最大值与最小值之比称为调整权重的动态范围。当成像在接近检测目标表面时，光子密度乘以具有较小动态范围的调整权重；当成像远离检测目标表面时，光子密度乘以具有较大动态范围的调整权重。调整过程中，调整权重的较大值作用在深层的光子密度上；调整权重的较小值作用在浅层的光子密度上。这种具有不同动态范围的指数型调整方法能够有效检测出具有不同深度的目标。

Description

一种基于指数型光子密度动态调整的目标检测装置

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，特别是近红外光谱成像的目标检测设备。

背景技术

近红外光谱成像是从二十世纪七十年代发展起来的一种无创成像技术。它以其无创，便携，实时和价格低廉的特点受到研究者的广泛关注，并在最近的三十年中得到了迅速的发展。

生物组织作为一种强散射介质，当近红外光在生物组织内传输时，作为组织内主要成分的水、氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对近红外光具有低吸收、高散射的特性，因此近红外光可以在生物组织中传播数厘米，构成探测组织内部活动的“光医疗窗口”。水、氧合血红蛋白和脱氧合血红蛋白对近红外光的吸收曲线如图1所示。

近红外光通过激光光源探头入射进生物组织，在组织体内发生多次散射后，从组织内出射并由激光接收探头接收。近红外光在生物组织中的传播路径如图2所示。近红外光在组织中传播，随着入射组织深度的增加，近红外光子密度呈指数下降，这样就使得深层组织具有比较小的光子密度。这也是导致现有的近红外设备不能检测到深层肿瘤或者深层成像分辨率比较低的主要原因。图4为肿瘤在组织下面3.8cm时，现有的近红外设备的成像效果图。图3为肿瘤在组织下面3.8cm时的真实图像。

从图4可以看出，由于组织深层相对于组织浅层具有较小的光子密度，因此肿瘤成像通常倾向于组织的表面，肿瘤的位置误差比较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种指数型的光子密度动态调整的目标检测装置，以解决现有近红外成像设备对组织深层结构不敏感，深层分辨率差的问题。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于指数型光子密度动态调整的目标检测装置，包括近红外光产生装置、激光光源探头、激光接收探头、光子密度记录器和组织成像系统；其还包括光子密度权重调整器，其中：

近红外光产生装置，用于产生近红外光，与激光光源探头相连；

激光光源探头，用于将近红外光传导至检测目标，其输入端与近红外光产生装置相连，输出端和检测目标相连；

激光接收探头，用于接收从组织出射的光子，其接收端与检测目标相连，输出端和成像系统相连；

光子密度记录器，用于记录组织内每一体素上的光子数，其输出端与光子密度权重调整器相连；

光子密度权重调整器，用于对光子密度进行指数形式调整，其输出端与组织成像系统相连；

组织成像系统，根据调整后的光子密度信息和接收探头的测量数据对检测目标进行成像。

所述的目标检测装置，其所述光子密度权重调整器，是根据成像深度对光子密度进行调整，调整曲线呈指数型，调整曲线上的最大值与最小值之比称为调整权重的动态范围；当成像在接近检测目标表面时，光子密度乘以具有较小动态范围的调整权重；当成像远离检测目标表面时，光子密度乘以具有较大动态范围的调整权重；调整过程中，调整权重的较大值作用在较深层的光子密度上；调整权重的较小值作用在较浅层光子密度上。

所述的目标检测装置，其所述光子密度记录器，是用来记录检测目标内每一体素上通过的光子数，也就是在某一时间范围内，每一体素上通过的光子总数。

所述的目标检测装置，其所述光子密度权重调整器，是指数型光子密度权重调整器，其调整权重M以下式表示：

其中：

M_L为第L层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M_L＞0；

M_L-1为第L-1层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M_L-1＞0；

M_K为第K层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M_K＞0；

M₁为第1层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M₁＞0；

a为光子密度权重动态范围的调整指数，0≤a≤3。

所述的目标检测装置，其所述指数型光子密度调整器，从第一层到第L层光子密度调整权重呈现指数增加的形式，具体关系如下：(M_L)^a＜(M_L-1)^a＜.......＜(M₁)^a。

所述的目标检测装置，其所述指数型光子密度调整器，在浅层目标成像时，光子密度权重动态范围的调整指数a取较小值；深层目标成像时，增大光子密度权重动态范围的调整指数a，从而使深层光子密度获得更大的调整权重。

所述的目标检测装置，其所述浅层：肿瘤距离检测目标表面小于1.5cm为浅层；深层：肿瘤距离检测目标表面大于1.5cm为深层；

光子密度权重动态范围的调整指数取值范围为：0≤a≤3，当0≤a≤1时为小，得到较小动态范围的调整权重M，对应于肿瘤在浅层时的成像；当1＜a≤3时为大，得到较大动态范围的调整权重M，对应于肿瘤在深层时的成像。

所述的目标检测装置，其所述指数型光子密度调整器，其调整步骤如下：

步骤一：计算检测目标内每个体素的深度，具有同一深度的体素被看作是同一层上的组织；

步骤二：计算每层组织内光子密度矩阵的最大奇异值，由浅层到深层分别为M₁，M₂，.......M_L-1，M_L；

步骤三：将所有属于第一层结构的光子密度乘以系数(M_L)^a，将所有属于第二层结构的光子密度乘以系数(M_L-1)^a，以此类推，将所有属于第L层结构的光子密度乘以系数(M₁)^a；

然后利用得到的调整后的光子密度信息和接收探头的测量数据对检测目标进行成像

本发明所设计的检测装置，其核心内容为：在光子密度权重调整器中，对光子密度进行指数型调整。同时，根据欲观察目标的深度，选择适当的动态调整范围。即当成像在距离检测目标上表面1.5cm时，光子密度的调整权重具有较小动态范围的，例如，调整指数0≤a≤1时得到的动态范围0＜R≤110；当成像距离检测目标上表面大于1.5cm时，光子密度的调整权重应该具有较大的动态范围，例如，调整指数1＜a≤3时得到的动态范围110＜R≤1325700。调整过程中，调整权重的较大值作用在较深层的光子密度上；调整权重的较小值作用在较浅层光子密度上，也就是调整参数(M_L)^a，(M_L-1)^a，.......(M₁)^a分别作用在组织结构的第1，2，.......L层。这种具有不同动态范围的指数型调整方法能够有效检测出具有不同深度的目标。

附图说明

图1现有技术生物体重要成分对光的吸收曲线图；

图2近红外光在生物组织中的传播路径示意图；

图3组织深层包含一个肿瘤的真实图像；

图4现有技术对组织深层包含一个肿瘤的成像效果图；

图5本发明的基于指数型光子密度调整的目标检测装置结构图；

图6是光子密度权重调整器流程方框图；

图7本发明的指数型光子密度调整曲线在调整指数a＝1时的形状示意图；

图8本发明实施例组织深层包含一个肿瘤的成像效果图；

图9组织浅层包含一个肿瘤的真实图像；

图10本发明实施例组织浅层包含一个肿瘤的成像效果图；

图11组织中包含多个肿瘤的真实图像示意图；

图12现有技术对组织中包含多个肿瘤的成像效果图；

图13本发明实施例对组织中包含多个肿瘤的成像效果图。

具体实施方式

本发明实施例所设计的光子密度指数型调整的目标检测装置，如图5所示，光子密度权重调整器流程(如图6所示)。在如图5所示的装置中：

近红外光产生装置1，为He-Ne激光器，所产生的近红外光波长范围为600纳米到950纳米的电磁波；

激光光源探头2，由多模光纤组成，用于将装置1产生的近红外光传导至检测目标；

激光接收探头3，由硅电二极管和多模光纤组成，用于接收从组织出射的光子；

光子密度记录器4，用MonteCarlo方法实现，用于记录组织内每个体素到达的光子数；

光子密度权重调整器5，通过人机交互接口，用于对光子密度进行指数形式调整；

成像装置6，通过C语言编程实现。

本发明实施例所设计的指数型光子密度动态调整的目标检测装置，其光子密度调整的实施方式主要分为三个部分：计算检测目标中各体素点的深度；指数型光子密度动态调整时其调整曲线的定义；指数型光子密度动态调整的实施步骤。

一、计算检测目标中各体素点的深度

计算检测目标中各体素点的深度是为了将所有属于相同深度的体素作为同一层组织来研究。各体素点深度定义方法为：组织表面为第0层；组织内部与表面的最短距离为1mm的体素为第一层；组织内部与表面的最短距离为2mm的体素为第二层；以此类推，组织内部与表面的最短距离为Lmm的体素为第L层。

二、指数型光子密度动态调整调整曲线的定义

本发明实例所采用的指数型光子密度动态调整曲线由下式确定，

首先，计算每层组织光子密度的最大奇异值，因为这些值能够反应出组织中光子能量的指数衰减。从浅层到深层这些值分别为M₁，M₂，.......M_L；

然后，对每层组织的光子密度实现指数型调整，其调整权重M为：

其中：

M_L为第L层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M_L＞0；

M_L-1为第L-1层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M_L-1＞0；

M_K为第K层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M_K＞0；

M₁为第1层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M₁＞0；

a为光子密度权重动态范围的调整指数，0≤a≤3。

从第一层到第L层，每层光子密度矩阵的最大奇异值具有指数增加的分布形式，具体关系为：M_L＜M_L-1＜.......＜M_K.......＜M₁。例如检测目标L＝21层时，这些值所构成的曲线如图7所示，图7也可以看成是在调整指数a＝1时的指数型光子密度调整曲线；

动态范围R定义为：R＝(max(M)/min(M))^a

其中：

max(M)为调整权重M的最大值；

min(M)为调整权重M的最小值；

a为光子密度权重动态范围的调整指数。

光子密度权重调整器，是根据成像深度对光子密度进行调整，调整曲线呈指数型。调整曲线上的最大值与最小值之比称为调整权重的动态范围，例如图7中最大值与最小值之比得到的动态范围R＝0.3735/0.0034＝111；当肿瘤距离检测目标上表面较小时，光子密度的调整权重具有较小的动态范围，例如图9中，肿瘤距离检测目标上表面1.2cm时，指数型光子密度的动态范围R＝111，调整后的图像如图10所示；当成像远离检测目标表面时，光子密度的调整权重具有较大的动态范围，例如图3中，肿瘤距离检测目标上表面3.8cm时，指数型光子密度的动态范围R＝129470，调整后的图像如图8所示。调整过程中，调整参数的较大值作用在较深层的光子密度上，调整参数的较小值作用在较浅层光子密度上，也就是说，所得到的调整参数(M_L)^a，(M_l-1)^a，.......(M₁)^a分别作用在组织结构的第1，2，.......L层。

指数型光子密度调整器，在浅层目标成像时，调整指数a取较小值，例如，图9中，肿瘤距离检测目标上表面1.2cm时，调整指数a＝1，指数型调整后得到的图像如图10所示；深层目标成像时，增大调整指数a，从而使深层光子密度获得更大的调整权重。例如图3中，肿瘤距离检测目标上表面3.8cm时，调整指数a＝2.5，指数型调整后得到的图像如图8所示。

三、指数型光子密度动态调整的实施步骤

首先，根据检测目标中各体素点的深度的计算方法，确定检测目标的层数；

其次，计算每一层组织光子密度的最大奇异值，从浅层到深层分别为M₁，M₂，.......M_L；

最后，将所有属于第一层的光子密度乘以(M_L)^a，将所有属于第二层的光子密度乘以(M_L-1)^a，以此类推，将所有属于第1层的光子密度乘以(M₁)^a，然后利用得到的调整后的光子密度信息和接收探头的测量数据对检测目标进行成像。

实施例一

图8所示为基于指数型调整的组织深层包含一个肿瘤的成像效果图。图3显示了组织深层包含一个肿瘤的真实图像，其中目标的直径为6mm，肿瘤的深度为组织下面3.8cm。

对比图3，可以看出，图8中，肿瘤位置的准确性非常高，具有非常好的成像效果。

在本实例中，调整权重M中的调整指数a＝2.5，调整参数的动态范围R＝129470。

实施例二

图8所示为组织浅层包含一个直径为6mm的肿瘤，其中肿瘤位于组织下面1.2cm。图10为本发明的指数型调整目标检测装置的成像效果图。

可以看出，指数型调整的目标检测装置对组织浅层的肿瘤也具有非常理想的成像效果。

在本实例中，调整指数a＝1，调整参数的动态范围R＝111。

实施例三

图11所示为组织中包含多个肿瘤的真实图像。而且这些肿瘤具有不同深度，分别为组织下面1cm，2cm和3cm。每个肿瘤大小都为8mm。图12为现有技术的成像效果图。图13为本发明的指数型调整目标检测装置的成像效果图。

从成像效果可以看出，现有的近红外成像设备不能检测出组织深层的肿瘤；而本发明的指数型调整后的目标检测装置中，三个肿瘤都能准确检测到；而且具有位置误差比较小，整体成像效果好的特点。这说明指数型调整后的目标检测装置对多个不同深度的肿瘤也具有很好的检出能力。

在本实例中，调整指数a＝1.8，调整参数的动态范围R＝4795。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于指数型光子密度动态调整的目标检测装置，包括近红外光产生装置、激光光源探头、激光接收探头、光子密度记录器和组织成像系统；其特征为：还包括光子密度权重调整器，其中：

近红外光产生装置，用于产生近红外光，与激光光源探头相连；

激光光源探头，用于将近红外光传导至检测目标，其输入端与近红外光产生装置相连，输出端和检测目标相连；

激光接收探头，用于接收从组织出射的光子，其接收端与检测目标相连，输出端和成像系统相连；

光子密度记录器，用于记录组织内每一体素上的光子数，其输出端与光子密度权重调整器相连；

光子密度权重调整器，用于对光子密度进行指数形式调整，其输出端与组织成像系统相连；

组织成像系统，根据调整后的光子密度信息和接收探头的测量数据对检测目标进行成像。

2.根据权利要求1所述的目标检测装置，其特征为：所述光子密度记录器，是用来记录检测目标内每一体素上通过的光子数，也就是在某一时间范围内，每一体素上通过的光子总数。

3.根据权利要求1所述的目标检测装置，其特征为：所述光子密度权重调整器，是指数型光子密度权重调整器，其调整权重M以下式表示：

其中：

M_L为第L层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M_L＞0；

M_L-1为第L-1层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M_L-1＞0；

M_K为第K层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M_K＞0；

M₁为第1层组织光子密度矩阵的最大奇异值，取值范围为M₁＞0；

a为光子密度权重动态范围的调整指数，0≤a≤3。

4.根据权利要求3所述的目标检测装置，其特征为：所述指数型光子密度权重调整器，从第一层到第L层光子密度调整权重呈现指数增加的形式，具体关系如下：(M_L)^a＜(M_L-1)^a＜……＜(M₁)^a。

5.根据权利要求3所述的目标检测装置，其特征为：光子密度权重动态范围的调整指数a取值范围为：0≤a≤3，当0≤a≤1时，对应于肿瘤在浅层组织时的成像；当1＜a≤3时，对应于肿瘤在深层组织时的成像；其中，肿瘤距离检测目标表面小于1.5cm为浅层，肿瘤距离检测目标表面大于1.5cm为深层。

6.根据权利要求3或5所述的目标检测装置，其特征为：所述指数型光子密度权重调整器，当成像在接近检测目标表面时，光子密度权重动态范围的调整指数a在0≤a≤1范围内取值；当成像远离检测目标表面时，光子密度权重动态范围的调整指数a在1＜a≤3范围内取值。

7.根据权利要求3所述的目标检测装置，其特征为：所述指数型光子密度权重调整器，其调整步骤如下：

步骤一：计算检测目标内每个体素的深度，具有同一深度的体素被看作是同一层上的组织；

步骤二：计算每层组织内光子密度矩阵的最大奇异值，由浅层到深层分别为M₁，M₂，……M_L-1，M_L；

步骤三：将所有属于第一层结构的光子密度乘以系数(M_L)^a，将所有属于第二层结构的光子密度乘以系数(M_L-1)^a，以此类推，将所有属于第L层结构的光子密度乘以系数(M₁)^a；

然后利用得到的调整后的光子密度信息和接收探头的测量数据对检测目标进行成像。

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