CN101573989B - 用于荧光成像的校准装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于在成像过程中鉴别照明变化的荧光标准物具有复合的荧光层压结构，该标准物响应于大致波长范围为375nm到430nm的光而发出荧光。该荧光体具有至少两个具有不同荧光响应的区域，如第一个区域由强荧光材料如GG420滤光玻璃制成。GG420玻璃的一部分被对其荧光响应有衰减作用的滤光玻璃覆盖。根据本发明的一个方法，在成像过程中，通过将该标准物放置在照相机前面而检测照相机成像过程中照明的变化。每张捕获的影像可含有标准物的影像，且可将不同影像中标准物的荧光响应比较，以鉴别由于照明变化引起的任何响应变化。然后可通过调整照明源、照相机或环境光照来纠正照明变化。获自，可通过数码影像处理来归一化影像。

Description

用于荧光成像的校准装置和方法
发明领域
本发明涉及用于校准皮肤成像系统的装置和方法，尤其涉及校准其中皮肤在UV和/或蓝光下成像、产生荧光影像的皮肤成像系统的装置和方法。
发明背景
已提出了各种用于通过拍照捕捉人的面部影像以用于分析皮肤的健康和美观的成像系统。在不同时间或不同光照条件下捕捉的照片可用于和/或经相互比较以获得对皮肤情况的认识及其对治疗的响应。这通常通过操作员观察照片以鉴别皮肤情况的某些可见性指标以及确定照片之间的变化来实现。当在照射的光线如闪光灯或频闪灯下拍照时，每张照片的光强度和光波长都各不相同。环境光照条件也可导致照明光有变化。照明光的变化可导致捕获的数码影像产生变化，但这种变化不能归因于皮肤情况的变化，因此降低了数码成像分析的证据力。
发明内容
通过一种鉴别多次进行成像的过程中照明的变化的荧光标准物而克服用于数码皮肤成像的常规装置所存在的问题和缺点，该种标准物包括响应大致波长范围为375nm-430nm的光而发荧光的荧光体。该荧光体具有两个区域，所述区域具有不同的荧光响应。根据本发明的方法，通过在照相机前放置响应大致波长范围为375nm-430nm的光而发荧光的荧光体而检测该照相机照相期间照明的变化。用大致波长范围为375nm-430nm的光捕获荧光体的第一幅影像。用大致波长范围为375nm-430nm的光捕获荧光体的第二幅影像。然后将第一幅影像中荧光体的荧光响应与第二幅影像中荧光体的荧光响应比较。
根据下文给出的本发明的详细描述，本发明的其它方面、特征和优点将是明显的。
附图简述
图1是一个人在结合了本发明校准装置的皮肤成像站中给他的皮肤拍照的图解视图。
图2是图1所示校准装置的透视图，其中，该校准装置显示为与该成像系统分开，以方便考虑和讨论(consideration and discussion)。
图3A是在时间T1获取的对象和校准装置的第一张照片的前视图；
图3B是在时间T2获取的对象和校准装置的第二张照片的前视图。
发明详述
本发明包括校准皮肤成像站的装置和方法。校准装置包括荧光标准物，该荧光标准物具有由具有类似于当暴露于UV和/或蓝光时皮肤的荧光特性的荧光特性的材料制成的第一层。部分覆盖该第一层的由半透明材料制成的额外层减弱了该第一层的荧光强度，产生了多步(multi-step)校准标准。
根据本发明的方法，将校准标准放置在对象的面部附近，给该校准标准和该对象一起拍照，并使该校准标准出现在相同的照片中。在获取UV或蓝色荧光照片时，具有不同数量的层的校准标准的不同部分吸收UV和/或蓝光，并以不同的已知水平发出荧光，为校准提供多种荧光标准物。为相互比较，记录多张数码照片，各张照片记录对象面部和标准的荧光强度。在接连的数码影像中比较标准的荧光值，以确定强度是否发生了变化，并发出照明亮度中的变化的信号。用软件程序确定影像中荧光标准物的位置。如果确定照明光的光强度发生了变化，可再拍一张照片来重新捕获影像。在拍替代影像之前可先调整照明强度，或者拍照者可校准导致该变化的环境因数。或者，可通过调整像素强度值来用软件调整影像的显示强度，以补偿照明强度的变化。
图1显示具有申请人共同待批美国专利申请系列号10/008753(发明名称为“使用蓝光获取皮肤影像的方法及其用途”(“Method of Taking Images of theSkin Using Blue Light and the Use Thereof”)，其美国申请公开号为US2004/0146290 A1)、美国专利申请系列号10/978,284(发明名称为“获取并观察皮肤影像的装置和方法”(“Apparatus for and Method of Taking and ViewingImages of the Skin”)，其美国申请公开号为US 2005/0195316 A1)、美国专利申请系列号11/169,813(发明名称为“具有探测器的皮肤成像系统”(“SkinImaging System with Probe”)，其美国申请公开号为US 2006/0092315 A1)所揭示的特征和功能的皮肤成像站10，前述所有文献的全文以引用的方式结合于此。US公开号2005/0195316和2006/0092315描述了使用另一种照明技术来突出和强调皮肤情况，如皱纹或痤疮，其中激活能够产生特定波长的光的闪光元件，并用照相机捕获影像。在此方法中还可使用各种滤光片。
上述参考的申请中所描述的一种技术涉及获取对象皮肤的蓝荧光照片，以通过产生与皮肤情况相关的物质——粪卟啉的分布的明亮影像来说明和揭示这些皮肤情况，如痤疮和角质(horns)(即皮脂脂质、角化细胞和皮肤上挤在开放的粉刺黑头和黑头中的可能的皮脂细胞(sebocyte)的混合物)。通过使用基本上唯一为蓝光的光(即，波长范围为约375nm到约430nm的光)，粪卟啉的荧光发射被最大化。因此，光谱中蓝光区域的激发产生角质分布的明亮荧光发射。
蓝荧光照相术通常使用具有非常窄的带宽的滤光片，且所产生的衰减需要使用高强度的光源(如闪光)。但是，高强度光源的强度和色温度往往会波动，这会产生不一致的影像。这些不一致还可来自于电源或环境因数的轻微波动，如来自其它来源的偶然曝光(如打开对象拍照所在房间的门进入的外来光)。如果拍两张或多张照片的闪光的光强度变化的话，这种不一致可出现在该对象的连续拍照的照片中。结果，没有在基本上相同的光照条件下拍照的对象皮肤的影像可能不同，这将不利地影响所获得的影像的质量和/或一致性，并损害到由此收集的信息。因此，需要一种荧光标准物来帮助解释各照片，以比较依次拍照的照片的光强度水平，调整改变的入射光强度，并为校准提供标准参照。
由下文将明显的是，可将本发明用于校准其它成像系统，但参照系统可用于阐述本发明。皮肤成像站10具有在成像过程中支持对象S的下巴的下巴支持台14。照相机16固定在成像站10上，在下巴支持台14和对象S对面。调整下巴支持台14和照相机16的镜头前端之间的距离以及照相机变焦设置，这样对象S的面部基本上填满照相机16的“画幅”(frame)，且下巴支持台14将对象置于一个与照相机16一致的方向和距离的位置上。用于蓝荧光照相术的一个或多个蓝光闪光元件18a(为了清楚，仅显示其中之一)固定在成像站10中，用于照明对象S的面部。蓝光滤光片18b置于各蓝光闪光元件18a之前。提供一电源组(未显示)，以给蓝光闪光元件18a提供能量。蓝光闪光元件18a直接面对对象S面部的中心。其它闪光元件以及它们的配套滤色片和电源组也可固定在成像站10中，以用于标准的和其它类型的照相术(见美国公开号2005/0195316)。
仍结合附图1，皮肤成像站10还包括与置于成像站10之内的计算机(未显示)操作性连接的显示监控器20。更具体地说，计算机运行操作监控器20、照相机16、闪光元件如18a以及使用者界面的软件程序。在使用监控器20输入对象S的相关历史(biographical)和医疗信息并准备好拍照后，操作软件向成像获取和显示软件(“IDL软件”，哥伦比亚州玻尔得的IDL研究系统公司(IDL Research Systems，Inc.)，Boulder，CO)发出函数调用指令。然后，IDL软件启动照相机16，获取蓝荧光照片(以及其它类型的照片，如果需要的话)。通过使用无线电收发信机(见美国公开号2005/0195316)、定制的定序器(flashsequencer)、可编程的逻辑控制器或“闪光分配器”启动闪光元件18a。在拍蓝荧光照片前，IDL软件将宽带滤光片24(柯达Wratten No.8或12，纽约州罗彻斯特的依斯曼柯达公司(Eastman Kodak)，Rochester，NY)移到照相机16的镜头之前。然后拍蓝荧光照片。拍照之后，IDL软件启动伺服马达22、螺线管或滤光片轮将宽带滤光片24移动离开照相机16的镜头。
现在结合图1和2，将校准标准26固定到本实施方式的下巴支持台14(如本文提供的狭槽中)，这样当对象S的下巴处于下巴支持台14上时，校准标准26位于靠近他们的脸的地方(见图1)。校准标准26具有两个或多个覆盖的层，如图2所示，分别具有三个这样的层28、30和32。第一层28由GG420滤光玻璃(宾夕法尼亚州杜里埃的斯科特玻璃技术公司(Schott GlassTechnologies PA，Duryea)制成，该玻璃是一种荧光(激发和发射)特性与当皮肤暴露于UV或蓝光(即波长为约375-430nm的光)时具有的荧光特性相类似的材料。第二层30的面积小于第一层28的面积，部分覆盖第一层28(见图2)。第二层30由BG39滤光玻璃(宾夕法尼亚州杜里埃的斯科特玻璃技术公司)制成，该玻璃是一种半透明的、非荧光性材料，起到衰减层的作用。第三层32与第二层30类似，即它也由BG39滤光玻璃制成，且也起到衰减层的作用。第三层32的面积小于第一层28和第二层30，部分覆盖第二层30(见图2)。第二层30和第三层32逐渐减少第一层28的荧光强度。这三层28、30和32可通过塑料外壳(未显示)以叠加的构型维持在一起。这种层叠的装配以可移除的方式附着于成像系统10，以允许移除下来，并被保存，以保护标准26免受损伤和污染。可将各种标准26用于成像站10，以用于不同的成像期间(session)。
图3A和3B分别显示如皮肤成像站监控器20上所示的对象S和校准标准26的影像34a和34b。如美国公开号2005/0195316充分描述的那样，使用蓝光给对象S拍照期间，校准标准26的三个层28、30和32接受其光强度与照射到对象S的面部上的光强度相同的蓝光。暴露于该蓝光的第一层28的部分(即未被第二和第三衰减层30和32覆盖的区域)的荧光响应与皮肤的相似。第二层30对第一层28的荧光有衰减效果，减少响应于蓝光而产生的荧光的量。第三层32当与第二层30结合时对第一层28的荧光具有更大的衰减效果，进一步减少响应于该蓝光而产生的荧光的量。通过吸收蓝光并以不同的、一致的、已知水平发出荧光，三个层28、30和32起到三个荧光标准物的作用，以为校准提供多个参照标准。可使用软件程序确定影像34a和34b中荧光标准物的位置，分析从结合于装置26中的标准物返回的光强度，并基于此分析校准该系统，如下文所述。
影像34a和34b两者都通过像素的二维矩阵形成。各像素占据矩阵中一个唯一的位置(X，Y)，并具有强度值。图3A和3B各阐述了三个样品像素的位置，即一个位于影像34a和34b上标准26的第三层32的代表区域中的像素，其位置为(X1，Y1)，和两个位于对象S的皮肤的代表性区域的像素，其位置分别为(X2，Y2)和(X3，Y3)。影像34a在时间T1拍照，而影像34b在时间T2拍照。拍照各影像的时间与影像的位置坐标一起标出(如影像34a中的(X1，Y1，T1)和影像34b中的(X1，Y1，T2))。
当给对象S拍摄一系列的连续照片影像如34a和34b时，上文所述的照明(闪光)光强度)的波动可在时间T1和T2之间发生，导致在标准26的代表性区域(如在(X1，Y1))以及在对象S的皮肤的代表性区域(如在(X2，Y2))中的像素存在不同的光强度值。标准26的代表性像素的光强度不同，表明照明光已发生变化。因此，本发明的一个方面是鉴别在这种变化的照明光中拍摄的至少两幅数码影像之间照明光强度发生变化的情形。不使用该标准的情况下，将不可能将皮肤的连续影像(如34a和34b)中的一个或多个像素(如(X2，Y2))之间的不同光强度值归因于该照明光的波动，或者归因于对象S在时间T1和T2所展现的不同皮肤情况。
为了辨别对应于标准26的影像区域中的强度变化，必须鉴别/分离影像如34a和34b中的该区域，这样才能鉴别正确的像素强度值。这可通过将该影像的一个预先确定的区域指派给标准26而实现。更具体而言，如果照相机16的聚焦设置和方向保持固定，那么标准26将在所拍照的各影像中的相同区域中出现，这样可凭经验确定对应于标准26(和亚部分28、30和32)的影像区域，且其保持不变。或者，可扫描该影像(全部或像素的一个亚组，如每50个像素中的一个)，从而以矩形的形式(具有矩形形状)测试重复的强度值。在使用多部件标准26的情况下(如图2所示)，一个以上相邻矩形(在此是三个)的存在且都具有一致的强度值(各区域28、30和32逐渐降低)是定位标准26的可靠标记。扫描标准26具有一优点，即影像中该标准的移动(如由于照相机16的移动或焦距变化)将不会导致该标准的读数错误。
将影像34a、34b中的代表标准26的像素定位之后，可比较对应像素的光强度值，如(X1，Y1，T1)和(X1，Y1，T2)。从一个强度值(如在位置(X1，Y1，T2)的强度值)中减去另一个强度值(如在位置(X1，Y1，T1)的强度值)产生一个代表像素之间强度的定量差的值。或者，可对影像之间的强度差异实施更复杂的分析，尤其对于大的差异而言，其是非线性的，如是γ曲线，或将其换算成交替的色隙(alternate colorspace)。在进行数码影像如34a和34b的数值分析时，通常有利的是将RGB格式的影像转换成L*a*b*格式，以便简化数学运算(mathematics)，并对颜色组成和影像亮度有更深刻的认识。
关于不同时间拍摄的影像之间的照明光变化的鉴定(和定量)(如本发明所测定的)，可实施任选的校正步骤：(i)校正影像的环境条件，如指导操作者消除外来的环境光输入(来自开着的门或遮光物的光)，让对象重新定位等；(ii)通过例如重新放置照明源如光18a，替换该照明源或电子调节其输入(如调节该光的电压输入)而对该照明源进行调整/校正；或(iii)通过相对于选作参照影像的影像调节相关影像所有像素的强度值而归一化(normalize)该影像，如全部加上或减去通过比较归因于代表标准26的该影像的部分的强度差别而鉴定的定量的强度差别(并保存归一化的/校正的影像，用于比较)。例如，如果第二幅影像的影像强度比第一幅的强度低“5”(由照明强度的变化所致，如采用各影像中出现的标准26的影像强度所测定的)，那么可将该第二幅影像所有像素的像素强度加上“5”而将该第二幅影像归一化至该第一幅影像。或者，可对影像之间的强度差异实施更复杂的分析，尤其对于大的差异而言，其是非线性的，如是γ曲线，或将其换算成交替的色隙。对于前面两种选择，即调整环境或照明光，有变化的影像将不被考虑而重新拍摄新的照片。对于第三种选择，即调整强度值，不需要重新拍照。
应理解，归一化的方法可参照标准26的影像强度值来进行，其中该影像强度值获自任意的影像如34a或34b，因为调整的方法是相对的；还应理解的是，可对1张至任意数值N张的任意数值的影像实施归一化的方法。然后可显示经归一化的影像，或将其与其它影像保存在电脑储存器或文件中。
应理解，附图1-3B的实施方式仅仅是示例性的，本领域熟练技术人员在不偏离本发明精神和范围的情况下可作出许多变化和改动。例如，校正装置26中可包括更多或更少的衰减层。虽然本发明从调整蓝色照明光中的变化这一角度进行了解释，但是本发明还可用于鉴别和补偿其它波长的照明光中的变化。所有这些变化和改动都意图包括在本发明的范围之内。

Claims (16)

1.用于鉴别面部皮肤多次照相机成像过程中照明变化的荧光标准物(26)，所述照明用发射光波长375nm到430nm的光源进行，其包括：
荧光体，该荧光体响应波长范围为375nm到430nm的光而发出荧光，该荧光体具有三个具有不同荧光响应的区域；其中所述的荧光响应包含荧光强度；
所述荧光体具有：
第一层(28)，该第一层(28)的材料对波长范围为375nm到430nm的光具有荧光响应，
第二层(30)，该第二层(30)的材料衰减所述第一层(28)的荧光响应，该第二层(30)仅部分地覆盖该第一层(28)；
第三层(32)，该第三层(32)的材料部分覆盖第二层(30)，该第三层(32)在所述第二层(30)导致的衰减之外进一步衰减所述第一层(28)的荧光；
一个限定照相机(16)、标准物(26)和面部皮肤之间的可再现空间关系的支持物。
2.如权利要求1所述的标准物，其特征在于，所述第一层(28)由第一类型的滤光玻璃形成，所述第二层(30)由第二类型的滤光玻璃形成。
3.如权利要求2所述的标准物，其特征在于，所述第一类型的滤光玻璃是GG420滤光玻璃，所述第二类型的滤光玻璃是BG39滤光玻璃。
4.如权利要求2所述的标准物，所述支持物保持所述各层处于叠层构型。
5.如权利要求1所述的标准物，其特征在于，所述支持物具有下巴支持台(14)，用于确定成像对象(S)的位置。
6.如权利要求5所述的标准物，其特征在于，所述标准物(26)固定在靠近所述对象(S)的所述下巴支持台(14)上。
7.一种鉴别使用照相机(16)对个人面部皮肤进行的成像过程中照明的变化的方法，所述照明用发射光波长375nm到430nm的光源进行，该方法包括以下步骤：
(A)将一权利要求1所述的荧光体(26)放置在所述照相机和光源之前，该荧光体响应波长范围为375nm到430nm的光而发出荧光；
(B)让个人位于所述照相机和光源之前，并靠近荧光标准物；
(C)通过用波长范围为375nm到430nm的光同时照亮个人和荧光标准物来同时捕获个人和荧光体(26)的第一幅影像； 
(D)在步骤(C)之后，如步骤(A)和(B)所做重建所述荧光标准物、照相机、光源和个人之间的相对位置；
(E)用波长范围为375nm到430nm的光捕获个人和荧光体(26)的第二幅影像；
(F)鉴别代表所述第一和第二幅影像中的荧光体(26)的荧光响应的该第一和第二幅影像的一部分；
(G)将该第一幅影像中的荧光体(26)的荧光响应与该第二幅影像中的荧光体(26)的荧光响应相比较；
(H)如果步骤(G)鉴定到荧光响应差异，对第一幅和第二幅影像至少其一进行纠正从而缩小差异。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述鉴别步骤(F)是可编程地测试该第一和第二影像中满足指示该荧光体(26)的标准的区域。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述标准包括形状。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述标准包括尺寸。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述鉴别步骤为人工确定该荧光体(26)在该第一幅影像中的位置，和以大致相同的方式成像第二幅影像，这样该荧光体(26)在该第一和第二幅影像中基本上占据相同的位置。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，如果注意到照明发生了变化，则再拍摄至少一张第二幅影像的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述纠正步骤包括在所述再拍摄步骤前纠正照明条件的步骤，包括调整照明装置(18a，18b)、修补照明装置(18a，18b)、调整照相机(16)、修补照相机(16)和调整环境光照条件中的至少一种。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一和第二幅影像是数码影像，已注意到照明已发生了变化，且所述纠正步骤包括通过数码处理至少一幅所述影像而将所述第一和第二幅影像归一化的步骤。
15.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一和第二幅影像是数码影像，且所述方法还包括在所述比较步骤前将所述第一和第二幅数码影像由第一色隙转换成另一种色隙的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，已注意到照明已发生了变化，且所述纠正步骤包括通过数码处理至少一幅以所述另一种色隙表示的影像，然后转换回所述第一色隙而将所述第一和第二幅影像归一化的步骤。 
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