CN105184223A - 一种拉曼成像信号提取与后处理方法 - Google Patents

Abstract

一种拉曼成像信号提取与后处理方法，包括如下步骤：1)从拉曼成像仪器中获得拉曼光谱信号；2)对所有的光谱谱图求平均谱图，并选择待观察物质的特征谱峰范围，从平均谱图中截取特定区域；3)根据步骤2)选出的特定区域，从所有拉曼光谱y_i,j中截取待观察物质的特征谱峰范围；4)将每个拉曼光谱截取的谱峰数据(步骤3)所得)依次与平均谱图截取的谱峰数据(步骤2)所得)做相关运算，并取相关函数R_i,j(τ)的最大值a_i,j；5)对所有的a_i,j进行后处理，获得{b_i,j}；6)将{b_i,j}归一化到0-255之间，并平均分为若干份，每一份采用不同的颜色表征，根据{b_i,j}的坐标画出拉曼成像色彩图。本发明所提出的方法，仅涉及简单的加乘运算，计算速度较快，适合用于快速拉曼成像信号处理上。

Description

一种拉曼成像信号提取与后处理方法

技术领域

本发明涉及拉曼信号处理领域，特别是一种拉曼成像信号提取与后处理方法。

背景技术

作为一种分子振动光谱技术，拉曼光谱的指纹图谱特点使得其成为鉴别物质的一种重要工具。近年来，因无需标记、非侵入等优点，拉曼成像在生物和医学诊断领域受到广泛关注。借助于拉曼光谱仪器的改进(如多点同时扫描的线聚焦模式等)，拉曼成像质量和成像速度都有了质的改善和提高，能够在数分钟内实现成像分析而用于活体成像。

通常，获得高质量拉曼成像图的前提是提供低噪声水平的拉曼谱图。对于大部分样品，延长采谱时间，可有效降低仪器的随机背景噪声的同时有效保留样品的拉曼信号。然而，采谱时间的延长，会降低拉曼成像的实时性，使得对被测目标的在线跟踪变得十分困难。即便对于一些能够在短时间里获得低噪声水平的拉曼谱图，由于需要先对单个谱图数据进行去噪、背景扣除和谱峰选取及强度测量等步骤，因此，通常情况下，拉曼成像结果的获得需要一定的处理时间，很难进行实时在线跟踪的拉曼成像分析，进而无法对感兴趣区域进行准确定位以深入研究。

目前，在拉曼成像信号处理中普遍采用的算法有Savitzky-Golay(SG)、有限长单位冲击响应滤波、小波转换、因子分析和维纳滤波等。这些算法各有优缺点和适用范围，但一个共同的不足在于，这些方法均需要较多的计算量和计算时间，难以实现拉曼成像的实时在线分析。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种拉曼成像信号的提取与后处理方法，能够在有效抑制噪声并成像的同时，保证计算的速度。

本发明采用如下技术方案：

一种拉曼成像信号提取与后处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)从拉曼成像仪器中获得拉曼光谱信号，其包含m×n个光谱谱图{y_i,j},1≤i≤m,1≤j≤n组成，i为行数，j为列数，m为成像的行数，n为成像的列数，y_i,j为向量；

2)对所有的光谱谱图求平均谱图并选择待观察物质的特征谱峰范围，从平均谱图中截取特定区域；

3)根据步骤2)选出的特定区域，从所有拉曼光谱y_i,j中截取带观察物质的特征谱峰范围；

4)将每个拉曼光谱截取的谱峰数据(步骤3)所得)依次与平均谱图截取的谱峰数据(步骤2)所得)做相关运算，并取相关函数R_i,j(τ)的最大值a_i,j；

5)对所有的a_i,j进行后处理，获得{b_i,j}；

6)将{b_i,j}归一化到0-255之间，并平均分为若干份，每一份采用不同的颜色表征，根据{b_i,j}的坐标画出拉曼成像色彩图。

优选的，在步骤5)中，所述的后处理为采用公式：式中，u,v分别代表行数和列数；i,j分别代表行数和列数；d[g]为两点的欧式距离；r[g]为两点之间的相对强度，Ω-(i,j)表示除(i,j)外所有的成像点的集合。

优选的，在步骤4)中，所述的相关运算为其中，N表示y_i,j(x)和的维数，τ表示延时序号，x为拉曼位移。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明可用于处理经由拉曼成像仪器获取的拉曼成像信号，可以从中提取有用信息，并进行后处理以提高成像清晰度，其采用相关法作为有用信息的提取方法，具有一定的噪声抑制作用。此外，以欧式距离为依据，考虑成像点之间的相互关系，进行进一步的后处理，能提高成像清晰度。本方法与拉曼成像的硬件相配合，可以实现快速拉曼成像，具有较强的噪声抑制和清晰成像能力，对于采用拉曼成像技术观察快速变化过程具有重大的意义。

附图说明

图1为对某物质进行拉曼成像时，某一个点的拉曼谱图。

图2为对某物质进行拉曼成像时，所有点拉曼谱图的平均谱图。

图3为Saturation函数图形。

图4为某物质的拉曼成像图。

图5为本发明方法的流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参照图5，一种拉曼成像信号提取与后处理方法，不需要进行消噪和基线校正，直接获取实现拉曼成像的方法，包括如下步骤：

1)从拉曼成像仪器中获得拉曼光谱谱图{y_i,j},1≤i≤m,1≤j≤n，i为行数，j为列数，m为成像的行数，n为成像的列数，y_i,j为向量，光谱谱图由被测物决定，参照图1的某种物质的拉曼光谱谱图。

2)对所有的拉曼光谱求平均谱图并选取待观察物质的特征谱峰范围，从平均谱图中截取，如图2放大图内的矩形框所示。显然，平均谱图的噪声水平低于任意一个光谱y_i,j。

3)根据步骤2选出的区域，从所有拉曼光谱y_i,j中截取待观察物质的特征谱峰范围，如图1放大图内的矩形框所示。

4)将每个拉曼光谱截取的谱峰数据(步骤3)所得)依次与平均谱图截取的谱峰数据(步骤2)所得)做相关运算，并取相关函数R_i,j(τ)的最大值a_i,j。相关函数基于信号和噪声的统计特性，是两个时域信号相似性的一种度量，被广泛应用于检测数据处理和微弱信号检测等领域。对于幅值在一定范围内的两个拉曼信号，其相似度越高，则它们的相关函数的最大值越大。对于在{y_i,j}中带有噪声的拉曼信号y_i,j(x)和平均谱图相关运算是一个累加平均的过程，如式(1)所示：

$R_{i,j}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{y}_{i,j}\left(x\right)\stackrel{\‾}{y}(x-\mathrm{\τ})---\left(1\right)$

式中，N表示y_i,j(x)和的维数，τ表示延时序号，x为拉曼位移，R_i,j(τ)为y_i,j(x)和的相关函数。

将y_i,j(x)和表示为纯拉曼信号和噪声的形式，即y_i,j(x)＝s_i,j(x)+n_i,j(x)和这里，s_i,j(x)和为不带噪声的拉曼信号，n_i,j(x)和为零均值白噪声。若用符号E[g]表示相关运算，由于相关运算是线性运算，因此式(1)可以写为：

$\begin{array}{c}{R}_{i,j}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\[y_{i,j}\left(x\right)\stackrel{\‾}{y}\left(x-\mathrm{\τ}\right)=E\[\left(s_{i,j}\left(x\right)+n_{i,j}\left(x\right)\right)\left(\stackrel{\‾}{s}\left(x-\mathrm{\τ}\right)+\stackrel{\‾}{n}\left(x-\mathrm{\τ}\right)\right)\]\\ =E\[s_{i,j}\left(x\right)\stackrel{\‾}{s}\left(x-\mathrm{\τ}\right)\]+E\[s_{i,j}\left(x\right)\stackrel{\‾}{n}\left(x-\mathrm{\τ}\right)\]+E\[n_{i,j}\left(x\right)\stackrel{\‾}{s}\left(x-\mathrm{\τ}\right)\]+E\[n_{i,j}\left(x\right)\stackrel{\‾}{n}\left(x-\mathrm{\τ}\right)\]\\ =R_{s_{i,j}\stackrel{\‾}{s}}+R_{s_{i,j}\stackrel{\‾}{n}}+R_{n_{i,j}\stackrel{\‾}{s}}+R_{n_{i,j}\stackrel{\‾}{n}}=R_{s_{i,j}\stackrel{\‾}{s}}\end{array}---\left(2\right)$

这里，分别为s_i,j(x)和s_i,j(x)和n_i,j(x)和n_i,j(x)和的相关函数。显然，随机噪声n_i,j(x)和互不相关，且n_i,j(x)和分别与s_i,j(x)和也互不相关，从而式(2)中的均等于零。因此，相关运算可以有效的削弱噪声的影响。取相关函数R_i,j(τ)的最大值作为物质的浓度信息，即：

a_i,j＝max(R_i,j(τ))(3)

式(3)中，max[g]表示取最大值。

5)获得{a_i,j}后，可直接以不同颜色表征a_i,j的大小，获得拉曼成像图。如果该成像图的清晰度仍不满足要求，可对{a_i,j}利用式(4)进行后处理，以进一步提高成像的清晰度，后处理的公式如下：

$b_{i,j}=\underset{(u,v)\∈\mathrm{\Ω}-(i,j)}{\Σ}\frac{r\[a_{i,j}-a_{u,v}\]}{d\[(i,j),(u,v)\]}---\left(4\right)$

式中，u,v和i,j一样，分别代表行数和列数；d[g]为两点的欧式距离；r[g]为两点之间的相对强度，以a_i,j-a_u,v为输入，其函数图形为Saturation函数，如图3所示，其斜线的倾角可根据实际情况调整，一般为60-90度；Ω-(i,j)表示除(i,j)外所有的成像点的集合经过后处理，获得了{b_i,j},1≤i≤m,1≤j≤n。

6)将{b_i,j}归一化到0-255之间(最小值为0，最大值为255)，并平均分为若干份或区间(平分的分数越多，则图像越细致)，每一份或每一区间采用不同的颜色表征(比如等分为五个区间，则每个区间内的点分别用红、橙、黄、绿、蓝色表示)，最后按照{b_i,j}的坐标，即坐标(i,j)的位置画出拉曼成像彩色图，如图4所示。

本发明所提出的方法，仅涉及简单的加乘运算，计算速度较快，适合用于快速拉曼成像信号处理上。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (3)

1.一种拉曼成像信号提取与后处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)从拉曼成像仪器中获得拉曼光谱信号，其包含m×n个光谱谱图{y_i,j},1≤i≤m,1≤j≤n组成，i为行数，j为列数，m为成像的行数，n为成像的列数，y_i,j为向量；

2)对所有的光谱谱图求平均谱图y，并选择待观察物质的特征谱峰范围，从平均谱图中截取特定区域；

3)根据步骤2)选出的特定区域，从所有拉曼光谱y_i,j中截取待观察物质的特征谱峰范围；

4)将每个拉曼光谱截取的谱峰数据(步骤3)所得)依次与平均谱图截取的谱峰数据(步骤2)所得)做相关运算，并取相关函数R_i,j(τ)的最大值a_i,j；

5)对所有的a_i,j进行后处理，获得{b_i,j}；

6)将{b_i,j}归一化到0-255之间，并平均分为若干份，每一份采用不同的颜色表征，根据{b_i,j}的坐标画出拉曼成像色彩图。

2.如权利要求1所述的一种拉曼成像信号提取与后处理方法，其特征在于，在步骤5)中，所述的后处理为采用公式：式中，u,v分别代表行数和列数；i,j分别代表行数和列数；d[g]为两点的欧式距离，；r[g]为两点之间的相对强度，Ω-(i,j)表示除(i,j)外所有的成像点的集合。

3.如权利要求1所述的一种拉曼成像信号提取与后处理方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的相关运算为其中，N表示y_i,j(x)和的维数，τ表示延时序号，x为拉曼位移。