CN106510623A - 抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统 - Google Patents

抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统 Download PDF

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刘爱
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Abstract

本发明公开了一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，采用不同频率抬高预设电平的正交方波分别驱动一组单色光源中的各个单色光源，摄像头接收到的图像中每个像素点是每个单色光源透过乳腺组织样本的单色光组合；在摄像头采集图像的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的正交方波信号由于抬高了预设电平，在正交方波信号的低电平部分，正交方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在正交方波信号低电平段，摄像头获取到图像的信噪比，进而提高了输入到计算机中的单色光组合的精度；计算机对单色光组合进行分离得到单色光组合中的各个单色光源的贡献，据此实现对乳腺组织样本的透射高光谱图成像。

Description

抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统
技术领域
本发明涉及成像系统领域，尤其涉及一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，该高光谱成像系统应用于乳腺样本组织的检测中。
背景技术
现有技术中通过光对物体内部进行成像，特别是对人体内部进行成像，具有无损无创无辐射的突出优点，但至今尚未有能够进入家庭使用的乳腺透射成像光测量系统用于经常性的肿瘤自检，其原因在于现有乳腺成像系统的成本高、运算复杂、精度有限，无法满足实际应用中的乳腺自检需要。
为了提高图像测量质量，现有技术中的公告号为CN104783761 A，公告日为2015年7月22的专利申请利用正交方波作为激励信号来提高成像质量。
发明人在实现本发明的过程中，发现上述现有技术中至少存在以下缺点和不足：
由于现有的成像系统无一例外地均采用模数转换器，模数转换器在靠近输入极限(最大或最小幅值)时存在显著的非线性，特别是输入模数转换器的模拟信号电平越低，得到的数字转换结果的不确定度越大。
因此，采用纯净正交方波作为激励信号时，在正交方波的低电平部分得到的数字信号的信噪比就很低，从而影响了图像的总体信噪比。
发明内容
本发明提供了一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，本发明通过将正交方波调整为抬高预设电平的正交方波，提高了图像的总体信噪比，详见下文描述：
一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，所述成像系统包括：一组单色光源和摄像头分别分布在乳腺组织样本的两侧，每个单色光源成线性排列，采用透镜汇聚成一束光，构成光源；一个摄像头构成光源接收器件；
采用不同频率抬高预设电平的正交方波分别驱动一组单色光源中的各个单色光源，摄像头接收到的图像中每个像素点是每个单色光源透过乳腺组织样本的单色光组合；
在摄像头采集图像的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的正交方波信号由于抬高了预设电平，在正交方波信号的低电平部分，正交方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在正交方波信号低电平段，摄像头获取到图像的信噪比，进而提高了输入到计算机中的单色光组合的精度；
计算机对单色光组合进行分离得到单色光组合中的各个单色光源的贡献，据此实现对乳腺组织样本的透射高光谱图成像。
其中，作为驱动的正交方波信号由于抬高了预设电平，在正交方波信号的高电平部分，提高了摄像头获取到图像的信噪比。
其中，预设电平的取值为摄像头采集的图像动态范围一半以上最佳。
所述单色光源、所述摄像头在乳腺组织样本两面对称设置。
其中，所述单色光源为激光二极管；或，所述单色光源为单色二极管。
进一步地，所述摄像头为手机摄像头。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明采用不同频率抬高预设电平的正交方波驱动单色光源，对摄像头检测到的光电信号进行分离可以得到单色光组合中的各个单色光源的贡献，进而实现对乳腺组织样本的成像，相较于背景技术中的公告号为CN104783761A，公告日为2015年7月22的专利申请，本发明显著地提高了在正交方波信号低电平段的图像的信噪比，进而改善了摄像头获取到图像的质量；进而提高了输入到计算机中的单色光组合的精度，据此实现对乳腺组织样本的透射高光谱图成像。本发明实现了高速度、大信息的高精度测量，且本发明提供的系统具有成本低、应用方便等优点，适宜于家庭自检。
附图说明
图1为本发明提供的一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统的结构示意图；
图2为本发明提供的单色光源、乳腺组织样本和摄像头相对位置示意图；
图3为本发明提供的抬高预设电平正交方波的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：一组单色光源；2：透镜；
3：乳腺组织样本；4：一个摄像头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，参见图1和图2，成像系统包括：一组n个单色光源1(用LD表示，单色光源的波长处于600～1200nm之间，此波段为“光学窗口”，穿透深度比较深)和一个摄像头4。
其中，n的具体取值与乳腺组织样本3对不同波长的敏感程度相关，本发明实施例对此不做限制)；一组单色光源1分布在乳腺组织样本3的一侧，一个摄像头4分布在乳腺组织样本3的另一侧。
其中，一组单色光源1中的每个单色光源LD1…LDn成线性排列，采用透镜2汇聚成一束光，构成线阵光源；一个摄像头4构成多波长光源接收器件。该线阵成像光测量系统还包括与一个摄像头4外接的计算机(图中未示出)。
参见图3，采用不同频率抬高预设电平的正交方波分别驱动一组单色光源1中的各个单色光源LDi，摄像头4进行采集，采集到的图像中，每个像素点为每个单色光源LDi透过乳腺组织样本3的单色光组合Iij。
本发明实施例抬高预设电平后，在摄像头4采集图像的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的正交方波信号由于抬高了预设电平，在正交方波信号的低电平部分，正交方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在正交方波信号低电平段的图像的信噪比；相较于背景技术中的公告号为CN104783761 A，公告日为2015年7月22，以纯净正交方波作为激励信号的专利申请，本发明实施例显著地提高了在正交方波信号低电平段的图像的信噪比，进而改善了摄像头4获取到图像的质量。
另外，由于抬高预设电平，噪声水平没有变化，在正交方波信号的高电平部分，正交方波信号相较于噪声也有一定的改善，提高了在正交方波信号高电平段的图像的信噪比。
进而，由于摄像头4获取到的图像(其中，摄像头4接收到的图像中每个像素点是每个单色光源透过乳腺组织样本3的单色光组合)的信噪比整体增强，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度。
其中，预设电平的取值优选摄像头4采集的图像动态范围一半以上时，信号大于等于1/2图像动态范围，通过摄像头4采集到的信号的失真小、图像质量最高。
计算机对单色光组合Iij进行分离可以得到单色光组合Iij中的各个单色光源LDi的贡献，构成各波长下的透射图像。根据各波长下乳腺组织样本3中正常组织、肿瘤组织等的光学特性不同，进行乳腺组织样本3的透射光成像测量，实现肿瘤的早期检测。
其中，计算机对单色光组合Iij进行分离可以得到单色光组合Iij中的各个单色光源LDi的贡献的步骤具体为：
为简便说明起见，以4种波长的发光二极管1为例进行说明，假定λ1(D1发光二极管)和λ2(D2发光二极管)波长的发光二极管1驱动抬高预设电平的正交方波频率为2倍f，λ3(D3发光二极管)和λ4(D4发光二极管)波长的发光二极管1驱动抬高预设电平的正交方波频率分别为1倍f，而且λ1、λ2波长的发光二极管1驱动抬高预设电平的正交方波频率相同但相位相差90°，λ3、λ4波长的发光二极管1驱动抬高预设电平的正交方波频率相同但相位相差90°。
假定摄像头4采样频率为fS，且fS＝2f，并保证在λ1驱动信号高、低电平中间采样。
数字信号序列可以表示为：
其中，和分别为波长λ1、λ2、λ3和λ4的电压信号，为低频信号，包括：背景光、摄像头4的本底噪声。
假定采样频率fS远高于调制抬高预设电平的正交方波信号和背景光的变化频率，在最低驱动信号频率的一个周期可以近似认为各路抬高预设电平的正交方波信号的幅值和背景光信号的幅值不变。以最前8个采样值为例：
其中，和分别为波长λ1、λ2、λ3和λ4的光信号和背景信号的幅值。
换言之，以顺序每8个数字信号为一组进行运算：
即得到4倍的波长λ1的光信号而且完全消除了背景信号的影响。
即得到4倍的波长λ2的光信号而且完全消除了背景信号的影响。
即得到4倍的波长λ3的光信号而且完全消除了背景信号的影响。
即得到4倍的波长λ4的光信号而且完全消除了背景信号的影响。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在正交方波信号低电平段的图像的信噪比，且也提高了在正交方波信号高电平段的图像的信噪比，进而提高了整个电平段的图像信噪比，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度，进而提高了高光谱图成像的质量，实现了对乳腺组织样本的检测。
实施例2
一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，参见图1和图2，该实施例以激光二极管作为单色光源LD1…LDn为例进行说明。
采用不同频率抬高预设电平的正交方波分别驱动一组单色光源1中的各个激光二极管LDi，一个摄像头4中每个像素点接收到每个激光二极管LDi透过乳腺组织样本3的单色光组合Iij；计算机对单色光组合Iij进行分离可以得到单色光组合Iij中的各个激光二极管LDi的贡献，据此可以对乳腺组织样本3进行透射高光谱图成像。
本实施例中的计算机处理步骤均与实施例1相同，本实施例在此不再赘述。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在正交方波信号低电平段的图像的信噪比，且也提高了在正交方波信号高电平段的图像的信噪比，进而提高了整个电平段的图像信噪比，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度，进而提高了高光谱图成像的质量，实现了对乳腺组织样本的检测。
实施例3
一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，参见图1和图2，该实施例以单色二极管作为单色光源LD1…LDn为例进行说明。
采用不同频率抬高预设电平的正交方波分别驱动一组单色光源1中的各个单色二极管LDi，一个摄像头4中每个像素点接收到每个单色二极管LDi透过乳腺组织样本3的单色光组合Iij；计算机对单色光组合Iij进行分离可以得到单色光组合Iij中的各个单色二极管LDi的贡献，据此可以对乳腺组织样本3进行透射高光谱图成像。
本实施例中的计算机处理步骤均与实施例1相同，本实施例在此不再赘述。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在正交方波信号低电平段的图像的信噪比，且也提高了在正交方波信号高电平段的图像的信噪比，进而提高了整个电平段的图像信噪比，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度，进而提高了高光谱图成像的质量，实现了对乳腺组织样本的检测。
实施例4
一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，参见图1和图2，该实施例以激光二极管作为单色光源LD1…LDn，手机摄像头作为摄像头为例进行说明。
采用不同频率抬高预设电平的正交方波分别驱动一组单色光源1中的各个单色二极管LDi，一个手机摄像头4中每个像素点接收到每个激光二极管LDi透过乳腺组织样本3的单色光组合Iij；计算机对单色光组合Iij进行分离可以得到单色光组合Iij中的各个激光二极管LDi的贡献，据此可以对乳腺组织样本3进行透射高光谱图成像。
本实施例中的计算机处理步骤均与实施例1相同，本实施例在此不再赘述。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在正交方波信号低电平段的图像的信噪比，且也提高了在正交方波信号高电平段的图像的信噪比，进而提高了整个电平段的图像信噪比，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度，进而提高了高光谱图成像的质量，实现了对乳腺组织样本的检测。
实施例5
一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，参见图1和图2，该实施例以单色二极管作为单色光源LD1…LDn，手机摄像头作为摄像头为例进行说明。
采用不同频率抬高预设电平的正交方波分别驱动一组单色光源1中的各个单色二极管LDi，一个手机摄像头4中每个像素点接收到每个单色二极管LDi透过乳腺组织样本3的单色光组合Iij；计算机对单色光组合Iij进行分离可以得到单色光组合Iij中的各个激光二极管LDi的贡献，据此可以对乳腺组织样本3进行透射高光谱图成像。
本实施例中的计算机处理步骤均与实施例1相同，本实施例在此不再赘述。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在正交方波信号低电平段的图像的信噪比，且也提高了在正交方波信号高电平段的图像的信噪比，进而提高了整个电平段的图像信噪比，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度，进而提高了高光谱图成像的质量，实现了对乳腺组织样本的检测。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，所述成像系统应用于乳腺组织样本，包括：一组单色光源和摄像头分别分布在乳腺组织样本的两侧，每个单色光源成线性排列，采用透镜汇聚成一束光，构成光源；一个摄像头构成光源接收器件；其特征在于，
采用不同频率抬高预设电平的正交方波分别驱动一组单色光源中的各个单色光源，摄像头接收到的图像中每个像素点是每个单色光源透过乳腺组织样本的单色光组合；
在摄像头采集图像的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的正交方波信号由于抬高了预设电平，在正交方波信号的低电平部分，正交方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在正交方波信号低电平段，摄像头获取到图像的信噪比，进而提高了输入到计算机中的单色光组合的精度；
计算机对单色光组合进行分离得到单色光组合中的各个单色光源的贡献，据此实现对乳腺组织样本的透射高光谱图成像。
2.根据权利要求1所述的一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，其特征在于，作为驱动的正交方波信号由于抬高了预设电平，在正交方波信号的高电平部分，提高了摄像头获取到图像的信噪比。
3.根据权利要求1所述的一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，其特征在于，预设电平的取值为摄像头采集的图像动态范围一半以上最佳。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，其特征在于，所述单色光源、所述摄像头在乳腺组织样本两面对称设置。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，其特征在于，所述单色光源为激光二极管。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，其特征在于，所述单色光源为单色二极管。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种抬高预设电平的正交方波频率编码的高光谱成像系统，其特征在于，所述摄像头为手机摄像头。
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CN104783761A (zh) * 2015-04-23 2015-07-22 天津大学 应用于乳腺的正交方波频率编码的高光谱图成像测量系统

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王因明: "《光学计量仪器设计 上》", 22 July 2015 *

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