CN111202497B - 基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测方法和检测装置 - Google Patents

基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测方法和检测装置 Download PDF

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Abstract

一种基于微偏振片阵列的散射成像皮肤病变检测装置，包括光源、会聚透镜、宽带可调谐滤波器、起偏器、准直器、玻璃片、耦合剂、样品、位移平台、第一成像镜头、微偏振片阵列、第一相机、第二成像镜头、衰减片、第二相机和计算机。本发明结构简单，无需机械旋转机构。通过单次成像和计算即可得到高对比度的偏振度图像。实现了实时动态检测，避免了在检测过程中，活体的移动导致的测量误差。照明波段可以快速连续切换，实现了多波段近实时测量，以凸显不同组织特征。

Description

基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测方法和检测装置
技术领域
本发明涉及光学医学检测领域，特别是一种针对人体皮肤病变的检测装置和检测方法。
背景技术
当人体皮肤发生病变或者其他系统产生疾病时，皮肤组织会产生变化。因此，皮肤检测对于皮肤和其它系统疾病的早期发现和诊治具有重要意义。国外研究人员利用偏振光成像技术实现对神经纤维瘤、光化性角化病和血管异常等皮肤病变无损检测(JacquesS.L.,Ramella-Roman J.C.,Lee K..Imaging skin pathology with polarizedlight.Journal of Biomedical Optics,7(3),2002:329-341.)。线偏振照明光源经过皮肤浅表层产生的漫反射光偏振态不变，穿透到皮肤亚表层(深度约300μm或更深)的偏振光被双折射组织结构去偏后散射。成像光路中的检偏器依次转动到与入射光偏振态平行和垂直的方向，相机依次采集平行偏振和垂直偏振的图像后，计算得到高对比度的皮肤病变偏振度图像，抑制了皮肤浅表层杂散光影响。但是该方法需要通过机械旋转机构转动检偏器来获得平行偏振和垂直偏振图像，增加了测量系统的复杂性，更重要的是在成像过程中病人的移动将造成不同偏振态成像的区域产生偏移，使计算的偏振度图像产生虚假特征，影响诊断。此外，该方法缺乏实时检测功能，不能实时监测皮肤表面以下血管等病变部位的动态变化过程。另外，其照明波段的选择是通过机械旋转盘切换滤光片实现，速度慢，可选波段少，缺乏连续性。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测方法和检测装置。基于皮肤浅表层漫反射光和皮肤亚表层散射光偏振态的不同，结合微偏振片阵列，实时获取皮肤病变高对比度图像。通过宽带可调谐滤波器，可以快速连续选择照明波段，为凸显不同组织特征提供支撑。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置，包括：光源、会聚透镜、宽带可调谐滤波器、起偏器、准直器、供样品放置的位移平台、第一成像镜头、微偏振片阵列、第一相机、第二成像镜头、衰减片、第二相机和计算机。
所述的光源为非相干光源，所述的光源的输出光依次经所述的会聚透镜、宽带可调谐滤波器、起偏器和准直器斜入射到所述的样品上；
沿所述的样品表面的法线方向依次为所述的第一成像镜头、微偏振片阵列和第一相机，该样品浅表层产生的漫反射光和亚表层产生的退偏后的散射光被所述的第一成像镜头接收后通过所述的微偏振片阵列，在所述的第一相机上成像；
所述的微偏振片阵列由偏振态相互垂直的两种微偏振片单元周期性构成，所述的微偏振片阵列的单个像素尺寸和像素数目与所述的第一相机的单个像素尺寸和像素数目一致；所述的微偏振片阵列的每一个像素与所述的第一相机的每一个像素一一对准并贴合；所述的微偏振片阵列的其中一种微偏振片的偏振态与入射到样品表面的光束的偏振态平行；
经该样品反射后的反射光依次经过所述的第二成像镜头和衰减片后，在所述的第二相机上成像；
所述的计算机用于控制位移平台的移动、第一相机和第二相机的图像采集和图像存储，以及宽带可调谐滤波器选择照明波段；
所述的宽带可调谐滤波器包括可调谐液晶滤波器、声光可调谐滤波器等，可连续切换照明波段，切换时间可短至毫秒量级，甚至微秒量级；
基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置还包括玻璃片和耦合剂，该玻璃片通过耦合剂粘接在所述的样品上表面；
所述的耦合剂包括去离子水、折射率匹配液等。
利用上述基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置进行皮肤病变检测的测量方法，包括下列步骤：
1)将所述的样品置于所述的位移平台上，在样品表面涂抹所述的耦合剂后，将所述的玻璃片覆盖在所述的样品表面；
2)打开所述的光源，利用所述的宽带可调谐滤波器选择需要的照明波段，所述的第一相机和第二相机同步采集图像，所述的第二相机采集的图像表征皮肤表面信息，用于辅助诊断；
3)所述的计算机对第一相机采集的图像进行下列数据处理：
设所述的第一相机采集的图像的像素数目为M×N，分别提取图像中偏振方向相同的像素的灰度值，并填充到像素数目为M×N的两幅图像中，位置坐标不变，两幅图像分别记为平行偏振图像和垂直偏振图像；
平行偏振图像和垂直偏振图像的灰度值分别为I||(i,j)和I⊥(i,j)，两幅图像各有(M×N)/2个像素为空值；对空值进行填充，在平行偏振图像中，设像素(i,j)的灰度值为空值，其相邻像素(i-1,j)、(i,j-1)、(i,j+1)和(i+1,j)均已填充，灰度值分别为I||(i-1,j)、I||(i,j-1)、I||(i,j+1)和I||(i+1,j)，则像素(i,j)的灰度值为
Figure BDA0002359607520000031
在图像四边最外侧与空值像素相邻的已填充的像素数目是2或者3，由所有相邻有值像素的灰度值求取平均值，平均值作为该空值像素的灰度值；
根据上述空值填充方法，对垂直偏振图像的空值进行填充；最终得到与原图像分辨率相同的两幅完整图像；
由上述两幅偏振态相互垂直的图像计算每一个像素(i,j)的偏振度值，即：
Figure BDA0002359607520000032
由此得到偏振度图像；
4)若需要多个波段测量，则所述的宽带可调谐滤波器快速切换到下一个波段，重复步骤2)和3)进行近实时测量诊断；
5)所述的位移平台带动样品移动到下一个待测区域，重复步骤2)～4)完成所有测量。
本发明的优点如下：
与现有技术相比，本发明结构简单，无需机械旋转机构。通过单次成像和计算即可得到高对比度的偏振度图像。实现了实时动态检测，避免了在检验检测过程中，活体的移动导致的测量误差。照明波段可以快速连续切换，实现了多波段近实时测量，以凸显不同组织特征。
附图说明
图1是本发明基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置示意图
图2是本发明微偏振片阵列示意图
图3是本发明第一相机采集的图像分解处理示意图
图中：1、光源；2、会聚透镜；3、宽带可调谐滤波器；4、起偏器；5、准直器；6、玻璃片；7、耦合剂；8、样品；9、位移平台；10、第一成像镜头；11、微偏振片阵列；12、第一相机；13、第二成像镜头；14、衰减片；15、第二相机；16、计算机。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例
图1为本发明基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置示意图，所述的光源1为非相干光源，波长为390nm～730nm，所述的光源1的输出光经所述的会聚透镜2准直后，依次通过所述的宽带可调谐滤波器3、起偏器4和准直器5后，平行地斜入射到所述的样品8上，入射光的偏振态为p偏振；
沿所述的样品8表面的法线方向依次为所述的第一成像镜头10、微偏振片阵列11和第一相机12，该样品8浅表层产生的漫反射光和亚表层(样品表面以下约300μm或更深)产生的退偏后的散射光被所述的成像第一镜头10接收后通过所述的微偏振片阵列11在所述的第一相机12上成像；
所述的微偏振片阵列(11)由偏振态相互垂直的两种微偏振片单元周期性构成，如图2所示，这里取0°偏振方向和90°偏振方向；所述的微偏振片阵列11的单个像素尺寸和像素数目与所述的第一相机12的单个像素尺寸和像素数目一致；所述的微偏振片阵列11的每一个像素与所述的第一相机12的每一个像素一一对准并贴合；所述的微偏振片阵列11的0°微偏振片的偏振态与入射光的p偏振态平行；
经该样品8反射后的反射光依次经所述的第二成像镜头13和衰减片14后，在所述的第二相机15上成像；
所述的计算机16用于控制位移平台9的移动、第一相机12和第二相机15的图像采集和图像存储，以及宽带可调谐滤波器3选择照明波段；
所述的宽带可调谐滤波器3包括可调谐液晶滤波器、声光可调谐滤波器等，可连续切换照明波段，切换时间可短至毫秒量级，甚至微秒量级；
基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置还包括玻璃片6和耦合剂7，该玻璃片6通过耦合剂7粘接在所述的样品8上表面；
所述的耦合剂7包括去离子水、折射率匹配液等。
利用上述基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置进行皮肤病变检测的测量方法，包括下列步骤：
1)将所述的样品8置于所述的位移平台9上，在样品8表面涂抹所述的耦合剂7后，将所述的玻璃片6覆盖在所述的样品8表面；
2)打开所述的光源1，利用所述的宽带可调谐滤波器3选择需要的照明波段，所述的第一相机12和第二相机15同步采集图像，所述的第二相机15采集的图像表征皮肤表面信息，用于辅助诊断；
3)所述的计算机13对第一相机12采集的图像进行下列数据处理：
设所述的相机12采集的图像的像素数目为M×N，如图3所示，分别提取图像中偏振方向相同的像素的灰度值，并填充到像素数目为M×N的两幅图像中，位置坐标不变，两幅图像分别记为平行偏振图像和垂直偏振图像；
平行偏振图像和垂直偏振图像的灰度值分别为I||(i,j)和I⊥(i,j)，两幅图像各有(M×N)/2个像素为空值；对空值进行填充，在平行偏振图像中，设像素(i,j)的灰度值为空值，其相邻像素(i-1,j)、(i,j-1)、(i,j+1)和(i+1,j)均已填充，灰度值分别为I||(i-1,j)、I||(i,j-1)、I||(i,j+1)和I||(i+1,j)，则像素(i,j)的灰度值为
Figure BDA0002359607520000061
在图像四边最外侧与空值像素相邻的已填充的像素数目是2或者3，由所有相邻有值像素的灰度值求取平均值，平均值作为该空值像素的灰度值；
根据上述空值填充方法，对垂直偏振图像的空值进行填充；最终得到与原图像分辨率相同的两幅完整图像；
由上述两幅偏振态相互垂直的图像计算每一个像素(i,j)的偏振度值，即：
Figure BDA0002359607520000062
由此得到偏振度图像；
4)若需要多个波段测量，则所述的宽带可调谐滤波器3快速切换到下一个波段，重复步骤2)和3)进行近实时测量诊断；
5)所述的位移平台9带动样品8移动到下一个待测区域，重复步骤2)～4)完成所有测量。

Claims (5)

1.一种基于微偏振片阵列的偏振 成像皮肤病变检测装置，其特征在于，包括光源(1)、会聚透镜(2)、宽带可调谐滤波器(3)、起偏器(4)、准直器(5)、供样品(8)放置的位移平台(9)、第一成像镜头(10)、微偏振片阵列(11)、第一相机(12)、第二成像镜头(13)、衰减片(14)、第二相机(15)和计算机(16)；
所述的光源(1)为非相干光源，所述的光源(1)的输出光依次经所述的会聚透镜(2)、宽带可调谐滤波器(3)、起偏器(4)和准直器(5)斜入射到所述的样品(8)上；
沿所述的样品(8)表面的法线方向依次为所述的第一成像镜头(10)、微偏振片阵列(11)和第一相机(12)，该样品(8)浅表层产生的漫反射光和亚表层产生的退偏后的散射光被所述的第一成像镜头(10)接收后通过所述的微偏振片阵列(11)在所述的第一相机(12)上成像；
所述的微偏振片阵列(11)由偏振态相互垂直的两种微偏振片单元周期性构成，所述的微偏振片阵列(11)的单个像素尺寸和像素数目与所述的第一相机(12)的单个像素尺寸和像素数目一致；所述的微偏振片阵列(11)的每一个像素与所述的第一相机(12)的每一个像素一一对准并贴合，且该微偏振片阵列(11)至少一种偏振态与入射到样品(8)表面的光束的偏振态平行；
经该样品(8)反射后的反射光依次经所述的第二成像镜头(13)和衰减片(14)后，在所述的第二相机(15)上成像；
所述的计算机(16)用于控制位移平台(9)的移动、第一相机(12)和第二相机(15)的图像采集和图像存储，以及宽带可调谐滤波器(3)选择照明波段。
2.根据权利要求1所述的基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置，其特征在于，所述的宽带可调谐滤波器(3)包括可调谐液晶滤波器、声光可调谐滤波器，可连续切换照明波段，切换时间为毫秒量级或微秒量级。
3.根据权利要求1所述的基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置，其特征在于，还包括玻璃片(6)和耦合剂(7)，该玻璃片(6) 通过耦合剂(7)粘接在所述的样品(8)上表面。
4.根据权利要求3所述的基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置，其特征在于，所述的耦合剂(7)包括去离子水、折射率匹配液。
5.利用权利要求1-4任一项所述的基于微偏振片阵列的偏振成像皮肤病变检测装置的使用方法，包括下列步骤：
1)将样品(8)置于位移平台(9)上，在样品(8)表面涂抹耦合剂(7)后，将玻璃片(6)覆盖在样品(8)表面；
2)打开光源(1)，通过宽带可调谐滤波器(3)选择需要的照明波段，第一相机(12)和第二相机(15)同步采集图像，所述的第二相机(15)采集的图像表征皮肤表面信息，用于辅助诊断；
3)计算机(13)对第一相机(12)采集的图像进行下列数据处理：
设第一相机(12)采集的图像的像素数目为M×N，分别提取图像中偏振方向相同的像素的灰度值，并填充到像素数目为M×N的两幅图像中，位置坐标不变，两幅图像分别记为平行偏振图像和垂直偏振图像；
平行偏振图像和垂直偏振图像的灰度值分别为I||(i,j)和I⊥(i,j)，两幅图像各有(M×N)/2个像素为空值；对空值进行填充，在平行偏振图像中，设像素(i,j)的灰度值为空值，其相邻像素(i-1,j)、(i,j-1)、(i,j+1)和(i+1,j)均已填充，灰度值分别为I||(i-1,j)、I||(i,j-1)、I||(i,j+1)和I||(i+1,j)，则像素(i,j)的灰度值为
Figure FDA0003728535950000021
在图像四边最外侧与空值像素相邻的已填充的像素数目是2或者3，由所有相邻有值像素的灰度值求取平均值，平均值作为该空值像素的灰度值；
根据上述空值填充方法，对垂直偏振图像的空值进行填充；最终得到与原图像分辨率相同的两幅完整图像；
由上述两幅偏振态相互垂直的图像计算每一个像素(i,j)的偏振度值，即：
Figure FDA0003728535950000031
由此得到偏振度图像；
4)若需要多个波段测量，则所述的宽带可调谐滤波器(3)快速切换到下一个波段，重复步骤2)和3)进行近实时测量诊断；
5)位移平台(9)带动样品(8)移动到下一个待测区域，重复步骤2)～4)完成所有测量。
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