CN114295586A - 一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法，可以在体实时监测血氧饱和度(StO2)并识别缺氧区域。该方法包括多血氧饱和度样本获取、三波长图像采集、图像预处理、计算生成伪彩色血氧分布图谱等步骤。本方法实现了实时对体内组织的在体原位血氧饱和度监测，而且可以简便、快速、准确的获取缺氧图谱信息。不仅解决了现有体内血氧成像技术系统昂贵且复杂的局限，而且充分发挥660nm波段对血氧饱和度的高敏感性，结合405nm波段和560nm波段的校准，实现高精度、高分辨率的实时缺氧监测图谱。同时该方法可以应用于其他内窥成像技术。
Description
技术领域
本发明涉及内窥镜成像技术领域，特别涉及一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法。
背景技术
近年来，随着内镜成为早期癌症的主要筛查手段，提高其成像技术方面的研究也取得了显著进展，其中，发展较为成熟的是电子染色成像技术，一般以血管血液作为特异性标记物，因为肿瘤是血管生成依赖性疾病，其扩散会伴随形成新生的血管，这类方法可以很好地分辨病灶的精细结构，但也有局限性。例如，窄带成像(NBI)和蓝激光成像(BLI)技术对毛细管网络具有增强作用，但穿透深度有限；自体荧光成像(AFI)技术，可以提高检测灵敏度，但特异性较差；双红色成像(DRI)技术可增强至约1500μm处深部血管的可见性或更清楚地显示出血点；智能分光比色(FICE)技术适合近距离观测；联动成像(LCI)技术使颜色更加生动。此外，还有高清智能电子染色技术(I-SCAN)和专业图像增强系统(SPIES)等算法技术从软件层面优化成像结果。
但是，根据肿瘤代谢机制的研究，在新血管生成之前，缺乏营养、氧气等，肿瘤生长慢、体积小；血管生成之后，肿瘤生长速度明显加快，且产生了转移能力，所以进行在体原位血氧饱和度监测对了解体内组织的生理参数和代谢情况至关重要，进而辅助判断肿瘤微环境及其生长、转移、恶性程度等重要生理指标。近期的一些相关研究包括：基于激光光源激发荧光照明的新型氧饱和度成像内镜，可以评估猪缺血模型吻合口完整性；利用血氧参数模拟肿瘤生长及其对辐照反应的研究，可用于确定针对特定肿瘤特性最有效的放射治疗方案；漫反射光谱监测法探究肿瘤生长过程中的氧合状态和血红蛋白浓度，证明了肿瘤体积与血红蛋白含量呈显著正相关，等等。总之，肿瘤的形成和发育会受肿瘤微环境影响，解读缺氧参数是了解肿瘤微环境的重要方法，所以需要可以显示肿瘤微环境内氧供应分布的、高度异质性特征的，高精度、高分辨率的成像技术对组织缺氧情况进行在体监测，进而为验证缺氧与肿瘤发生发展的关联性提供内窥图像数据。
现有技术存在的问题包括：(1)很多技术目前尚没有FDA批准的医疗设备(2)现有内窥镜技术缺乏提供生理参数的功能(3)有些技术可以进行单点测量不能提供空间信息(4)仍缺乏高精度，高分辨率的内镜功能成像方法(5)技术发展缺乏标准化性能测试方法等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取若干个不同血氧饱和度的血液试剂作为样本；
S2、逐个取出上述样本，依次用三个不同波段的光照模式进行拍照，采集获得原始图像数据；
S3、分别对原始图像数据进行预处理，分析噪声来源并采取对应的降噪方法，再通过设定阈值对降噪后的图像数据提取若干个感兴趣区域；对于过曝或饱和度不够的区域不予进行后续处理；
S4、对预处理后的图像数据进行计算，以图像灰度值表示反射率，计算不同波段之间反射率的比率，校正浓度对血红蛋白吸收光的影响和散射对血红蛋白吸收光的影响；
S5、通过计算分析三个波段之间反射率的比率，获得血氧饱和度信息；计算每个感兴趣区域的血氧饱和度的均值灰度，对该灰度均值与血气分析仪测量的血氧饱和度值的关系进行拟合的得到拟合曲线，根据拟合曲线，将灰度图谱转为彩色图谱的色阶与血气分析仪测得的血氧饱和度值相互对应，实现对整个区域的伪彩色编码，获得实时彩色血氧分布图谱信息。
作为优选，所述步骤S1具体操作如下：以取样滴入试剂卡后血气分析仪的读数为参考，通过气-液调控装置获取无菌抗凝牛全血不同血氧饱和度的血液试剂，选取若干个不同血氧饱和度的血液试剂作为样本存放至真空抗凝试剂管。
作为优选，所述步骤S2中三个不同的波段分别为窄带660nm波段、宽带560nm波段和窄带405nm波段。
作为优选，所述步骤S4中的具体操作如下：基于660nm窄带处反射率对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的差异最大和560nm宽带处的反射率对血液吸收敏感的消光特性，计算窄带660nm波段与宽带560nm波段的反射率之比，可以校正浓度对血红蛋白吸收光的影响；再利用405nm窄带对散射特性敏感，计算宽带560nm波段与窄带405nm波段的反射率之比，校正散射对血红蛋白吸收光的影响。
作为优选，所述步骤S2中的降噪方法包括均值滤波、中值滤波、维纳滤波。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用三波长照射进行血氧饱和度成像，利用405nm窄带对散射特性敏感，560nm宽带处的反射率对血液吸收敏感，和660nm窄带处反射率对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的差异最大的消光特性，结合图像融合算法获取高精度的血氧信息；
(2)本发明的成像方法采用无创检测方式，也不需要外源性染色剂，既减少了组织的感染率，也不存在毒性等危险；
(3)本发明的成像方法并非单点测量，可直接获得血氧饱和度分布图谱信息，对环境光等因素的干扰鲁棒性更强，结合高精度的计算结果大大降低误判率小，可以更直观获取高分辨率的血氧分布情况，并判断缺氧区域。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例的含氧血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)的消光系数曲线及三波长的选取。
图2是本发明实施例三光谱血氧饱和度分布成像方法的算法流程图。
图3是本发明实施例的垂直反射型血氧成像验证实验装置示意图。
图4是本发明实施例三个波长原始图像信息及计算获得的血氧饱和度信息。
图5是本发明实施例计算血氧饱和度值与血气分析仪测量值之间的拟合曲线。
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明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明实施例采用多光谱LED光源、工业相机、镜头以及可以调控样本血氧饱和度的气-液调控装置。其中多光谱LED光源包括405nm窄带、560nm宽带和660nm窄带三个波段，可调节功率，可选择并及时切换照明模式；黑白工业相机，分辨率2048×2048，传感器类型Sony IMX264 global shutter CMOS，光学尺寸2/3inch，镜头接口C，数据接口USB3.0，可控制图像尺寸、增益、曝光时间、触发极性、闪光灯极性等；5百万像素、低畸变定焦镜头(紧凑型)，靶面尺寸2/3inch，焦距12mm，光圈范围(F-Stop)为F2.4～F16.0，C接口；可以调控样本血氧饱和度的气-液调控装置，通过氧气/氮气/洗气的原理改变无菌抗凝牛全血样本的血氧饱和度，取样滴入雅培便携式血气分析仪的G3+试剂卡测试其血气参数，测量结果包括氧分压PCO2(测量精度1mmHg)、二氧化碳分压PCO2(测量精度0.1mmHg)、酸碱度PH(测量精度0.001)、血氧饱和度SO2(1％)等参数。
本发明涉及适用于电子内窥镜的高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法，关于氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的消光系数曲线及三波长的选取原则如图1所示，根据散射系数随波长增加而减小，选择反射率对散射特性敏感405nm窄带校正散射对计算精度的影响，除去易被散射的短波波段，血液的吸收峰位于宽带绿光波段，所以选择反射率对血液吸收敏感的绿带校正吸收对计算精度的影响，再根据氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收差异最大660nm波段，结合三个波段的有效信息可计算获取高精度的血氧信息。
再进行成像实验之前，首先要制备血氧饱和度不同的血液试剂样本。通过气-液调控装置获取不同血氧饱和度无菌抗凝牛全血试剂，其血氧饱和度值以雅培便携式血气分析仪的G3+试剂卡测试结果为参考依据。保持血液在回路中流动，且持续通入氧气/氮气的气-液调控装置可以反复精确调控StO2。获得样本之后，该方法的具体算法流程图如图2所示：
(1)分别拍摄采集405nm、540nm、660nm波段图像。逐个取出不同血氧浓度的样本，放置在多光谱光源的焦平面光线均匀处，调整曝光时间，关闭增益、白平衡等参数，依次用三个不同波长的光照模式对样本序列进行拍照，采集获得原始图像数据。
(2)图像预处理—降噪及提取感兴趣区域。三种波长图像数据采集完毕，分析环境、系统等噪声来源，采取对应的降噪方法，再通过设定阈值对降噪后的图像提取感兴趣区域，对于过曝或饱和度不够的区域不予进行后续处理。
(3)计算反射比率，校正血样散射和吸收的影响。对预处理后的图像进行计算，以图像灰度值表示反射率，计算不同波段反射率的比率，其中660nm与560nm波段反射率之比用于校正浓度对血红蛋白吸收光的影响，可以表示为：
560nm与405nm波段反射率之比用于校正散射对血红蛋白吸收光的影响，可以表示为：
参阅图4，校正前是三幅图像，分别是660nm、560nm、405nm，校正后把560nm、405nm的信息剔除，得到一副图像。
(4)转换反射比率为伪彩色血氧分布图谱。通过计算两组反射率比可以获得血氧饱和度信息StO2(α，β)，其中(α，β)表示像素位置，即血氧饱和度的分布信息，如图3。若将对应感兴趣区域(ROI)的血氧饱和度取均值可以表示该ROI的区域血氧饱和度，如图4所示。计算每个ROI区域的血氧饱和度均值StO2(mean)，对该均值与血气分析仪测量的血氧饱和度值的关系进行拟合，可以得到两者的线性关系及系数:a＝-0.0052，b＝1.3690，拟合曲线及误差如图5所示。根据拟合曲线对整个区域进行伪彩色编码可以使图像更分明，有助于识别缺氧区域。令彩色图谱的色阶与血氧饱和度值相互对应，即可获得实时彩色血氧分布图谱信息。
考虑到整个区域像素数较多，且存在不感兴趣区域，最后，避开不感兴趣区域，从六个ROI区域分别选择10×10大小的小区域对方法的计算结果进行评估。对均值与本次选择的6个10×10区域的像素点计算绝对误差：e1＝StO2(mean)-StO2(α，β)，相对误差：
计算结果为：e1＝0.045％，e2＝0.031，所以，本实例充分验证了本发明中三光谱血氧饱和度分布成像方法的有效性和准确性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取若干个不同血氧饱和度的血液试剂作为样本；
S2、逐个取出上述样本，依次用三个不同波段的光照模式进行拍照，采集获得原始图像数据；
S3、分别对原始图像数据进行预处理，分析噪声来源并采取对应的降噪方法，再通过设定阈值对降噪后的图像数据提取若干个感兴趣区域；对于过曝或饱和度不够的区域不予进行后续处理；
S4、对预处理后的图像数据进行计算，以图像灰度值表示反射率，计算不同波段之间反射率的比率，校正浓度对血红蛋白吸收光的影响和散射对血红蛋白吸收光的影响；
S5、通过计算分析三个波段之间反射率的比率，获得血氧饱和度信息；计算每个感兴趣区域的血氧饱和度的均值灰度，对该灰度均值与血气分析仪测量的血氧饱和度值的关系进行拟合的得到拟合曲线，根据拟合曲线，将灰度图谱转为彩色图谱的色阶与血气分析仪测得的血氧饱和度值相互对应，实现对整个区域的伪彩色编码，获得实时彩色血氧分布图谱信息。
2.如权利要求1所述的一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法，其特征在于，所述步骤S1具体操作如下：以取样滴入试剂卡后血气分析仪的读数为参考，通过气-液调控装置获取无菌抗凝牛全血不同血氧饱和度的血液试剂，选取若干个不同血氧饱和度的血液试剂作为样本存放至真空抗凝试剂管。
3.如权利要求1所述的一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法，其特征在于，所述步骤S2中三个不同的波段分别为窄带660nm波段、宽带560nm波段和窄带405nm波段。
4.如权利要求3所述的一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法，其特征在于，所述步骤S4中的具体操作如下：基于660nm窄带处反射率对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的差异最大和560nm宽带处的反射率对血液吸收敏感的消光特性，计算窄带660nm波段与宽带560nm波段的反射率之比，可以校正浓度对血红蛋白吸收光的影响；再利用405nm窄带对散射特性敏感，计算宽带560nm波段与窄带405nm波段的反射率之比，校正散射对血红蛋白吸收光的影响。
5.如权利要求1所述的一种高精度三光谱血氧饱和度分布成像方法，其特征在于，所述步骤S2中的降噪方法包括均值滤波、中值滤波、维纳滤波。
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