CN114839795A - 一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法、眼镜 - Google Patents

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CN114839795A CN202210434275.0A CN202210434275A CN114839795A CN 114839795 A CN114839795 A CN 114839795A CN 202210434275 A CN202210434275 A CN 202210434275A CN 114839795 A CN114839795 A CN 114839795A
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Abstract

本发明涉及具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法、眼镜，该方法包括：S1、结合实际照明光谱信息和人眼三种视锥细胞的光谱量子效率信息构建复合光谱效率信息；S2、设定特定部位人体组织光学特性参数和生理参数的范围，构建高维参数空间；S3、高维参数空间每个采样点生成一个组织模型，对每个采样波长光子在组织模型中的传播进行模拟，获得反射光强图像；S4、基于每一张反射光强图像获取反射光强灰度均值数据集，并计算得到对应的组织血氧真实数据集；S5、假定待设计滤光片光谱响应，构建优化模型；S6、求解得到滤光片光谱响应设计的最优取值。与现有技术相比，本发明能够实现血氧信息增强呈现，更有效地辅助医生急救和抢救。

Description

一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法、眼镜
技术领域
本发明涉及光计算和医学光学成像领域，尤其是涉及一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法、眼镜。
背景技术
组织血氧(SO2)状态是急救医学的重要指标，实时获取手术区域组织血氧信息可为抢救患者提供重要辅助。传统生化检测有创且耗时长；传统光学PPG血氧检测法仅能提供局部和粗略的血氧信息。通过光学成像的方法进行非接触式血氧测量比如iPPG法，需要依赖特殊照明、相机记录、计算机后处理以及显示器显示等。在野外或战场等照明、设备、电力条件局限的场景，上述条件和装备往往很难适应。从急救过程来看，大部分操作通过医生直接完成，医生往往用眼辨识患者身体目标区域的颜色改变来估计血氧分布情况。然而此种方式容易受到人体组织本身呈现的偏红色泽的影响，会对医生的肉眼辨识造成很大的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法、眼镜，实现血氧信息的增强呈现，与组织本身呈现的偏红色泽形成显著对比，辅助医生急救和抢救。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，该方法包括：
S1、结合实际照明光谱信息和人眼三种视锥细胞的光谱量子效率信息构建复合光谱效率信息；
S2、设定特定部位人体组织光学特性参数和生理参数的范围，构建高维参数空间；
S3、高维参数空间每个采样点生成一个组织模型，对每个采样波长光子在组织模型中的传播进行模拟，获得反射光强图像；
S4、基于每一张反射光强图像获取反射光强灰度均值数据集，并计算得到对应的组织血氧真实数据集；
S5、假定待设计滤光片光谱响应，以在眼镜滤光片作用下设定的眼睛视网膜多种类型视锥响应的加权和与组织血氧真实数据逼近为目标构建优化模型；
S6、对优化模型求解得到滤光片光谱响应设计的最优取值。
优选地，步骤S1包括：以人眼视锥细胞感光的波长范围为标准，设定光谱波长采样点集合{λ(i)}，i＝1，2…N1，人眼第k类视锥细胞的光谱响应效率为Qk(λ(i))，场景中的照明光谱为L(λ(i))，构建复合光谱效率信息Wk(λ(i))＝Qk(λ(i))·L(λ(i))，其中，N1为光谱波长采样点总数，k＝1，2，3。
优选地，步骤S2包括：将人体组织光学特性参数和生理参数作为一个数据维度，构建高维参数空间
Figure BDA0003612252360000021
xj为第j个数据维度的参数范围，该范围应包含人体正常和疾病状态极限取值，j＝1，2…N2，N2为数据维度总数，设定高维参数空间各数据维度的采样间隔{Δj|j＝1，2…N2}，按照采样间隔对各个维度的数据进行采样，对应采样点个数分别为{Aj|j＝1，2…N2}。
优选地，步骤S3使用蒙特卡洛模拟对每个采样波长光子在组织模型中的传播进行模拟，共进行N4次蒙特卡洛模拟生成N4个反射光强图像，N4＝N1N3，N1为光谱波长采样点总数，N3为生成的组织模型总数。
优选地，步骤S4反射光强灰度均值数据集通过如下方式获得：
对于任意一张反射光强图像Ii，x(m，n)，Ii，x(m，n)为第i个采样波长光子在生成的第x个组织模型中进行模拟传播得到的反射光强图像，i＝1，2…N1，x＝1，2…N3，N1为光谱波长采样点总数，N3为生成的组织模型总数，(m，n)为像素点位置，取反射光强图像Ii，x(m，n)的中央区域，计算中央区域像素点的灰度均值得到该图像对应的反射光强灰度均值Bi，x，进而形成反射光强灰度均值数据集{Bi，x|i＝1…N1，x＝1…N3}。
优选地，所述的组织血氧真实数据集为{Si，x|i＝1…N1，x＝1，2…N3}，Si，x为反射光强图像Ii，x(m，n)对应的组织血氧真实值，Si，x计算方式如下：
Figure BDA0003612252360000022
其中，H1(x)为第x个组织模型对应的含氧血红蛋白参数值，H2(x)为第x个组织模型对应的缺氧血红蛋白参数值。
优选地，步骤S5优化模型具体为：
目标函数：
Figure BDA0003612252360000033
约束条件：
0≤F(λ(i))≤1，i＝1，2…N1
0≤ak≤1
其中V为长度N3的列向量，其第x个元素为
Figure BDA0003612252360000031
Figure BDA0003612252360000032
λ(i)为第i个光谱波长采样点对应的光谱波长，N1为光谱波长采样点总数，N3为生成的组织模型总数，Bi，x为第i个采样波长光子在生成的第x个组织模型中进行模拟传播得到的反射光强图像对应的反射光强灰度均值，F(λ(i))为光谱波长λ(i)对应的滤光片光谱响应，Si，x为Bi，x对应的组织血氧真实值，Wk(λ(i))为人眼第k类视锥细胞的复合光谱效率信息，ak为人眼第k类视锥响应的加权系数。
优选地，步骤S6采用凸优化求解得到滤光片光谱响应的最优取值F(λ(i))，λ(i)为第i个光谱波长采样点对应的光谱波长，i＝1，2…N1，N1为光谱波长采样点总数，F(λ(i))为光谱波长λ(i)对应的滤光片光谱响应。
优选地，该方法还包括步骤S7：
对求解得到滤光片光谱响应设计的最优取值进行二阶修正，表示为：
F′(λ(i))＝c·[F(λ(i))]2+d·F(λ(i))+e
其中，F(λ(i))为求解得到的滤光片光谱响应的最优取值，F′(λ(i))为F(λ(i))的二阶修改值，λ(i)为第i个光谱波长采样点对应的光谱波长，i＝1，2…N1，N1为光谱波长采样点总数，F(λ(i))为光谱波长λ(i)对应的滤光片光谱响应，c、d和e为常数系数，取值范围为均为-1～1之间。
一种眼镜，包括滤光片，所述的该滤光片采用所述的方法进行光谱响应设计。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明提供了一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，该滤光片作为眼镜使用或夹持在眼镜上，急救医生眼中看到的是血氧信息增强呈现的人体组织，与组织本身呈现的偏红色泽形成显著对比，辅助医生急救和抢救。
(2)本发明在不同场合可以采用不同组合的视锥响应的加权和作为优化目标，采用多种类型视锥响应能够通过颜色深浅实现人体组织内不同区域血氧信息高低分布情况的可视化展示。
(3)本发明滤光片无需电力支持，利用光计算实现人体视力视觉的增强，面向急救临床应用，具有重要意义。
附图说明
图1为本发明一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，该方法包括：
S1、结合实际照明光谱信息和人眼三种视锥细胞的光谱量子效率信息构建复合光谱效率信息；
S2、设定特定部位人体组织光学特性参数和生理参数的范围，构建高维参数空间；
S3、高维参数空间每个采样点生成一个组织模型，对每个采样波长光子在组织模型中的传播进行模拟，获得反射光强图像；
S4、基于每一张反射光强图像获取反射光强灰度均值数据集，并计算得到对应的组织血氧真实数据集；
S5、假定待设计滤光片光谱响应，以在眼镜滤光片作用下设定的眼睛视网膜多种类型视锥响应的加权和与组织血氧真实数据逼近为目标构建优化模型；
S6、对优化模型求解得到滤光片光谱响应设计的最优取值。
本发明提供了一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，该滤光片作为眼镜使用或夹持在眼镜上，急救医生眼中看到的是血氧信息增强呈现的人体组织，与组织本身呈现的偏红色泽形成显著对比，辅助医生急救和抢救。
本实施例提供一种野外白天环境下创伤急救用眼镜滤光片设计的具体过程。
具体包括：
步骤S1包括：以人眼视锥细胞感光的波长范围390nm～760nm为标准，设定光谱波长采样点集合{λ(i)}，i＝1，2…N1，人体视锥细胞共有3类，分别为红、绿、蓝三类，人眼第k类视锥细胞的光谱响应效率为Qk(λ(i))，场景中的照明光谱为L(λ(i))，构建复合光谱效率信息Wk(λ(i))＝Qk(λ(i))·L(λ(i))，其中，N1为光谱波长采样点总数，k＝1，2，3。场景中的照明光谱，应包括太阳光、卤素灯、各类LED白光、油灯、烛光、月光等。本实施例中每隔1nm进行光谱采样，因此，本实施例中N1＝371。
步骤S2特定部位人体组织应包括四肢、胸腔、腹腔以及主要脏器等，组织光学参数和生理参数应包含人体正常和疾病状态极限取值。步骤S2具体包括：将人体组织光学特性参数和生理参数作为一个数据维度，构建高维参数空间
Figure BDA0003612252360000051
xj为第j个数据维度的参数范围，该范围应包含人体正常和疾病状态极限取值，j＝1，2…N2，N2为数据维度总数，设定高维参数空间各数据维度的采样间隔{Δj|j＝1，2…N2}，按照采样间隔对各个维度的数据进行采样，对应采样点个数分别为{Aj|j＝1，2…N2}。
本实施例中，面向创伤急救，设定人体体表组织光学特性参数包括4个分别为：平均组织折射率nt、吸收系数μa和散射系数μs等，生理参数包括6个，分别为：含氧血红蛋白H1、缺氧血红蛋白H2、血容量V、黑色素M、水H3、蛋白质P、脂质O等含量，各参数的范围应包含人体正常和疾病状态极限取值，每个参数均为一个数据维度，因此共N2＝10个维度，即，10个维度的参数范围及采样间隔如表1所示：
表1人体体表组织光学特性和生理参数的参数范围及采样间隔
Figure BDA0003612252360000052
步骤S3使用蒙特卡洛模拟对每个采样波长光子在组织模型中的传播进行模拟，蒙特卡洛模拟使用的组织模型应为半无限大均匀结构；蒙特卡洛模拟应为平面光照射，光子数大于108，共进行N4次蒙特卡洛模拟生成N4个反射光强图像，N4＝N1N3，N1为光谱波长采样点总数，N3为生成的组织模型总数，其中：
Figure BDA0003612252360000061
步骤S4反射光强灰度均值数据集通过如下方式获得：
对于任意一张反射光强图像Ii，x(m，n)，Ii，x(m，n)为第i个采样波长光子在生成的第x个组织模型中进行模拟传播得到的反射光强图像，i＝1，2…N1，x＝1，2…N3，N1为光谱波长采样点总数，N3为生成的组织模型总数，(m，n)为像素点位置，取反射光强图像Ii，x(m，n)的中央区域，计算中央区域像素点的灰度均值得到该图像对应的反射光强灰度均值Bi，x，进而形成反射光强灰度均值数据集{Bi，x|i＝1…N1，x＝1…N3}，本实施例中中央区域共m1行n1列，其中，m1＝20，n1＝20，本实施例中首先提取反射光强图像的中央区域，然后计算Bi，x，计算公式为：
Figure BDA0003612252360000062
对应地，组织血氧真实数据集为{Si，x|i＝1…N1，x＝1，2…N3}，Si，x为反射光强图像Ii，x(m，n)对应的组织血氧真实值，Si，x计算方式如下：
Figure BDA0003612252360000063
其中，H1(x)为第x个组织模型对应的含氧血红蛋白参数值，H2(x)为第x个组织模型对应的缺氧血红蛋白参数值。
步骤S5优化模型具体为：
目标函数：
Figure BDA0003612252360000064
约束条件：
0≤F(λ(i))≤1，i＝1，2…N1
0≤ak≤1
其中V为长度N3的列向量，其第x个元素为
Figure BDA0003612252360000065
Figure BDA0003612252360000066
λ(i)为第i个光谱波长采样点对应的光谱波长，N1为光谱波长采样点总数，N3为生成的组织模型总数，Bi，x为第i个采样波长光子在生成的第x个组织模型中进行模拟传播得到的反射光强图像对应的反射光强灰度均值，F(λ(i))为光谱波长λ(i)对应的滤光片光谱响应，Si，x为Bi，x对应的组织血氧真实值，Wk(λ(i))为人眼第k类视锥细胞的复合光谱效率信息，ak为人眼第k类视锥响应的加权系数。通常同时选择三类视锥细胞；亦可选用两类视锥细胞，此时未使用的视锥细胞对应的ak＝0。
本实施例中选用绿色与蓝色2种类型视锥响应的加权和作为优化目标，在特定场合，可以使用其他种类组合，比如绿色与红色类型视锥响应的加权和，或者红色与蓝色类型视锥响应的加权和，或者红色、绿色与蓝色三种类型视锥响应的加权和。采用多种类型视锥响应能够通过颜色深浅实现人体组织内不同区域血氧信息高低分布情况的可视化展示。即本实施例中构建优化目标函数为眼睛视网膜绿色与蓝色类型视锥响应的加权和同SO2数据在L1范数下保持一致，即组织区域内SO2越高的呈现越青的颜色。
步骤S6采用凸优化求解得到滤光片光谱响应的最优取值F(λ(i))，λ(i)为第i个光谱波长采样点对应的光谱波长，i＝1，2…N1，N1为光谱波长采样点总数，F(λ(i))为光谱波长λ(i)对应的滤光片光谱响应。
作为一种优选的实施方式，该方法还包括步骤S7：根据医生使用习惯，对求解得到滤光片光谱响应设计的最优取值进行二阶修正，表示为：
F′(λ(i))＝c·[F(λ(i))]2+d·F(λ(i))+e
c、d和e为常数系数，取值范围为均为-1～1之间。
本发明结合实际照明光谱(太阳光、室内LED白光、月光等)信息和人眼三种视锥细胞的光谱量子效率信息形成复合光谱效率信息。对人体组织光学特性(平均组织折射率、吸收和散射系数等)和生理参数(含氧血红蛋白、缺氧血红蛋白、血容量、黑色素、水、蛋白质、脂质等含量)形成高维参数空间。使用蒙特卡洛模拟对全光谱各采样波长光子在对应高维参数空间采样点的组织中的传播进行模拟，获得反射光强图像。构建优化目标函数为眼睛视网膜多种类型视锥响应的加权和同SO2数据在L1范数下保持一致。使用凸优化求解对应滤光片光谱响应设计的最优取值，并对获得的优化结果进行二阶修正，完成滤光片光谱响应设计。由此设计得到的滤光片作为眼镜使用或夹持在眼镜上，急救医生眼中看到的是血氧信息增强呈现的人体组织，与组织本身呈现的偏红色泽形成显著对比，辅助医生急救和抢救。
基于以上，本实施例还提供一种眼镜，包括滤光片，该滤光片采用方法进行光谱响应设计，该滤光片作为眼镜使用或夹持在眼镜上，急救医生眼中看到的是血氧信息增强呈现的人体组织。本发明的滤光片无需电力支持，利用光计算实现人体视力视觉的增强，面向急救临床应用，具有重要意义。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，其特征在于，该方法包括：
S1、结合实际照明光谱信息和人眼三种视锥细胞的光谱量子效率信息构建复合光谱效率信息；
S2、设定特定部位人体组织光学特性参数和生理参数的范围，构建高维参数空间；
S3、高维参数空间每个采样点生成一个组织模型，对每个采样波长光子在组织模型中的传播进行模拟，获得反射光强图像；
S4、基于每一张反射光强图像获取反射光强灰度均值数据集，并计算得到对应的组织血氧真实数据集；
S5、假定待设计滤光片光谱响应，以在眼镜滤光片作用下设定的眼睛视网膜多种类型视锥响应的加权和与组织血氧真实数据逼近为目标构建优化模型；
S6、对优化模型求解得到滤光片光谱响应设计的最优取值。
2.根据权利要求1所述的一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，其特征在于，步骤S1包括：以人眼视锥细胞感光的波长范围为标准，设定光谱波长采样点集合{λ(i)}，i＝1，2…N1，人眼第k类视锥细胞的光谱响应效率为Qk(λ(i))，场景中的照明光谱为L(λ(i))，构建复合光谱效率信息Wk(λ(i))＝Qk(λ(i))·L(λ(i))，其中，N1为光谱波长采样点总数，k＝1，2，3。
3.根据权利要求1所述的一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，其特征在于，步骤S2包括：将人体组织光学特性参数和生理参数作为一个数据维度，构建高维参数空间
Figure FDA0003612252350000011
xj为第j个数据维度的参数范围，该范围应包含人体正常和疾病状态极限取值，j＝1，2…N2，N2为数据维度总数，设定高维参数空间各数据维度的采样间隔{Δj|j＝1，2…N2}，按照采样间隔对各个维度的数据进行采样，对应采样点个数分别为{Aj|j＝1，2…N2}。
4.根据权利要求1所述的一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，其特征在于，步骤S3使用蒙特卡洛模拟对每个采样波长光子在组织模型中的传播进行模拟，共进行N4次蒙特卡洛模拟生成N4个反射光强图像，N4＝N1N3，N1为光谱波长采样点总数，N3为生成的组织模型总数。
5.根据权利要求1所述的一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，其特征在于，步骤S4反射光强灰度均值数据集通过如下方式获得：
对于任意一张反射光强图像Ii，x(m，n)，Ii，x(m，n)为第i个采样波长光子在生成的第x个组织模型中进行模拟传播得到的反射光强图像，i＝1，2…N1，x＝1，2…N3，N1为光谱波长采样点总数，N3为生成的组织模型总数，(m，n)为像素点位置，取反射光强图像Ii，x(m，n)的中央区域，计算中央区域像素点的灰度均值得到该图像对应的反射光强灰度均值Bi，x，进而形成反射光强灰度均值数据集{Bi，x|i＝1…N1，x＝1…N3}。
6.根据权利要求5所述的一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，其特征在于，所述的组织血氧真实数据集为{Si，x|i＝1…N1，x＝1，2…N3}，Si，x为反射光强图像Ii，x(m，n)对应的组织血氧真实值，Si，x计算方式如下：
Figure FDA0003612252350000021
其中，H1(x)为第x个组织模型对应的含氧血红蛋白参数值，H2(x)为第x个组织模型对应的缺氧血红蛋白参数值。
7.根据权利要求1所述的一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，其特征在于，步骤S5优化模型具体为：
目标函数：
Figure FDA0003612252350000024
约束条件：
0≤F(λ(i))≤1，i＝1，2…N1
0≤ak≤1
其中V为长度N3的列向量，其第x个元素为
Figure FDA0003612252350000022
Figure FDA0003612252350000023
λ(i)为第i个光谱波长采样点对应的光谱波长，N1为光谱波长采样点总数，N3为生成的组织模型总数，Bi，x为第i个采样波长光子在生成的第x个组织模型中进行模拟传播得到的反射光强图像对应的反射光强灰度均值，F(λ(i))为光谱波长λ(i)对应的滤光片光谱响应，Si，x为Bi，x对应的组织血氧真实值，Wk(λ(i))为人眼第k类视锥细胞的复合光谱效率信息，ak为人眼第k类视锥响应的加权系数。
8.根据权利要求1所述的一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，其特征在于，步骤S6采用凸优化求解得到滤光片光谱响应的最优取值F(λ(i))，λ(i)为第i个光谱波长采样点对应的光谱波长，i＝1，2…N1，N1为光谱波长采样点总数，F(λ(i))为光谱波长λ(i)对应的滤光片光谱响应。
9.根据权利要求1所述的一种具备血氧信息增强功能的眼镜滤光片设计方法，其特征在于，该方法还包括步骤S7：
对求解得到滤光片光谱响应设计的最优取值进行二阶修正，表示为：
F′(λ(i))＝c·[F(λ(i))]2+d·F(λ(i))+e
其中，F(λ(i))为求解得到的滤光片光谱响应的最优取值，F′(λ(i))为F(λ(i))的二阶修改值，λ(i)为第i个光谱波长采样点对应的光谱波长，i＝1，2…N1，N1为光谱波长采样点总数，F(λ(i))为光谱波长λ(i)对应的滤光片光谱响应，c、d和e为常数系数，取值范围为均为-1～1之间。
10.一种眼镜，其特征在于，包括滤光片，所述的该滤光片采用权利要求1～9任意一项所述的方法进行光谱响应设计。
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