CN117281483B - 一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统 - Google Patents
一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统，涉及光学成像技术领域，包括近红外光谱成像模块、图像评估模块、光学断层扫描模块以及图像重构模块；近红外光谱成像模块用于采用恒定功率激光照射被测组织，并检测光幅度衰减，然后将光学相机捕捉到的图像信息传输至图像重构模块；图像评估模块用于对光学相机采集的图像信息进行质量度评估，判断是否需要重新采集图像信息；光学断层扫描模块用于对光源进行幅度或相位调制后，发射到被测组织表面进行扫描，最终将解调后的信号传输到图像重构模块中；图像重构模块用于将接收到的信号由预设重构算法进行重构处理，最终得到被测目标的光学图像以及组织光学特性，有效提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体是一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统。
背景技术
扩散光学层析成像(diffuseopticaltomography，dot)是一种利用近红外光入射生物组织从而获得组织体功能信息的新型光学成像诊断技术，由于不同波长的光入射到人体组织后，血液、脂肪、肌肉等人体成分会对其产生不同的吸收和散射效应；
dot成像就是利用这种组织光谱的差异性，通过图像重建方法反演生物组织内部的光学特性参数，以此定量测定人体组织内血红蛋白的含量、血氧等信息，并基于良恶性肿瘤表面微血管密度呈几倍差异且有一定数字范围分布的病理特点，进行肿瘤性质的诊断；但受限于总线速度和帧率，通过CMOS感光器件提供的画质是有限的，而且CMOS感光器件的感光时间也不能太高，否则成像画面会模糊而且不流畅；基于以上不足，本发明提出一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统，包括近红外光谱成像模块、图像评估模块、工控机、光学断层扫描模块、增益调节模块以及图像重构模块；
所述近红外光谱成像模块包括光源、二维扫描平台和光学相机，用于采用恒定功率激光照射被测组织，并检测光幅度衰减；具体步骤为：
光源发出的近红外光通过二维扫描平台照射到被测组织表面，近红外光经过被测组织后，再从表面传出，并被光学相机捕捉到；光学相机用于将采集的图像信息传输至图像重构模块进行图像重构处理；
所述图像评估模块与近红外光谱成像模块相连接，用于对光学相机采集的图像信息进行质量度ZM评估，判断是否需要重新采集图像信息；
若质量度ZM＜预设质量阈值，则生成图像更新指令至工控机，以提醒管理员通过近红外光谱成像模块重新采集图像信息；
所述光学断层扫描模块用于对光源进行幅度或相位调制后，发射到被测组织表面进行扫描，最终将解调后的信号传输到图像重构模块中；
其中，在光学断层扫描模块将解调后的信号传输至图像重构模块之前，所述增益调节模块用于对解调后的电信号进行滤波增益调整，降低信噪比；
所述图像重构模块用于将近红外光谱成像模块和光学断层扫描模块采集的信号由预设重构算法进行重构处理，最终得到被测目标的光学图像以及组织光学特性。
进一步地，所述图像评估模块的具体评估步骤为：
获取光学相机采集的图像信息并标记为组织图像信息；
提取所述组织图像信息的特征信息，所述特征信息包括组织图像信息的对比度以及边缘锐度；
将组织图像信息的对比度标记为Rx，边缘锐度标记为Wx；利用公式ZMx＝f(Rx-R0)+g(Wx-W0)计算得到所述组织图像信息的质量度ZM；
其中，R0为预设对比度下限，f(Rx-R0)为第一判断取值函数；当Rx-R0≥0时，f(Rx-R0)＝1；当Rx-R0＜0时，f(Rx-R0)＝0；
W0为预设锐度阈值，g(Wx-W0)为第二判断取值函数；当Wx-W0≥0时，g(Wx-W0)＝1；当Wx-W0＜0时，g(Wx-W0)＝0；
将质量度ZM与预设质量阈值相比较；若质量度ZM＜预设质量阈值，则判断所述组织图像信息不清晰，生成图像更新指令至工控机。
进一步地，所述光学断层扫描模块包括光源、调制电路、光电探测单元以及信号处理单元；具体工作步骤为：
所述调制电路用于产生调制信号和参考信号；调制信号对光源进行幅度或相位调制，调制后的光源被发射到被测组织表面；
光电探测单元采集经过被测组织后的光，并将光信号转换为电信号；电信号再传输到信号处理单元，通过调制电路的参考信号进行解调后，最终传输到图像重构模块中，用于图像的重构处理。
进一步地，所述增益调节模块的具体工作步骤为：
将解调后的电信号转化为数字信号，对转化后的数字信号进行滤波；按照预设间隔时长采集对应数字信号的周期能量值；其中周期能量值是指对接收到的连续多个比特位数据的能量进行累加并求平均所得到的值；
将周期能量值最大值标记为ZNmax；将周期能量值最小值标记为ZCmin；利用公式Cb＝μ×(ZNmax-ZNmin)/ZNmin计算得到差异比Cb；其中，μ为预设补偿系数；
统计所述数字信号的数据容量为Lz；利用公式ZY＝Lz×b1+Cb×b2计算得到增益调节系数ZY，其中b1、b2均为预设系数因子；
将增益调节系数ZY与预设调节阈值相比较；若ZY大于预设调节阈值，则表明所述电信号需要进行增益调整；所述增益调节模块用于控制可编程增益放大电路对所述电信号进行增益调整。
进一步地，所述二维扫描平台为固定排列的光纤阵列，通过1×N的光分路器将点光源依次耦合到各个光纤中，并控制点光源以固定距离逐点逐行扫描；所述光学相机采用CMOS感光器件，用于采集图像信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中近红外光谱成像模块用于采用恒定功率激光照射被测组织，并检测光幅度衰减；光源发出的近红外光通过二维扫描平台照射到被测组织表面，近红外光经过被测组织后，再从表面传出，并被光学相机捕捉到；图像评估模块用于对光学相机采集的图像信息进行质量度ZM评估，判断是否需要重新采集图像信息，从而保证图像质量，提高测量精度；光学相机用于将采集的图像信息传输至图像重构模块进行图像重构处理；
2、本发明中所述光学断层扫描模块用于对光源进行幅度或相位调制后，发射到被测组织表面进行扫描，最终将解调后的信号传输到图像重构模块中；增益调节模块用于对解调后的电信号进行滤波增益调整，降低信噪比，从而获得高质量的图像；图像重构模块用于将近红外光谱成像模块和光学断层扫描模块采集的信号由预设重构算法进行重构处理，最终得到被测目标的光学图像以及组织光学特性，提高测量准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统的系统框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统，包括近红外光谱成像模块、图像评估模块、工控机、光学断层扫描模块、增益调节模块以及图像重构模块；
近红外光谱成像模块包括光源、二维扫描平台和光学相机，用于采用恒定功率激光照射被测组织，并检测光幅度衰减；光学相机采用CMOS感光器件，用于采集图像信号；具体步骤为：
光源发出的近红外光通过二维扫描平台照射到被测组织表面，近红外光经过被测组织后，再从表面传出，并被光学相机捕捉到；光学相机用于将采集的图像信息传输至图像重构模块进行图像重构处理；
其中，二维扫描平台为固定排列的光纤阵列，通过1×N的光分路器将点光源依次耦合到各个光纤中，并控制点光源以固定距离逐点逐行扫描；
在本实施例中，图像评估模块与近红外光谱成像模块相连接，用于对光学相机采集的图像信息进行质量度ZM评估，判断是否需要重新采集图像信息；具体评估步骤为：
获取光学相机采集的图像信息并标记为组织图像信息；
提取组织图像信息的特征信息，特征信息包括组织图像信息的对比度以及边缘锐度；
将组织图像信息的对比度标记为Rx，边缘锐度标记为Wx；利用公式ZMx＝f(Rx-R0)+g(Wx-W0)计算得到组织图像信息的质量度ZM；
其中，R0为预设对比度下限，f(Rx-R0)为第一判断取值函数；当Rx-R0≥0时，f(Rx-R0)＝1；当Rx-R0＜0时，f(Rx-R0)＝0；
W0为预设锐度阈值，g(Wx-W0)为第二判断取值函数；当Wx-W0≥0时，g(Wx-W0)＝1；当Wx-W0＜0时，g(Wx-W0)＝0；
将质量度ZM与预设质量阈值相比较；
若质量度ZM＜预设质量阈值，则判断组织图像信息不清晰，生成图像更新指令至工控机，以提醒管理员通过近红外光谱成像模块重新采集图像信息，从而保证图像质量，提高测量精度；
光学断层扫描模块包括光源、调制电路、光电探测单元以及信号处理单元；具体工作步骤为：
调制电路用于产生调制信号和参考信号；调制信号对光源进行幅度或相位调制，调制后的光源被发射到被测组织表面；
光电探测单元采集经过被测组织后的光，并将光信号转换为电信号；电信号再传输到信号处理单元，通过调制电路的参考信号进行解调后，最终传输到图像重构模块中，用于图像的重构处理；
在本实施例中，增益调节模块与光学断层扫描模块相连接；
在光学断层扫描模块将解调后的电信号传输至图像重构模块之前，增益调节模块用于对解调后的电信号进行滤波增益调整，降低信噪比，从而获得高质量的图像，提高测量准确性；
增益调节模块的具体工作步骤为：
将解调后的电信号转化为数字信号，对转化后的数字信号进行滤波；
按照预设间隔时长采集对应数字信号的周期能量值；周期能量值是指对接收到的连续多个比特位数据的能量进行累加并求平均所得到的值；
将周期能量值最大值标记为ZNmax；将周期能量值最小值标记为ZCmin；利用公式Cb＝μ×(ZNmax-ZNmin)/ZNmin计算得到差异比Cb；其中，μ为预设补偿系数；
统计数字信号的数据容量为Lz；利用公式ZY＝Lz×b1+Cb×b2计算得到增益调节系数ZY，其中b1、b2均为预设系数因子；
将增益调节系数ZY与预设调节阈值相比较；若ZY大于预设调节阈值，则表明电信号进行增益调整；
增益调节模块用于控制可编程增益放大电路对电信号进行增益调整，提高电信号的强度和辨识度；从而获得高质量的图像；
图像重构模块用于将近红外光谱成像模块和光学断层扫描模块采集的信号由预设重构算法进行重构处理，最终得到被测目标(例如乳腺组织、脑组织等)的光学图像以及组织光学特性(如血红蛋白浓度、血氧饱和度等)。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
本发明的工作原理：
一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统，在工作时，近红外光谱成像模块用于采用恒定功率激光照射被测组织，并检测光幅度衰减；光源发出的近红外光通过二维扫描平台照射到被测组织表面，近红外光经过被测组织后，再从表面传出，并被光学相机捕捉到；图像评估模块用于对光学相机采集的图像信息进行质量度ZM评估，判断是否需要重新采集图像信息，从而保证图像质量，提高测量精度；光学相机用于将采集的图像信息传输至图像重构模块进行图像重构处理；
光学断层扫描模块包括光源、调制电路、光电探测单元以及信号处理单元；调制电路用于产生调制信号和参考信号；调制信号对光源进行幅度或相位调制，调制后的光源被发射到被测组织表面；光电探测单元采集经过被测组织后的光，并将光信号转换为电信号；电信号再传输到信号处理单元，通过调制电路的参考信号进行解调后，最终传输到图像重构模块中；增益调节模块用于对解调后的电信号进行滤波增益调整，降低信噪比，从而获得高质量的图像；图像重构模块用于将近红外光谱成像模块和光学断层扫描模块采集的信号由预设重构算法进行重构处理，最终得到被测目标的光学图像以及组织光学特性，提高测量准确性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统，其特征在于，包括近红外光谱成像模块、图像评估模块、工控机、光学断层扫描模块、增益调节模块以及图像重构模块；
所述近红外光谱成像模块包括光源、二维扫描平台和光学相机，用于采用恒定功率激光照射被测组织，并检测光幅度衰减；具体步骤为：
光源发出的近红外光通过二维扫描平台照射到被测组织表面，近红外光经过被测组织后，再从表面传出，并被光学相机捕捉到；光学相机用于将采集的图像信息传输至图像重构模块进行图像重构处理；
所述图像评估模块与近红外光谱成像模块相连接，用于对光学相机采集的图像信息进行质量度ZM评估，判断是否需要重新采集图像信息；
若质量度ZM＜预设质量阈值，则生成图像更新指令至工控机，以提醒管理员通过近红外光谱成像模块重新采集图像信息；
所述光学断层扫描模块用于对光源进行幅度或相位调制后，发射到被测组织表面进行扫描，最终将解调后的信号传输到图像重构模块中；
所述光学断层扫描模块包括光源、调制电路、光电探测单元以及信号处理单元；具体工作步骤为：
所述调制电路用于产生调制信号和参考信号；调制信号对光源进行幅度或相位调制，调制后的光源被发射到被测组织表面；
光电探测单元采集经过被测组织后的光，并将光信号转换为电信号；电信号再传输到信号处理单元，通过调制电路的参考信号进行解调后，最终传输到图像重构模块中，用于图像的重构处理；
其中，在光学断层扫描模块将解调后的信号传输至图像重构模块之前，所述增益调节模块用于对解调后的电信号进行滤波增益调整，降低信噪比；
所述增益调节模块的具体工作步骤为：
将解调后的电信号转化为数字信号，对转化后的数字信号进行滤波；按照预设间隔时长采集对应数字信号的周期能量值；其中周期能量值是指对接收到的连续多个比特位数据的能量进行累加并求平均所得到的值；
将周期能量值最大值标记为ZNmax；将周期能量值最小值标记为ZNmin；利用公式Cb＝μ×(ZNmax-ZNmin)/ZNmin计算得到差异比Cb；其中，μ为预设补偿系数；
统计所述数字信号的数据容量为Lz；利用公式ZY＝Lz×b1+Cb×b2计算得到增益调节系数ZY，其中b1、b2均为预设系数因子；
将增益调节系数ZY与预设调节阈值相比较；
若ZY大于预设调节阈值，则表明所述电信号需要进行增益调整；所述增益调节模块用于控制可编程增益放大电路对所述电信号进行增益调整；
所述图像重构模块用于将近红外光谱成像模块和光学断层扫描模块采集的信号由预设重构算法进行重构处理，最终得到被测目标的光学图像以及组织光学特性。
2.根据权利要求1所述的一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统，其特征在于，所述图像评估模块的具体评估步骤为：
获取光学相机采集的图像信息并标记为组织图像信息；
提取所述组织图像信息的特征信息，所述特征信息包括组织图像信息的对比度以及边缘锐度；
将组织图像信息的对比度标记为Rx，边缘锐度标记为Wx；利用公式ZMx＝f(Rx-R0)+g(Wx-W0)计算得到所述组织图像信息的质量度ZM；
其中，R0为预设对比度下限，f(Rx-R0)为第一判断取值函数；当Rx-R0≥0时，f(Rx-R0)＝1；当Rx-R0＜0时，f(Rx-R0)＝0；
W0为预设锐度阈值，g(Wx-W0)为第二判断取值函数；当Wx-W0≥0时，g(Wx-W0)＝1；当Wx-W0＜0时，g(Wx-W0)＝0；
将质量度ZM与预设质量阈值相比较；若质量度ZM＜预设质量阈值，则判断所述组织图像信息不清晰，生成图像更新指令至工控机。
3.根据权利要求1所述的一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统，其特征在于，所述二维扫描平台为固定排列的光纤阵列，通过1×N的光分路器将点光源依次耦合到各个光纤中，并控制点光源以固定距离逐点逐行扫描。
4.根据权利要求1所述的一种用于近红外漫射光成像技术的图像处理系统，其特征在于，所述光学相机采用CMOS感光器件，用于采集图像信号。
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