[发明专利]一种基于高光谱图像的在体组织光学参数测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于高光谱图像的在体组织光学参数测量装置及方法，装置包括：卤素灯作为光源，具有连续宽光谱特性，适用于可见光谱中的样本测量；滤光轮组作为分光装置包括不同中心波长的滤光片；相机搭配聚焦镜实现高分辨率成像；捕捉仿体的二维图像信息和漫反射光谱，通过采集离散波长的图像，利用基于维纳拟合原理的光谱重构，缩短对组织成像的采集时间，实现不同波段多光谱图像的获取。方法包括：通过在体组织光学参数测量装置获取样品的8通道图像；输入窄带滤光通道反射值和测量的漫反射光谱值，使用维纳矩阵重构得到光谱图；结合Monte Carlo查表法与正向模型进行建模和数据拟合，得到样品的模拟反射光谱；采用最优化反构算法得到组织光学参数及仿体浓度。

技术领域

本发明涉及在体组织光学成像与检测领域，尤其涉及一种基于高光谱图像的在体组织光学参数测量装置及方法。

背景技术

生物组织体大多是由蛋白质、核酸、糖类、脂类、水、维生素以及微量元素等构成。由于组织体内大分子物质对光子具有强散射作用，当在体组织结构以及各种成分物质的含量发生变化时，会引起光在组织体内的传播路径发生相应的变化，从而导致组织体内光学特性发生变化。在生物医学光子学中，光与生物组织体的相互作用主要表现为吸收、散射等形式，常用吸收系数、散射系数、折射率及各向异性因子等参数定量描述组织的光学特性。在紫外及可见-近红外波段范围内，组织体的吸收物质主要有黑色素、含氧/去氧血红蛋白、脂肪、血糖及水等物质。

目前，获取在体组织光学参数大多是采用光纤探头采集不同源探距离下的漫反射光谱信号，由于光纤结构的限制，获取多位点组织结构信息时，采集时间较长且只能进行点测量，很难实现组织二维图像及光谱信息的同时获取。高光谱成像方法将在体组织的二维图像信息与谱域信息相结合，获取组织结构、成分信息等，具有分辨率高、无损伤性以及信息量丰富的优点，逐渐成为“光学活检”技术的研究热点。Bjorgan等研究了基础扩散理论正向模型和SCA(Sequential Coordinate-Wise)反构算法，Zherebtsov等采用基于人工神经网络的反构算法，提高了光学参数反构精度和速度，以上方法在模型精度和计算速度存在一定的优势。在体组织组成成分复杂，其吸收光谱重叠也在一定程度上会影响光学参数反构精度，Huang等提出了基于宽谱二阶导数比值(SDR)的血氧饱和度测量算法，利用非线性拟合提高测量精度。Mackinnon等提出两步非负最小二乘法，消除黑色素等对于含氧/脱氧血红蛋白测量的影响。Radrich等提出了基于等吸光点的波长选择算法，并结合线性最小二乘法和多项式曲线拟合提高了在体组织血氧测量精度。根据测量目标优化测量光谱范围，也可以在一定程度上减少系统复杂度，并较好地获取目标成分的测量精度。

利用高光谱成像装置对组织样本进行成像，然后通过模拟光在组织中传输及表面出射的正向模型及反构算法，提取吸收系数与散射系数等组织光学参数。但是目前针对基于高光谱测量的组织光学参数提取方法，在光谱成像速度等方面受到一定限制并且需要多次进行连续光谱测量，系统分光方式较为复杂，并且很难实现快速成像。

发明内容

本发明提供了一种基于高光谱图像的在体组织光学参数测量装置及方法，能够实现快速、宽光谱、适用范围广的组织光学参数测量，详见下文描述：

一种基于高光谱图像的在体组织光学参数测量装置，所述装置包括：卤素灯、聚焦镜、滤光轮组、相机以及光谱仪，

卤素灯作为光源，具有连续宽光谱特性，适用于可见光谱中的样本测量；滤光轮组作为分光装置括不同中心波长的滤光片；相机搭配聚焦镜实现高分辨率成像；

捕捉仿体的二维图像信息和漫反射光谱，通过采集离散波长的图像，利用基于维纳拟合原理的光谱重构，缩短对组织成像的采集时间，实现不同波段多光谱图像的获取。

其中，相机连接成功后，获取当前的通道位置P，设置目标通道位置为T＝P+1；

若T＜9，转动相机的内置滤光轮至目标位置T，判断当前位置P1是否与目标位置T相等；