高度混浊介质的多波长成像的制作方法

专利名称：高度混浊介质的多波长成像的制作方法
技术领域：
本发明涉及混浊介质的成像，特别是涉及混浊介质的多波长成像。
背景技术：
混浊介质的光成像一般包含将光发射到介质中；检测从介质中传出的光；以及分析检测到的光，以推断介质内部物理结构的存在和/或特性。当前对混浊介质光成像的兴趣源于对安全和非侵害性的生物医学诊断技术的需求。生物组织的光学特性是基于光学的生物医学诊断技术的核心。在任一混浊介质的一般情况下，光在生物组织中的传播方式取决于它的吸收和扩散特性。一般地，当横贯异常组织的光的吸收和/或扩散不同于在正常组织中时(如由于异常而导致的生理或形态变化)，在正常和异常状态之间就可能出现光学差异。该原理的具体应用是光学乳房X线照相术，其中基于光学特性，肿瘤会不同于正常的胸部组织。
生物医学的光成像是基于这样的事实，即，光在混浊介质(比如生物组织)中的传播取决于该介质的吸收和扩散特性。吸收是由介质中组成的原子和分子的能级跃迁造成的，其取决于材料以及探测波长。扩散是由介质中存在的不同结构的折射率变化造成的，其取决于该结构在探测波长上的折射率以及该结构相对于探测波长的相对大小。当由于光的漫透射率导致的通过介质吸收和扩散入射光时，入射光强度、相干性和极化等特征也随之变化。具体地，散射使得一校准后的激光束在一相当大体积的元件(element)上扩展，从而使混浊介质的成像变得复杂。
散射介质内部的光子传播轨道可仅根据统计来预计。除可能被吸收之外，光子还会遇到许多散射事件，如图1所示。在高度散射和弱吸收的厚片介质比如人体胸部中，多数光子在组织中仅传播几毫米之后就反射回入口表面。其他光子由介质吸收，或者传输到能够检测它们的输出表面。在一般的胸部厚度和光学参数情况下，0.01％至1％的入射光子传输到输出表面。
传输的光子可分离成三类弹道光子，其不经散射就到达输出表面；蛇行光子，其略微散射但仍保持近似直线的轨道；以及漫射光子，其广泛散射，并且在显现之前会覆盖一相当大体积(volume)的元件(element)。这三类光子的每一类所遵循的实例轨道如图1所示。
弹道光子不经历任何散射，因此能够产生高度混浊介质比如生物组织内部的高清晰图像。不幸的是，在许多情况(比如对于一般胸部厚度和光学参数)下，传输并不足够的弹道光子用于成像。蛇行光子具有近似直线的轨道，并且数量充足以便产生相对清晰的图像。蛇行光子和漫射光子可通过它们到达输出表面的时间相互区别。当在入口表面将光脉冲注入到混浊介质中时，其组成光子彼此分离，并沿着不同轨道传播。传播最短距离的光子(即蛇行光子)以最短的传播延迟到达输出表面，并因而在轨道较长的漫射光子之前被检测到。因此，蛇行光子可通过它们到达检测器的较短时间而被分离，并用于构建一图像。这项技术的发展称为“时间门控(time gating)”，引发了对90年代早期的光学乳房X线照相术兴趣的恢复。
有利的是，时间门控包含对检测器接收到的光进行时域分析。出于生物医学成像的目的，这种时域分析和成像优选为基于在一组织样本(或任何其他混浊介质)传播的光的时序点扩展函数(Temporal Point Spread Function)(TPSF)。按照现有技术，该TPSF描述了一超短脉冲的光在一散射介质传播时所经历的时序散度。这样，如图1所示，光脉冲的光子遵循介质中的不同路径，并因此经历不同的传播延迟。其结果是当脉冲在介质中传播时的光脉冲在时域中的扩展。对到达检测器的脉冲的TPSF进行评估有助于对介质的吸收和散射光学参数以及衰减进行评估。此外，蛇行光子可被检测并用于对介质内的物理结构成像。
一般地，定义三个参数以描述散射介质如生物组织的光学特性吸收系数(μa)；散射系数(μs)以及各向异性因子(g)。吸收系数(μa)表示光子在每单位长度吸收的概率。散射系数(μs)表示光子在每单位长度散射的概率。最后，各向异性因子(g)描述与散射过程相关的传播方向的平均变化。
除上述三个参数之外，定义“减化散射系数”(μs’＝μs(1-g))常常很有用，该系数表示一段平均距离，光子在该距离上支持(sustain)足够数量的散射事件以使它的传播方向随机化。减化散射系数(μs’)是散射系数(μs)的各向同性等价参数，尤其适用于厚组织的情况。量(μa)和(μs’)是高度浑浊介质中通常使用的两个光学参数。
在生物医学光成像中，可产生两类图像3D重构图像和2D投影图像。3D重构图像利用X线断层摄影术产生，该摄影术一般是基于包含大量检测器的多点几何学。其优点在于可产生3D图像。然而，测量和重构可能很耗时。2D投影图像是通过扫描穿过输入表面的小块截面激光束，并检测从输出表面的小块面积中传出的光来产生，如图2所示。该扫描技术具有的优点是速度快并且兼容于时间分辨测量(如使用时间门控检测蛇行光子)。然而仅限于二维信息，检测到的光给出关于在整个视线上延伸的体积(volume)的信息，该视线连接激光束的输入点和检测器。如图2所示，其中虚线内的阴影区域表示检测到的光子最可能传播通过的体积。该体积的形状可考虑这样理解，即所有光子在相同点进入散射介质，所有检测到的光子经过正对着检测器的小块区域离开该介质。另一方面，散射使得检测到的光子从连接激光源和检测器的径直视线漂移开，该漂移在激光源和检测器之间的一半距离(half-distance)处最大。纵向信息可在这样一种配置下得到，即通过扫描检测器位置或实质上通过利用如双重空间积分(DST)或多视场技术(MFOV)等方法。
如上所述，光子的散射和吸收都高度依赖于波长。此外，时间门控成像技术需要一具有尖锐导向边沿的短输入光脉冲。结果，用于对高度混浊介质成像的常规技术是利用激光产生输入脉冲。该激光产生的光的特征是具有很窄范围的波长，所有这些波长在混浊介质内经受基本上一样的散射和吸收。这种配置的缺点在于，多数混浊介质(以及特别是生物组织)的光学特性高度依赖于波长。通常，调节该激光以使输入的光脉冲在介质内经受最小的散射，因此使可用于检测器的光为最大数量。然而，这样做就会丢失至少一些关于内部结构的信息。
因此，仍很需要一种通过利用多个波长以使高度混浊介质图像质量最优化的技术。

发明内容
本发明的一目的在于提供一种高度混浊介质的多波长成像方法。
因此，本发明提供一种高度混浊介质内部结构的多波长成像方法。按照本发明，在一组预定波长中的每个波长上对内部结构成像，以产生相应的、由各图像组成的一组图像，所述波长组包含至少两个预定波长。然后合并该组图像以产生一对应的融合图像。
按照本发明的多波长成像提供一种用以改善高度混浊介质中的包涵物差异的工具。具体地，可使用几个波长产生相应数量的高度混浊介质的图像，并且随后合并这些图像。对于光学乳房X线照相术，可使用两个策略第一策略使用两个波长(比如755和800纳米)；而第二策略使用四个波长(比如755、800、930和975纳米)。可使用常规的KL变换得到该组图像的三个主要成分，然后可使用伪彩色技术将所有信息合并在单个组成图像中。


从如下结合附图的详细说明中，本发明进一步的特征和优点将会很明显，在附图中图1说明经过散射介质传输的三类光子的典型轨道；图2说明用于经过混浊介质成像的扫描系统；图3说明脂肪组织(蓝色)和腺体组织(绿色)的传输光谱；图4说明癌症(黑色)和腺体(绿色)胸部组织的透射率(％)；图5说明图像差值技术，该技术合并在可区分波长上获取的两个图像，以加强只有在一个图像中可见的特征；图6说明伪彩色技术，该技术将三个图像合并为一个彩色图像，其特征按照它们在输入图像中的强度而着色；图7A-F说明利用图像差值(图7D)、伪彩色(图7E)和KL变换(图7F)，仿真不同波长的组织幻象的三次扫描的图像融合结果(图7A-C)；图8说明利用图像差值(图8C)、伪彩色(图8D)和KL变换(图8E)，在不同波长(图8A-B)下获取的人体胸部的两次在活的有机体内的扫描中的图像融合结果。
注意类似特征在附图中以类似标号标识。
具体实施例方式
本发明提供一种用于高度混浊介质的多波长成像方法。为了描述，本发明通过用于乳房X线照相术的优选实例来详细描述。然而有利的是，本发明可等同应用于任一混浊介质的成像。因此应当理解，下述实例并不限制本发明的范围。
如上所述，混浊介质特别是生物组织的光特性，会依赖其成分而随波长变化。通过适当选择两个或更多波长，可利用该不同的波长依赖性，增强不同组织类型之间的对比，并且改善组织识别。通过合并在每个波长上产生的图像，可强调内部特征，从而改善光对比、组织差异和更好的组织识别。有利的是，在特定应用中使用的具体波长将优选为基于观察得到的混浊介质的光学特征和特别感兴趣的任何特定包涵物(即内部结构)来选定。
例如，在光学乳房X线照相术中，需要区别两种主要的胸部组织类型(腺体和脂肪)，并且区别健康和癌症组织。腺体和脂肪组织可通过分光镜容易地区别。特别地，脂肪组织具有一大块水成分，其光谱很大程度上与水的光谱相似，而脂肪组织主要由具有较小水成分的油脂组成，这些油脂是从脂肪酸衍生而来。
脂肪和腺体组织的光谱如图3所示。应当强调的是，图3仅用以说明关于波长的相对峰值位置，而不能使用其衰减水平，即使是定性的，因为给定样本在任一波长上的衰减值取决于样本厚度和散射特性。可通过检查组织光谱来观察两个主要特征。一特征是脂肪组织在610至925纳米之间透射率的恒定性，该恒定性是与观察到的腺体组织在相同范围上的透射率递减相比而言的。另一特征是在脂肪组织中观察到930纳米处的峰值，该峰值由油脂中的C-H结合导致，在腺体组织中观察不到，但是在腺体中看到975纳米处的水峰，在脂肪组织中却看不到。
因此将看到，975纳米处的成像胸部组织会强调腺体组织，而脂肪组织会在930纳米的成像波长处检测到。可选地，也可以利用脂肪组织在925纳米和610纳米之间的光学特性的恒定性。这时，可使用多波长或减法成像(如下所述)，区别脂肪与其他组织类型。
在现有技术中，癌症组织的生长与宿主组织中的许多效果有关。一个这样的效果是血管新生，其是指通过肿瘤释放肿瘤血管新生因子(TAF)，在宿主组织中引入新的血管形成和生长。这种过多血管分布具体表示在紧绕该肿瘤的区域中，如表1所示。

表1不同组织中的平均红血细胞浓度(RBC)这种效果可通过使用血红蛋白的吸收峰值作为成像波长而使用于光成像中。血红蛋白的等吸收点800纳米是这种波长，在该波长上氧化血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)的吸收系数相等，因此给出组织中全部血红蛋白(以及血液)内容的指示。去氧血红蛋白(Hb)在755纳米处具有弱吸收带。此外，在肿瘤中(在活的有机体内)观察到比健康组织中程度稍低的氧化。实际上，可以定义一2维空间，其中HbO2/Hb和全部血液在正交轴上描绘。已发现恶性组织在该氧化/去氧-全部血液体积空间中占有非常明确的区域。因此，合并分别在755纳米和800纳米波长上产生的图像，可用来使用血管新生的效果和提升的Hb浓度，以便强调癌症和健康组织之间的对比。
图4示出分别带有氧化和去氧血红蛋白的两个组织样本的光谱。对于图3的光谱，这些光谱并未进行厚度修正，仅用于说明峰值在波长轴上的位置。
应当注意，在所有情况下，利用吸收特性来区别组织类型。这是因为散射系数的大小随着波长的增加而缓慢减少，并且与组织类型无关，而吸收系数则取决于组织成分。
按照本发明，利用不同波长产生的图像，合并成一强化了可用信息的单个彩色图像。该类型的数据处理也可称为“图像融合”。可使用三种可选的图像融合技术，即图像差值；伪彩色；以及KL转换。
图像差值是指这样的技术，其中一个图像逐个像素地从另一图像中减去，得到一最终图像。仅在一个波长上可见的任何特征，即它们仅出现在一个图像中，也会在最终的融合图像中看到。相反地，两个图像共有的任何特征被减去，因而在融合图像中看不到。因此，该图像差值技术对于识别两个图像之间的差异特别有用。
实际上，每个图像可着色为一强度可变的单色(比如8位灰阶)图像。然后可进行简单的逐个像素的差值运算，并且修正结果值，以便符合预期范围(比如256灰度级)，用于显示在监视器上。如果需要，可使用一色彩映射用以将结果转换为一彩色图像，该映射使编号的灰度级相关于一给定色彩集。
该图像差值技术的简单变化是使用图像均化，其中融合图像的每个像素的强度计算为(两个或多个)源图像的每个图像中对应像素的强度均值，同时对图像差值进行色彩编码。
伪彩色技术可用以将三个图像合并为单个融合彩色图像。使用该技术，每个图像使用三个显像基色(即红色、绿色和蓝色)的各个颜色，可着色为一强度可变的单色图像。例如，对应于波长1的图像可着色为强度可变的单色红色，其每个像素分配有一(比如8位)强度级。以相同的方式，波长2和3的图像可分别着色为单色绿色和蓝色，其特征分配有合适的强度。在这种配置下，三个图像提供常规24位/像素RGB彩色显示图像的红色、绿色和蓝色成分。这样，这些图像就可以容易地合并或融合成一可屏幕显示的彩色图像，其中按照三个基色的最后混合，对特征进行。例如，在红色和绿色图像中很明显而在蓝色图像中不明显的特征会在融合图像中显示为黄色阴影。注意的是，如果仅考虑两个波长，则使用两个基色，第三色的每个像素设置为零(或黑色)，以便不影响融合图像的产生。
如上所述，已发现恶性组织在全氧化/去氧血液体积空间中占据很明确的区域。因此，可使用伪彩色技术精密识别恶性组织的存在和位置。特别地，通过在755纳米(去氧血红蛋白一Hb)、800纳米(全部血液)产生图像集，融合图像的每个像素将映射至全氧化/去氧血液体积空间中的确定位置。然后可在显示监视器上突出映射至已知与恶性组织相关的区域中的像素。
最终的图像融合技术使用KL变换，该KL变换最初是作为用于Karhunun和Loeve的连续随机过程的级数展开引入的。作为主要成分的方法也是公知的，并且将多个图像处理为一个整体是很理想的。
KL变换运算如下。假设在各不同波长上获得N个图像，每个图像有P个像素，这些图像写作矢量成分V1…VN。图像的N×N自相关矩阵R根据如下等式计算R[i][j]=1PΣP=1PVi[p]*vj[p]----(1)]]>其中i，j∈[1，N]。
Jacobi算法用于计算自相关矩阵R的N个特征值和特征向量。然后，按照对应的特征值D1…DN存储特征向量V1…VN。
KL变换包括分类的特征向量V1…VN与原始图像V1…VN的交叉相乘，从而得到一组新的图像k1…kN，每个图像有P个像素kn[p]=1255Σi=1NVn[i]*vj[p]---(2)]]>其中n∈[1，N]，p∈[1，p]。
这N个变换后的图像是无关联的。而且，变换后的图像组按照能量的降序排列。一般地，第一组三个图像k1，k2，k3描述N个原始图像的95％以上。该特性使得从KL变换得到的第一组三个图像适用于使用伪彩色技术的图像融合的候选。
因此最后的步骤包括用各基色着色三个图像k1，k2，k3的每一个，然后在显示器上合并三个着色后的图像以生成最终的融合图像。如果需要，可使用常规的LUV彩色系统(而非RGB)，以优化普通人对微小色彩差异的感知敏感度。而且，也可以该技术中公知的方式，通过直方图均衡化完成图像增强。
这里给出两组试验的结果，它们用合成的幻象和在活的有机体内的状态下，比较前面给出的三种图像融合技术。
第一试验是基于一组织幻象的三次扫描，该组织幻象包含不同光学特性的三种包涵物。在每次扫描之间，反转包涵物的位置以仿真波长变化的效果。图像差值、伪彩色和KL变换技术应用于得到的图像。如图7所示的这些测试结果清晰地示出包涵物差异的改善与有效的数据缩减技术。注意KL变换特别适用于多波长成像。
第二试验开始为在两个波长上(753纳米和800纳米)从人体胸部获取在活的有机体内的扫描。然后利用图像差值、伪彩色和KL变换技术处理图像。图8给出了从两次扫描中得到的图像融合结果。色彩映射已应用于图像差值(像素差从蓝色增至绿色、黄色、然后橙色、最后红色)。在前面的试验中，该融合提供了图像特征的突出部分，在单个图像中给予更多的信息。
如前述使用的用于图像融合的KL变换方法给出了最有用的结果，用于多波长图像的全显示。以该技术得到的融合彩色图像改善了输入图像特征之间的对比。然而从人眼看来，以KL变换得到的彩色图像一般不如以伪彩色技术得到的彩色图像显得自然。
有利的是，上述图像融合技术可结合起来使用，以便突出图像的特定方面，和/或有助于诊断评估。例如，如果需要，由图像差值和图像平均技术产生的融合图像可利用伪彩色技术而进行自身合并。在该例中，一胸部可在930纳米和975纳米下成像，并且这些图像利用图像差值技术合并，以突出腺体和脂肪组织结构。然后在755纳米和800纳米下对胸部成像，以确定全氧化/去氧血液体检空间中的一像素位置。然后通过比如将红色分配给突出全部血液的平均图像，将绿色分配给突出腺体和脂肪组织的差值图像，以及将蓝色分配给映射至全氧化/去氧血液体积空间及突出恶性组织的结果，从而将这些结果合并成单个图像。
上述本发明的实施例仅作说明之用。因此本发明的范围仅由所附权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种对高度混浊介质内部结构成像的方法，该方法包括步骤在一组预定波长中的每个波长上对内部结构成像，以产生相应的、由各图像组成的一组图像，所述波长组包含至少两个预定波长；以及合并该组图像，以产生一相应的融合图像。
2.如权利要求1所述的方法，其中，对内部结构成像的步骤基于对从该混浊介质传出的光的时序点扩展函数(TPSF)分析。
3.如权利要求2所述的方法，其中，每个预定波长是基于混浊介质的至少一个内部结构的光学吸收特性而选定的。
4.如权利要求1所述的方法，其中，当波长数目至多为三个时，合并该组图像的步骤包括步骤用彩色显示监视器的各个不同的显像基色对每个图像着色；以及在该彩色显示监视器上同时显示着色的图像，以产生该融合图像。
5.如权利要求1所述的方法，其中，当波长数目至多为两个时，合并该组图像的步骤包括步骤用彩色显示监视器的一预定通用显像基色对每个图像着色，以产生各着色后的图像；以及对着色后的图像进行减法运算，以产生该融合图像。
6.如权利要求1所述的方法，其中，当波长数目至多为两个时，合并该组图像的步骤包括步骤用彩色显示监视器的一预定通用显像基色对每个图像着色，以产生各着色后的图像；以及对着色后的图像进行平均，以产生该融合图像。
7.如权利要求1所述的方法，其中，当波长数目为两个或两个以上时，合并该组图像的步骤包括步骤计算每个图像的KL变换，以产生各变换后的图像；基于每个图像各自的能量，选择至多三个变换后的图像；用彩色显示监视器的各个不同的显像基色，对每个所选的变换后的图像着色；以及在该彩色显示监视器上同时显示着色后的图像，以产生该融合图像。
8.如权利要求7所述的方法，其中选择至多三个变换后图像的步骤包括选择具有最高能级的变换后图像的步骤。
9.一种生物医学的光成像方法，该方法包括步骤在一组预定波长的每个波长上，对一组织样本内部结构成像，以产生相应的、由各图像组成的一组图像，所述波长组包含至少两个预定波长；以及合并该组图像，以产生一相应的融合图像。
10.如权利要求9所述的方法，其中对内部结构成像的步骤基于对从该组织样本传出的光的时序点扩展函数(TPSF)分析。
11.如权利要求9所述的方法，其中每个预定波长是基于混浊介质的至少一个内部结构的光学吸收特性而选定。
12.如权利要求11所述的方法，其中该组织样本是胸部组织，该组预定波长包括755、800、930和975纳米中的一个或多个。
13.如权利要求9所述的方法，其中，当波长数目至多为三个时，合并该组图像的步骤包括步骤用彩色显示监视器的各个不同的显像基色对每个图像着色；以及在该彩色显示监视器上同时显示着色后的图像，以产生该融合图像。
14.如权利要求9所述的方法，其中，当波长数目至多为两个时，合并该组图像的步骤包括步骤用彩色显示监视器的一预定通用显像基色对每个图像着色，以产生各着色后的图像；以及对着色后的图像进行减法运算，以产生该融合图像。
15.如权利要求9所述的方法，其中，当波长数目至多为两个时，合并该组图像的步骤包括步骤用彩色显示监视器的一预定通用显像基色对每个图像着色，以产生各着色后的图像；以及对着色后的图像进行平均，以产生该融合图像。
16.如权利要求9所述的方法，其中，当波长数目为两个或两个以上时，合并该组图像的步骤包括步骤计算每个图像的KL变换，以产生各变换后的图像；基于每个图像的各自的能量，选择至多三个变换后的图像；用彩色显示监视器的各个不同的显像基色，对每个所选的变换后的图像着色；以及在该彩色显示监视器上同时显示着色后的图像，以产生该融合图像。
17.如权利要求16所述的方法，其中选择至多三个变换后图像的步骤包括选择具有最高能级的变换后图像的步骤。
18.一种用于对高度混浊介质内部结构成像的光成像设备，该设备包括一光源，提供多个波长的光；用于将所述光注入到所述介质中并用于恢复来自所述介质的检测光的装置；用于检测所述检测光以产生对应于所述多个波长的原始数据的装置；以及用于处理所述原始数据以便从所述多个波长获得的信息中产生一图像的装置，其中，所述设备执行按照权利要求1至17任何一项所述的方法。
全文摘要
一种高度混浊介质内部结构的多波长成像方法，在一组至少两个预定波长的每个波长上对内部结构成像，以产生一组对应的各图像。然后合并该组图像以产生一对应的融合图像。
文档编号A61B6/00GK1543325SQ02816087
公开日2004年11月3日 申请日期2002年7月16日 优先权日2001年7月16日
发明者皮埃尔·A·博德里, 理查德·布德罗, 皮埃尔·加拉内奥, 朱莉·弗雷谢特, 索尼娅·韦拉奥特, 加拉内奥, 布德罗, 韦拉奥特, 弗雷谢特, 皮埃尔 A 博德里 申请人:Art先进研究科技公司