抬高预设电平的正交三角波频率编码的高光谱成像系统的制作方法

文档序号：11131397阅读：392来源：国知局

本发明涉及成像系统领域，尤其涉及一种抬高预设电平的正交三角波频率编码的高光谱成像系统，该成像系统应用于乳腺组织样本。

背景技术：

现有技术中通过光对物体内部进行成像，特别是对人体内部进行成像，具有无损无创无辐射的突出优点，但至今尚未有能够进入家庭使用的乳腺透射成像光测量系统用于经常性的肿瘤自检，其原因在于现有乳腺成像系统的成本高、运算复杂、精度有限，无法满足实际应用中的乳腺自检需要。

为了提高图像测量质量，现有技术中的公告号为CN 104799817 A，公告日为2015年7月29的专利申请利用正交三角波作为激励信号来提高成像质量。

发明人在实现本发明的过程中，发现上述现有技术中至少存在以下缺点和不足：

由于现有的成像系统无一例外地均采用模数转换器，模数转换器在靠近输入极限(最大或最小幅值)时存在显著的非线性，特别是输入模数转换器的模拟信号电平越低，得到的数字转换结果的不确定度越大。

因此，采用纯净正交三角波作为激励信号时，在正交三角波的低电平部分得到的数字信号的信噪比就很低，从而影响了图像的总体信噪比。

技术实现要素：

本发明提供了一种抬高预设电平的正交三角波频率编码的高光谱成像系统，本发明通过将正交三角波调整为抬高预设电平的正交三角波，提高了图像的总体信噪比，详见下文描述：

一种抬高预设电平的正交三角波频率编码的高光谱成像系统，所述成像系统应用于乳腺组织样本，包括：一组单色光源和摄像头分别分布在乳腺组织样本的两侧，每个单色光源成线性排列，采用透镜汇聚成一束光，构成光源；一个摄像头构成光源接收器件；

采用不同频率且成2倍比率关系抬高预设电平的正交三角波分别驱动一组单色光源中的各个单色光源，摄像头接收到的图像中每个像素点是每个单色光源透过乳腺的单色光组合；

在摄像头采集图像的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的正交三角波信号由于抬高了预设电平，在正交三角波信号的低电平部分，正交三角波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在正交三角波信号低电平段，摄像头获取到图像的信噪比，进而提高了输入到计算机中的单色光组合的精度；

计算机对单色光组合进行分离得到单色光组合中的各个单色光源的贡献，据此实现对乳腺组织样本的透射高光谱图成像。

其中，作为驱动的正交三角波信号由于抬高了预设电平，在正交三角波信号的高电平部分，提高了摄像头获取到图像的信噪比。

其中，预设电平的取值为摄像头采集的图像动态范围一半以上最佳。

所述单色光源、所述摄像头在所述乳腺组织样本两面对称设置。

其中，所述单色光源为激光二极管；或所述单色光源为单色二极管。

进一步地，所述摄像头为手机摄像头。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明采用不同频率且成2倍比率关系抬高预设电平的正交三角波驱动单色光源，对摄像头检测到的光电信号进行分离可以得到单色光组合中的各个单色光源的贡献，进而实现对乳腺组织样本的成像，相较于背景技术中的公告号为CN 104799817A，公告日为2015年7月29的专利申请，本发明显著地提高了在正交三角波信号低电平段的图像的信噪比，进而改善了摄像头获取到图像的质量；进而提高了输入到计算机中的单色光组合的精度，据此实现对乳腺组织样本的透射高光谱图成像。本发明实现了高速度、大信息的高精度测量，且本发明提供的系统具有成本低、应用方便等优点，适宜于家庭自检。

附图说明

图1为本发明提供的抬高预设电平的正交三角波频率编码的高光谱成像系统的结构示意图；本发明以该成像系统应用于乳腺组织样本为例进行说明。

图2为本发明提供的单色光源、乳腺组织样本和摄像头相对位置示意图；

图3为本发明提供的抬高预设电平正交三角波的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：一组单色光源；2：透镜；

3：乳腺组织样本；4：摄像头。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种抬高预设电平的正交三角波频率编码的高光谱成像系统，参见图1和图2，该成像系统应用于乳腺组织样本，成像系统包括：一组n个单色光源1(用LD表示，单色光源的波长处于600～1200nm之间，此波段为“光学窗口”，穿透深度比较深)和一个摄像头4，(其中，n的具体取值与乳腺组织样本3对不同波长的敏感程度相关，本发明实施例对此不做限制)；一组单色光源1分布在乳腺组织样本3的一侧，一个摄像头4分布在乳腺组织样本3的另一侧；

其中，一组单色光源1中的每个单色光源LD₁…LD_n成线性排列，采用透镜2汇聚成一束光，构成线阵光源；摄像头4构成多波长光源接收器件，摄像头4为CMOS或CCD，现有摄像头4已能采集近红外波段的光。该成像系统还包括与摄像头4外接的计算机(图中未示出)。

参见图3，采用不同频率且成2倍比率关系抬高预设电平的正交三角波分别驱动一组单色光源1中的各个单色光源LD_i，摄像头4进行采集，采集到的图像中，每个像素点为每个单色光源LD_i透过乳腺组织样本3的单色光组合I_ij。

本发明实施例抬高预设电平后，在摄像头4采集图像的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的正交三角波信号由于抬高了预设电平，在正交三角波信号的低电平部分，正交三角波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在正交三角波信号低电平段的图像的信噪比；相较于背景技术中的公告号为CN 104799817 A，公告日为2015年7月29，以纯净正交三角波作为激励信号的专利申请，本发明实施例显著地提高了在正交三角波信号低电平段的图像的信噪比，进而改善了摄像头4获取到图像的质量。

另外，由于抬高预设电平，噪声水平没有变化，在正交三角波信号的高电平部分，正交三角波信号相较于噪声也有一定的改善，提高了在正交三角波信号高电平段的图像的信噪比。

进而，由于摄像头4获取到的图像(其中，摄像头4接收到的图像中每个像素点是每个单色光源透过乳腺组织样本3的单色光组合)的信噪比整体增强，使得输入到计算机中的单色光组合有较高的精度。

其中，预设电平的取值优选摄像头4采集的图像动态范围一半以上时，信号大于等于1/2图像动态范围，通过摄像头4采集到的信号的失真小、图像质量高。

计算机对单色光组合I_ij进行分离可以得到单色光组合I_ij中的各个单色光源LD_i的贡献，构成各波长下的透射图像。根据各波长下乳腺组织样本3中正常组织、肿瘤组织等的光学特性不同，进行乳腺组织样本3的透射光成像测量，实现肿瘤的早期检测。

其中，计算机对单色光组合I_ij进行分离可以得到单色光组合I_ij中的各个单色光源LD_i的贡献的步骤具体为：

1)假设以驱动单色光源的LD_j最高频率f_max的4M倍速度对光电信号进行采样f_s＝4M×f_max，获取采样信号x(m)，其中M为大于等于1的正整数；

2)计算机将分别对各个波长对应的每个正交三角波周期内的正、负半个周期内的采样信号进行累加，累加结果进行求差运算；

即，将一定时间(整数个正交三角波周期)内的每个正交三角波的正半个周期的采样值累加得到累加和，每个正交三角波的负半个周期的采样值累加得到累加和，这两个累加和相减。

3)将上述各个波长的差值进行k个周期或整数倍k个周期累加，其中：

式中：f_min为激励正交三角波中的最低频率；a为预设常数，取值为大于或等于1的正整数，a/f_min为下抽样的周期；f_n为所处理波长的正交三角波激励频率。

对幅值为x的被采样值，如果在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

其中，[x]是模数转换器对x进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数。x_i是第i点的幅值，[x_i]是模数转换器对x_i进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数。

(3)式表明，对一个比较“干净”的信号采样多次进行平均，并不能提高其精度，所得到的平均值的误差与单次采样的误差相同，为Δx_i。

如果对幅值为x的被采样锯齿波，同样在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

其中，x_i＝m_i+Δx_i，m_i＝[x_i]。也即m_i是圆整得到正整数，而Δx_i是被四舍五入后丢去的“随机”误差。

(4)式可以进一步利用等差级数求和公式得到：

(5)式中的前一项是量化后的值，虽然比(3)式的结果小了一半，但按照误差理论，一个数据的精度并不因乘以一个固定非零常数而改变。但后面一项中是零均值的随机数，相比(3)式中的要降低倍，因此，对锯齿波或正交三角波激励信号进行过采样后同样可以得到提高精度的效果，且不需要另外加高频扰动信号。