一种多波段光谱成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多波段光谱成像方法，属于医学光谱成像技术领域，具体用于细 胞成分的定位和定量分析，特别是医学领域的细胞内组分的定量分析。
【背景技术】
[0002] 多光谱成像能够在较复杂的环境下定量分析细胞内的成分信息，如复染环境中细 胞核内DNA的含量，对疾病诊断具有重要意义。
[0003] 多光谱成像主要有两大类技术，扫描多光谱成像技术和凝视式多光谱成像技术。
[0004] 扫描多光谱成像技术涉及逐点或逐行扫描，成像速度较慢，主要用在空间卫星上。 凝视式多光谱成像目前有电调谐滤光器和旋转滤光轮两种，电调谐滤光器能够快速灵活选 择需要的波段，成像较快但器件成本很高。旋转滤光轮每成像一个波段，需旋转更换一次滤 光片，因此速度较慢，用于医学细胞图像扫描时，每例需要很长的时间，难以投入实际应用。
[0005] 本发明提出了一种低成本，快速的多光谱成像方法，采用本方法和适当的电子技 术，可以实现15帧/秒以上的三波段多光谱成像。满足大部分医学多光谱成像应用的要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种多波段光谱成像方法，解决医学领域快速多光谱成像的 问题，实现15帧/秒以上的三波段多光谱成像，满足大部分医学多光谱成像应用的要求。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] -种多波段光谱成像方法，在由光学成像器件和彩色摄像传感器构成的光路中， 加入多波段带通滤光片，所述多波段带通滤光片置于所述光学成像器件和彩色摄像传感 器的光路上，并且所述彩色摄像传感器进行光谱成像形成混叠的多波段多光谱图像，通过 FPGA芯片将混叠的多波段多光谱图像，按预先建立的模型，实时还原成独立的多波段图像 送入计算机。
[0009] 所述光路还包括照明光源，所述照明光源置于所述光学成像器件的前端，并且在 所述照明光源和所述光学成像器件之间装有样品。
[0010] 所述FPGA芯片可采用DSP数字信号处理芯片代替。
[0011]FPGA芯片选用ALTERA公司的CycloneIVE系列的EP4CE40F23C6。
[0012] 所述FPGA芯片的内部包括图像数据获取与存储模块、同步解码模块、同步矩阵剥 离运算模块、以及数据传输模块。
[0013] 所述FPGA芯片对多路并行处理的流程包括：
[0014]a、根据彩色图像传感器的输出时序和输出信号拼接为一个128位的数据，并根据 行序列识别模块，判断该行图像是G/R行还是B/G行，进而判定将此128位数据是存入存储 G/R行图像的FIFO中还是存入存储B/G行图像的FIFO中；
[0015]b、在获取了一组G/R和B/G图像（即一行G/R图像和一行B/G图像）后，同步解 码模块对图像数据进行插值运算，最终输出数据为256位的数据，该数据包含4组像素的R、 G、B通道的信息，在同步矩阵剥离运算中，每一组的运算包含9个硬件乘法器M和3个硬件 除法器，乘法器的一个乘数为计算出的图像采样值，另一个乘数为逆矩阵由于计算出的逆 矩阵r1的一个参数，由于逆矩阵中的参数都是小数，若直接使用这些小数计算会加大运算 难度，因此通过还原成整数的乘除法解决该问题，最终计算出4个像素各自的三各波段的 光强参数；
[0016]c、FPGA芯片中的FIFO存储器可以配置为256位数据输入，16位数据输出的模式， 低位数据首先输出，高位数据，同步传输模块将16位数据从FIFO中读出，然后将该数据以 符合USB传输时序的方式写入到数据传输芯片CY7C68013中，然后传输到计算机。
[0017] 所述模型的建立，包括以下步骤：
[0018] 步骤a、将定制的只有一个波段的窄带滤光片放入光路中，窄带曲线对应多波段带 通滤光片的一个通道；
[0019] 步骤b、对空白样品进行多光谱成像；测出彩色图像传感器的响应Xl(Xl,， Xlg，Xlb);
[0020] 重复步骤a、b，依次将定制的另一个波段的窄带滤光片放入光路中，测出响应 Xj(xir,xig,xib);
[0021] 测量出所有波段响应Xi(r,g,b)，然后综合成敏感度矩阵X，X=[XpXy......xn];
[0022] 计算得到模型M= (Xirf。
[0023] 以上所述每个窄带滤光片的滤光曲线只能覆盖多波段滤光片的一个通道。
[0024] 采用本发明可以得到2-3个波段的实时多光谱成像。实现15帧/秒以上的三波 段多光谱成像，满足大部分医学多光谱成像应用的要求。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明提出的低成本快速的多光谱成像方法框图；
[0026]图2是本发明采用的多波段带通滤光片滤光曲线；
[0027] 图3是彩色摄像传感器的像素结构；
[0028] 图4是摄像传感器bayes滤光膜阵列的滤光曲线；
[0029] 图5是本发明用于复染环境下DNA定量测量的一个显微多光谱成像实例框图；
[0030] 图6是本发明FPGA实时数据处理流程图；
[0031] 图7是为充分利用FPGA并行处理能力进行的一次拼接处理8个像素示意图，由于 彩色图像传感器像素结构（见图4)，必须两行一起处理；
[0032] 图8是彩色图像传感器每行输出的彩色通道时序图；
[0033] 图9是两行、16像素、256位一起处理的数据处理示意框图；
[0034] 图10是采用伊红、亮绿、福尔根染料复染时，宫颈脱落细胞在显微镜下放大成像 的图像；
[0035] 图11采用本发明的三波段实时光谱成像。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明的技术方案进行具体阐述，需要指出的是，本发明的技术 方案不限于实施例所述的实施方式，本领域的技术人员参考和借鉴本发明技术方案的内 容，在本发明的基础上进行的改进和设计，应属于本发明的保护范围。
[0037] 本发明实施例所述的本发明提出的低成本快速的多波段光谱成像方法，基于彩色 摄像传感器和定制的多波段（2-3个波段）带通滤光片。
[0038] 提出的多光谱成像方法如图1所示：被光源照明的样品通过成像光学成像在彩色 摄像传感器上，光线在到达传感器前，先通过多波段带通滤光片。多波段带通滤光片可以在 图1所示的位置，也可以在光路的任何其他位置。
[0039] 多波段带通滤光片的透过率按照多光谱成像的要求，设计成2-3个特定波段带通 的滤光曲线，可以如图2所示。
[0040] 彩色摄像传感器检测的图像数据，在DSP数字信号处理芯片或FPGA芯片中按照预 先建立的模型被实时还原成多光谱图像送入计算机。
[0041] 光学检测中，物质的含量是根据Lambert-Beer定律来检测的。
[0042]Lambert-Beer定律表达式为：
[0043]A= -lg(I/I0) =ebC
[0044] 式中，10为波长为X的平行、均匀入射单色光束强度；I是透过目标后的光束强 度；A为光度度；e为待测组分的摩尔吸光系数；b为光程；C为待测组分的物质的量浓度。
[0045] 因此单色光的吸光度正比于物质的含量，物质的含量越多，吸收光越多，光的透射 越低。Lambert-Beer成立的前提是在检测光的波段中，待测组分的摩尔吸光系数e为常 数。理想的是单波长的单色光，实际用的是和待测组分的摩尔吸光系数变化相比波段足够 窄的带通光。
[0046] 彩色摄像传感器是在传感器前加一个Bayer滤光膜阵列构成。模式如图3所示， 四个像素一组，一个红色R、两个绿色G和一个蓝色B。Bayer滤光膜的透过率如图4所示。
[0047] 彩色摄像机为我们带来了比单色摄像机更丰富的图像信息。但从图4我们可以 看出，RGB三色传感器的透过曲线波段非常宽，而且彼此重叠，因此它检测的数据并不符合 Lambert-Beer定律成立的条件。而且滤光曲线的峰值往往不在我们需要的波长。
[0048] 本发明设计了一个多波段带通滤光片来克服这一缺陷。多波段带通滤光片的波长 中心在测量所需要的波长上，带宽按满足Lambert-Beer定律成立条件设计。
[0049] 通过多波段带通滤光片后光线只剩下所需要的窄带光。剩下的问题是RGB三色传 感器对所有波段的光都有响应。因此本发明在彩色摄像传感器后设计了一个由DSP或FPGA 电子器件构成的部件，按照