专利名称：一种基于s形光子密度调整的目标检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗设备领域、医疗影像领域和树木质量检测领域，特 别是近红外光谱成像设备。
背景技术：
1977年，Jobsis在《Science》杂志上发表文章，证明近红外光可以 在生物体内传播数厘米仍能被可靠检测。因为近红外光具有对生物体完 全无害的优点，近30年来用近红外光探测生物体结构得到了长足发展。近红外光在生物体内有独特的传播特性。波长大于近红外光的电磁 波在生物体内会很快被水分子吸收，波长小于近红外光的电磁波在生物 体内会很快被蛋白质吸收。但是生物体的主要组成成分水和蛋白质对近 红外光的吸收性较差，所以近红外光对生物体具有一定的穿透性。水、 生物体内重要的蛋白质(氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白)对光的吸收曲线 如附图l所示。生物体内存在多种对光产生散射作用的物质，如细胞膜、细胞器等。 近红外光子通过低功率的激光光源探头(功率不超过50毫瓦)入射生物 体后，即在生物体内发生多次散射，称为"随机游走"。光子在生物体 内随机游走的示意图如附图2所示。激光接收探头放置于生物体表面上， 从生物体内出射的光子可以被激光接收探头接收。从一个激光光源探头入射，经过生物体内多次散射后被一个激光接 收探头所接收的光子，在生物体内的光子密度分布图如附图3所示。所 谓某一部分生物体的光子密度，指一段时间内经过该部分的光子总数。 生物体的光子密度反映了光子在生物体内的稳定分布情况。生物体的光 子密度也反映了接收器对某一部分生物体的敏感程度，如果某部分生物 体的光子密度较大，则接收器对该部分生物体更敏感，反之，如果某部 分生物体的光子密度较小，则接收器对该部分生物体较不敏感。由附图3可见，从一个激光光源探头出发，被一个激光接收探头所 接收的光子，在生物体内的光子密度不均一。在接近激光光源探头和接 近激光接收探头的位置光子密度较大，而在生物体的深层位置光子密度 较小。发明内容现有技术近红外光谱成像设备的光子密度不均匀，对深层结构不敏 感，目标被检测出性差；光子密度不均匀，使得近红外光谱成像技术的 图像噪声较大，影响对被检测目标结构的准确判断的问题，为了解决所 述的问题，本发明的目的是提供一种基于S形光子密度调整的目标检测 装置。为了实现所述的目的，本发明的基于S形光子密度调整的目标检测装置包括正弦波发生器，用于产生电信号；电-光转换器，用于将电信号转换为近红外光信号；激光光源探头，将近红外光传导至被检测目标；激光接收探头，用于接收从检测目标出射的部分光子；光子密度计算器，用于计算检测目标内每一点上的光子数；光子密度信息转换器，对光子数进行S形调整，用于生成光子密度信息；成像装置，根据激光接收探头的测量数据和得到的光子密度信息对 被检测目标进行成像。所述光子密度信息转换器对接近被检测目标表面结构的光子密度 和接近被检测目标深层结构的光子密度分别乘以较小和较大的系数，且 对光子密度所乘的系数自被检测目标表面结构至被检测目标深层结构 呈S形增大。所述电-光转换器所用近红外光的波长范围为600纳米至950纳米的 电磁波。所述光子密度计算器所得到的光子密度为在一个时间段内，通过 指定部分被检测目标结构的光子总数为指定部分被检测目标结构的光所述光子密度信息转换器的S形光子密度少包括_^^，c + e其中陡降参数^的取值范围为">0; 自变量义的取值范围为-00至+00;S形光子密度;/的上极限由幅度参数"控制，当自变量x无限趋近于 -oo时，S形光子密度;;无限趋近于幅度参数"；幅度参数"的取值范围为">1;S形光子密度j的下极限由幅度参数"、调节参数6、权重参数c控 制，当自变量JC无限趋近于+oo时，s形光子密度少无限趋近于"-c调节参数6的取值范围为a > 6 > 0 ; 权重参数c的取值范围为o0。所述S形光子密度调整方法，步骤如下步骤S1:计算被检测目标结构内每个象素的深度，并得到被检测目 标结构的最大深度N,;步骤S2:将自变量X在其取值范围内均匀采样，得到采样点JCw、、、义2禾口 A;步骤S3:将采样点x^、 Xf,、…、A和A分别代入S形光子密度 y ="-」^S中，分别得到S形光子密度为JV、 7am、…、h和乂；步骤S4:将所有属于第1层被检测目标结构的光子密度乘以系数乂，将所有属于第2层被检测目标结构的光子密度乘以系数A，以此类 推，将所有属于第N层的被检测目标结构的光子密度乘以系数;^ 。 所述被检测目标结构最大深度N大于2。所述自变量X的采样方向为从-00至+00。所述S形光子密度jv 〉jv-, >'''>少2 >3v所述被检测目标结构深度N为结构表面为第0层；结构内部与表 面最短的距离为1毫米的结构为第1层；结构内部与表面最短的距离为 2毫米的结构为第2层；以此类推，结构内部与表面最短的距离为n毫 米的结构为第n层。本发明所设计的检测装置，其核心内容为在光子密度信息转换器 中对被检测目标内的光子密度进行了 S形调整，从而可以有效降低浅层 结构和深层结构的光子密度对比度，进而提高近红外光谱成像装置对深 层结构的敏感度，同时降低近红外光谱成像技术的图像噪声，有利于提 高图像质量。本发明解决了近红外光谱成像设备对深层结构不敏感，图 像噪声较大的问题。本发明可以用于医疗设备领域及树木质量检测领 域。
附图1现有技术生物体重要成分对光的吸收曲线 附图2现有技术光子在生物体中的随机游走路径示意图 附图3现有技术光子密度分布示意图 附图4本发明基于S形光子密度调整的目标检测装置 附图5本发明实施例一种典形的S形曲线 附图6本发明实施例S形调整后的光子密度分布示意图 附图7本发明实施例乳腺组织内的肿瘤 附图8以往近红外光谱乳腺成像设备的成像效果图 附图9本发明实施例基于光子密度S形调整的乳腺肿瘤检测装置 的成像效果图具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实 施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。本发明实施例所设计的基于光子密度S形调整的乳腺肿瘤检测装置如附图4所示。在如附图4所示的装置中，正弦波发生器1产生正弦电信号；电-光转换器2将电信号转换为近红外光信号；近红外光通过激光光源探头 3入射检测目标；从检测目标内出射的部分光子被激光接收探头4接收； 光子密度计算器5计算检测目标内每一点上的光子数；光子密度信息转 换器6，将光子数经过S形调整转换为光子密度信息；成像装置7根据 激光接收探头测量的信号和光子密度信息对人体乳腺组织的吸收系数 进行成像:，并判断乳腺组织是否生长了肿瘤。正弦波发生器1为型号PD1640的信号发生器；电-光转换器2为普通近红外半导体激光器，所产生的近红外光为波 长范围为600纳米至950纳米的电磁波；激光光源探头3普通多模光纤，仅起传导近红外光的作用；激光接收探头4包含一硅光电二极管和普通多模光纤；光子密度计算器5用蒙特卡罗方法及C语言程序实现，所述光子密 度计算器5所得到的光子密度为在一个时间段内，通过指定部分被检 测目标结构的光子总数为指定部分被检测目标结构的光子密度。光子密度信息转换器6按照本发明所述的方法及C语言程序实现， 所述光子密度信息转换器6对接近被检测目标表面结构的光子密度和接 近被检测目标深层结构的光子密度分别乘以较小和较大的系数，且对光 子密度所乘的系数自被检测目标表面结构至被检测目标深层结构呈S形 增大；成像装置7，用C语言程序实现。本发明实施例所设计的基于光子密度S形调整的乳腺肿瘤检测装 置，其光子密度S形调整的具体实施方式
主要分为三个部分人体组织深度的计算方法；S形曲线的定义方法；S形调整的实施 步骤。1、人体组织深度的计算方法在实施基于光子密度的S形调整时，首先需要选定一部分人体组织 作为成像区域。在选定的这部分人体组织内，我们认为皮肤的深度为O。选定皮肤的深度为0是因为在实际操作中，人体组织的皮肤直接与激光光源探头3和激光接收探头4接触，其它部分的人体组织没有直接与激 光光源探头3和激光接收探头4接触。选定的成像区域内除皮肤之外的组织的深度定义方法为对每一个 除皮肤之外的点，计算它与所有皮肤上的点的距离；然后取它与皮肤上 的点的最短距离，作为它的深度。具体说来，取组织内与皮肤上的点的 最短距离为1毫米的点深度为1，所有深度为1的点的集合作为第1层; 取组织内与皮肤上的点的最短距离为2毫米的点深度为2，所有深度为 2的点的集合作为第2层；以此类推，取组织内与皮肤上的点的最短距 离为n毫米的点深度为n，所有深度为n的点的集合作为第n层。2、 S形曲线的定义方法光子密度信息转换器6的S形光子密度》本发明实施例所采用的 S形定义为如下的扩展形Sigmoid函数公式1中自变量;c的取值范围为-oo到+o0。S形光子密度Y的上极限由幅度参数"控制，当自变量x无限趋近于 -oo时，S形光子密度;;无限趋近于幅度参数a; 公式1中陡降参数"的取值范围为">0。在实际操作中，当血大于5时，y的值仅比y的下极限大10%以内， 当血小于-5时，少的值已经可以达到>;的下极限的90%以上，所以血的 取值在-5和5之间时，公式l可以达到较佳的效果；公式1中，当血》0时，少的下极限为幅度参数a。公式1中，当血《0时，y的下极限为a-("-6)/c。公式1中，幅度参数"的取值范围为">1。公式1中，调节参数6的取值范围为">6>0。公式1中，权重参数c的取值范围为o0。在满足以上条件的基础上，S形光子密度y的下极限由幅度参数"、 调节参数6、权重参数c控制，当自变量x无限趋近于+oo时，S形光子密度y的^极限"-r:大于0，且7的上极限大于;;的下极限。c一种典型的S形曲线如附图5所示。3、 S形调整的实施步骤基于光子密度的S形调整的实施步骤如下步骤一、根据人体组织深度的计算方法计算成像区域内每个点的深 度，并得到人体组织的最大深度W。为进行有效的S形调整，人体组织的最大深度W必须大于2时；步骤二、将x在其取值范围内均匀采样，得到采样点x^、 x^、、 x2禾口 X,。步骤三、将采样点X^、 Xfp…、X2和X,分别代入公式1所定义的S形函数中，分别得到h、 3V,、…、h和乂。步骤四、将所有属于第i层的人体组织的光子密度乘以系数;v将所有属于第2层的人体组织的光子密度乘以系数h，以此类推，将所有 属于第N层的人体组织的光子密度乘以系数;v 。 实施例一将附图3所示的光子密度分布图进行了 S形调整之后，光子密度分 布图如附图6所示。从附图6中可以看到对比附图3，人体内部深层 组织的光子密度有明显提高；对比附图3，浅层组织和深层组织的光子 密度对比度明显减小。在本实施例中，公式l中的参数分别为^5; 6 = 1.5 ;C = 1.5;^ = 1; xe[-5,5]。 实施例二附图7所示为人体乳腺内有一个半径为7.5毫米的肿瘤。附图8为 近红外光谱乳腺成像设备的成像效果。附图9为基于光子密度S形调整 的乳腺肿瘤检测装置的成像效果。对比附图8，可以看出附图9中的噪声大大降低，且所成肿瘤图像 更为集中。对比附图8、附图9和附图7，可以看出附图9相比附图8更接近 附图7，所以基于光子密度S形调整的乳腺肿瘤检测装置可以得到更高的图像质量，更利于乳腺肿瘤的诊断。在本实施例中，公式l中的参数分别为"=20; 6 = 1.5; C = 1.5;"1; xe;[-5，5]。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理 解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发 明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1. 一种基于S形光子密度调整的目标检测装置，其特征为一正弦波发生器(1)，用于产生电信号；一电-光转换器(2)，用于将电信号转换为近红外光信号；一激光光源探头(3)，将近红外光传导至被检测目标；一激光接收探头(4)，用于接收从检测目标出射的部分光子；一光子密度计算器(5)，用于计算检测目标内每一点上的光子数；一光子密度信息转换器(6)对光子数进行S形调整，用于生成光子密度信息；一成像装置(7)，根据激光接收探头的测量数据和得到的光子密度信息对被检测目标进行成像。
2、 根据权利要求l所述的检测装置，其特征为所述光子密度信息 转换器(6)对接近被检测目标表面结构的光子密度和接近被检测目标深 层结构的光子密度分别乘以较小和较大的系数，且对光子密度所乘的系 数自被检测目标表面结构至被检测目标深层结构呈S形增大。
3、 根据权利要求1所述的检测装置，其特征为电-光转换器(2) 所用近红外光的波长范围为600纳米至950纳米的电磁波。
4、 根据权利要求1所述的检测装置，其特征为所述光子密度计算 器(5)所得到的光子密度为在一个时间段内，通过指定部分被检测目标结构的光子总数为指定部分被检测目标结构的光子密度。
5、 根据权利要求2所述的检测装置，其特征为所述光子密度信息 转换器(6)的S形光子密度y包括_y = "-^4，其中c + e陡降参数"的取值范围为">0; 自变量;c的取值范围为-oo至+oo;S形光子密度少的上极限由幅度参数"控制，当自变量x无限趋近于-oo时，S形光子密度少无限趋近于幅度参数"；幅度参数a的取值范围为a〉l;S形光子密度;;的下极限由幅度参数a、调节参数K权重参数c控 制，当自变量x无限趋近于+oo时，S形光子密度7无限趋近于"-c调节参数6的取值范围为"> 6 > 0 ;权重参数c的取值范围为c > 0 。
6、 根据权利要求2所述检测装置的S形光子密度调整方法，其特征在于步骤如下步骤Sh计算被检测目标结构内每个象素的深度，并得到被检测目 标结构的最大深度N，；步骤S2:将自变量X在其取值范围内均匀采样，得到采样点J^、、…、"^2禾卩叉i;步骤S3::将采样点x^、 x^、…、X2和^分别代入S形光子密度 J^S中，分别得到S形光子密度为;^、 JV,、…、力和^; 步骤S4:将所有属于第1层被检测目标结构的光子密度乘以系数为，将所有属于第2层被检测目标结构的光子密度乘以系数力，以此类推，将所有属于第N层的被检测目标结构的光子密度乘以系数;v 。
7、 根据权利要求6所述的S形光子密度调整方法，其特征为所述被检测目标结构最大深度N大于2。
8、 根据权利要求6所述的S形光子密度调整方法，其特征为所述自变量X的采样方向为从-oo至十oo。
9、 根据权利要求6所述的S形光子密度调整方法，其特征为所述S形光子密度^w > >…> h > X 。
10、 根据权利要求6所述的S形光子密度调整方法，其特征为所 述被检测目标结构深度N为结构表面为第0层；结构内部与表面最短 的距离为1毫米的结构为第1层；结构内部与表面最短的距离为2毫米的结构为第2层；以此类推，结构内部与表面最短的距离为n毫米的结 构为第n层。
全文摘要
本发明公开基于光子密度S形调整的目标检测装置，要解决以往近红外检测设备对深层结构不敏感，检测效果差的问题。包括正弦波发生器、电-光转换器、激光光源探头、激光接收探头、光子密度计算器、光子密度信息转换器、成像装置。本发明对光子密度进行了如下调整对接近检测目标表面的光子密度乘以较小的系数；对接近检测目标深层结构的光子密度乘以较大的系数；所乘系数自检测目标表面至检测目标深层结构呈S形增大。S形调整可降低检测目标表面与检测目标深层结构光子密度对比度，提高近红外检测方法对深层结构的敏感度，降低图像的噪声，提高图像的质量，有利于乳腺肿瘤的诊断。该装置可用于女性乳腺肿瘤的近红外无创检测。
文档编号A61B5/00GK101264009SQ200710064390
公开日2008年9月17日 申请日期2007年3月14日 优先权日2007年3月14日
发明者吉利军, 蒋田仔, 青 赵 申请人:中国科学院自动化研究所