基于多模态光学的成像系统及成像方法

1.本公开涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于多模态光学的成像系统及成像方法。


背景技术：

2.随着科学技术的进步，多学科技术在医学领域的综合应用得到飞速发展，尤其是光学影像技术的应用，然而由于任何单一模态的光学影像都存在着自身难以克服的缺陷，不能提供全面准确的信息，而多模态的光学成像技术往往需要依托于复杂的成像系统及繁琐的运算。
3.因此，如何提供一种基于多模态且更精确高效的成像系统及处理方法是一个亟待解决的技术课题。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.基于上述问题，本公开提供了一种基于多模态光学的成像系统及成像方法，以缓解现有技术中单一模态的光学影像不能提供全面准确的信息，而多模态的光学成像系统复杂，计算繁琐等技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开的一个方面，提供一种基于多模态光学的成像系统，包括：光源单元，用于发出第一测量光和第二测量光；光开关，与所述光源单元相连，用于在第一测量光和第二测量光之间进行切换；多模态相机单元，用于采集所述第一测量光照射组织后生成的第一信号和第二测量光照射待测组织后生成的第二信号；以及图像处理单元，用于对所述第一信号和第二信号进行成像，得到基于多模态光学的图像。
8.根据本公开实施例，所述第一测量光的波长为550nm，带宽0.1nm以内的相干光。
9.根据本公开实施例，所述第二测量光为波长范围400-800nm的宽谱白光。
10.根据本公开实施例，所述光开关为两个输入，一个输出。
11.根据本公开实施例，所述多模态相机单元包括带通滤光片，所述带通滤光片的中心波长选自544nm，550nm，568nm，576nm，592nm和600nm。
12.根据本公开实施例，所述第一测量光照射组织后生成的第一信号为扩散散斑信号。
13.根据本公开实施例，所述第二测量光照射组织后生成的第二信号为扩散光谱信号。
14.根据本公开实施例，将多模态相机单元的成像视野调节为3cm
×
3cm，以相干光扫描中心为光源点，选取光源-探测点水平距离为10mm处的35
×
35像素区域作为roi，将此roi平均分为9个部分，每部分采用大小为7
×
7的空间窗提取经过校正的散斑衬比度后，进一步计算roi内9个部分统计量的平均值来计算准确的血流指数，并进一步得到区域血流拓扑图
像信息。
15.根据本公开实施例，对图像进行平滑、滤波去噪以及光强归一化，得到不同波长下的反射比图像r(λ)；采用基于光谱二阶导数的血氧重构算法，利用非线性拟合求得组织的血氧饱和度值，根据不同波长扩散光强度，可以进一步计算光在组织中传输路径上被血液吸收的比例，从而得到组织中血流含量，一方面可以为血流速度检测校正提供依据，另一方面，也可以利用血流含量对人体组织进行生理病理状态诊断；所采用的方法是基于光谱二阶导数的血氧重构算法，利用非线性拟合求得组织的血流体积，即：
[0016][0017]vblood
＝100(-1.4sdr3+4.82sdr
2-5.66sdr+2.38)；
[0018]
进行血流速度测量校正
[0019][0020]
其中，sdr为光谱二阶倒数值，r
λ
是在波长λ下的反射光强，flow
measured
是测量到血流速度。
[0021]
本公开的另一方面，提供一种基于多模态光学的成像方法，基于以上任一项所述的成像系统进行成像，所述成像方法包括：操作s1：发出第一测量光和第二测量光；操作s2：在所述第一测量光和第二测量光之间进行切换；操作s3：采集所述第一测量光照射组织后生成的第一信号和第二测量光照射待测组织后生成的第二信号；以及操作s4：对所述第一信号和第二信号进行成像，得到基于多模态光学的图像。
[0022]
(三)有益效果
[0023]
从上述技术方案可以看出，本公开基于多模态光学的成像系统及成像方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
[0024]
(1)可以同时处理相干光入射到组织后，经过组织散射后，从组织表面出射产生的扩散散斑信号，以及宽谱白光led光源入射到组织后，经过组织吸收及散射作用后，从组织表面出射产生的扩散光谱信号，实现了多模态信号成像，同时具有空间及光谱分辨能力。
[0025]
(2)系统可同时测量血流速度及体积，同时可以利用血流体积及多次散射模型，消除血流中红细胞多次散射对于速度测量的影响。
附图说明
[0026]
图1为本公开实施例基于多模态光学的成像系统的原理架构示意图。
[0027]
图2为本公开实施例基于多模态光学的成像方法的流程示意图。
具体实施方式
[0028]
本公开提供了一种基于多模态光学的成像系统及成像方法，该成像系统能够同时检测相干光入射到组织后，经过组织散射后，从组织表面出射产生的扩散散斑信号，以及宽谱白光led光源入射到组织后，经过组织吸收及散射作用后，从组织表面出射产生的扩散光谱信号，实现了多模态信号成像，同时具有空间及光谱分辨能力。同时该成像系统可同时测量血流速度及体积，同时可以利用血流体积及多次散射模型，消除血流中红细胞多次散射
对于速度测量的影响。
[0029]
在实现公开的过程中发明人发现，目前检测组织血流、代谢变化的装置多为单点测量，缺乏面成像及空间分辨能力，在测量中往往只能针对浅层组织测量，无法测量深层组织血流信号，或测量血流时没有考虑血流体积及其中红细胞多次散射的影响。
[0030]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0031]
在本公开实施例中，提供一种基于多模态光学的成像系统，可用于早期评估被测者尤其婴幼儿的脑功能，如图1所示，所述成像系统，包括：
[0032]
光源单元，用于发出第一测量光和第二测量光；
[0033]
光开关，与所述光源单元相连，用于在第一测量光和第二测量光之间进行切换；
[0034]
多模态相机单元，用于采集所述第一测量光照射组织后生成的第一信号和第二测量光照射待测组织后生成的第二信号；以及
[0035]
图像处理单元，用于对所述第一信号和第二信号进行成像，得到基于多模态光学的图像。
[0036]
在本公开实施例中，该系统可以同时检测相干光入射到组织后，经过组织散射后，从组织表面出射产生的扩散散斑信号，以及宽谱白光led光源入射到组织后，经过组织吸收及散射作用后，从组织表面出射产生的扩散光谱信号。其中涉及基于扩散散斑的血流检测方法，血管中红细胞的运动会导致出射光场的相位与变换，进一步会造成动态散射形成的电场时间自相关函数发生变化，从而产生动态干涉信号。在成像系统获取有一定空间范围内动态散射相干信号的基础上，通过模型及算法处理，可以计算得到血流速度。同时还涉及基于扩散光谱的血液含量检测方法，在本公开中，首先，根据不同波长扩散光强度，可以进一步计算光在组织中传输路径上被血液吸收的比例，从而得到组织中血流含量，一方面可以为血流速度检测校正提供依据，另一方面，也可以利用血流含量对人体组织进行生理病理状态诊断。进一步地，还涉及修正朗伯比尔定律校正血流检测，由于扩散散斑测量速度容易受到血流中红细胞多次散射影响，因此组织中血液体积在一定程度上也会影响流速测量结果，本发明中，利用扩散光谱成像方式，可以计算得到成像范围内血流体积，进一步可以用于血流速度测量校正。
[0037]
在本公开实施例中，所述光源单元包括相关激光光源和宽谱白光led光源；其中相干激光光源，波长为550nm，带宽0.1nm以内，主要用于测量组织中血流动态散射信号；宽谱白光led光源，波长范围400-800nm，主要用于测量组织中的血流含量。
[0038]
在本公开实施例中，光开关为光纤光开关，其包括两个输入，一个输出，主要用于切换相干激光器光源与宽谱白光led光源，
[0039]
在本公开实施例中，多模态相机单元主要包括多模态相机，所述多模态相机，用于采集扩散散斑信号及扩散光谱信号，本发明中，采用就有不同的带通滤光片获取光谱图像，根据血氧吸收特征，带通滤光片选为544nm，550nm，568nm，576nm，592nm和600nm。
[0040]
在本公开实施例中，图像处理单元包括图像生成及处理装置，主要由图像采集卡，图像传感器，及用于图像处理的计算机组成。
[0041]
该成像系统可以同时检测相干光入射到组织后，经过组织散射后，从组织表面出射产生的扩散散斑信号，以及宽谱白光led光源入射到组织后，经过组织吸收及散射作用
后，从组织表面出射产生的扩散光谱信号。
[0042]
在本公开实施例中，涉及基于扩散散斑的血流检测方法：
[0043]
将相机的成像视野调节为3cm
×
3cm，以激光(相干光)扫描中心(强度最大值)为光源点，选取光源-探测点水平距离为10mm处的35
×
35像素区域作为感兴趣区域(region of interest，roi)，将此roi平均分为9个部分，每部分采用大小为7
×
7的空间窗提取经过校正的散斑衬比度后，进一步计算roi内9个部分统计量的平均值来计算准确的血流指数，重复上述过程，可以得到区域内多个探测点的血流指数，并进一步得到区域血流拓扑图像信息
[0044]
在本公开实施例中，涉及基于扩散光谱血液含量测量：
[0045]
在400～700nm波段内，氧合血红蛋白(hbo)的吸收峰分别是414nm，540nm和576nm。去氧血红蛋白(hb)的吸收峰为433nm和557nm。在波长500nm，570nm和808nm下二者的吸光系数近似相等，属于不敏感波长；420nm，480nm和600nm下二者吸光系数差异较大，是敏感波段，是基于朗伯-比尔定律，某个波长下：
[0046]
a(λ)＝ε
λ
(hbo)
·chbo
·
l+ε
λ
(hb)
·chb
·
l+α
ꢀꢀ
(4-4)
[0047]
式中，a(λ)表示波长λ下的吸光度，ε
λ
(hbo)和ε
λ
(hb)分别为氧合血红蛋白，脱氧血红蛋白的摩尔吸收系数；c
hbo
，c
hb
和c
mel
分别为氧合血红蛋白，脱氧血红蛋白及黑色素的浓度。α表示其它吸收物质的吸收和散射对吸光度的影响，l表示光程，与波长λ无关。
[0048]
根据血红蛋白在可见光波段内的吸收特征确定6个最优波长对组织进行血氧反构，即544nm，550nm，568nm，576nm，592nm和600nm。在本文研究中，首先，利用多光谱成像技术获取在体组织的图像后，对图像进行平滑、滤波去噪以及光强归一化，得到不同波长下的反射比图像r(λ)。采用基于光谱二阶导数的血氧重构算法，利用非线性拟合求得组织的血氧饱和度值，根据不同波长扩散光强度，可以进一步计算光在组织中传输路径上被血液吸收的比例，从而得到组织中血流含量，一方面可以为血流速度检测校正提供依据，另一方面，也可以利用血流含量对人体组织进行生理病理状态诊断。所采用的的方法是基于光谱二阶导数的血氧重构算法，利用非线性拟合求得组织的血流体积v
blood
，即
[0049][0050]vblood
＝100(-1.4sdr3+4.82sdr
2-5.66sdr+2.38)
[0051]
在本公开实施例中，涉及基于修正朗伯比尔定律的在体血流检测校正：
[0052]
由于扩散散斑测量速度容易受到血流中红细胞多次散射影响，因此组织中血液体积在一定程度上也会影响流速测量结果，本发明中，利用扩散光谱成像方式，可以计算得到成像范围内血流体积，进一步可以用于血流速度测量校正
[0053][0054]
其中，sdr为光谱二阶倒数值，r
λ
是在波长λ下的反射光强，flow
measured
是测量到血流速度。
[0055]
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
[0056]
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于多模态光学的成像系统及成像方法有了清楚的认识。
[0057]
综上所述，本公开提供了一种基于多模态光学的成像系统及成像方法，该系统可以同时检测相干光入射到组织后，经过组织散射后，从组织表面出射产生的扩散散斑信号，以及宽谱白光led光源入射到组织后，经过组织吸收及散射作用后，从组织表面出射产生的扩散光谱信号，实现了多模态信号成像，同时具有空间及光谱分辨能力。系统可同时测量血流速度及体积，同时可以利用血流体积及多次散射模型，消除血流中红细胞多次散射对于速度测量的影响。
[0058]
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
[0059]
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
[0060]
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0061]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。