基于皮下测距的多光谱照射功率闭环调光系统

基于皮下测距的多光谱照射功率闭环调光系统
(一)技术领域
1.本发明涉及的是一种基于皮下测距的多光谱照射功率闭环调光系统，可用于皮肤表面不同深度的病变组织图像获取时的光照强度、波长的动态调整，以达到皮肤病变区域多层组织的图像数据获取时的精确照明光调节，属于皮肤影像学照明技术领域。
(二)

背景技术：

2.多光谱图像技术的优点在于可以获得比传统的rgb图像更多的图像信息和特征，能够为信息采集、分析以及处理提供更多更可靠的信息。尤其是近年来随着人体皮肤的生理和光学特性在不同波长下的特性被逐渐研究发掘，人们越来越多地在皮肤成像上开始利用多光谱光源技术。近年来基于多光谱照明的皮肤图像数据采集技术已经逐渐发展，目前多光谱的照明方式主要有三种，一种是利用窄带滤波片对宽光谱光源进行滤波，得到特定波长的光，然后进行照明，第二种是用光谱仪逐点扫描获取连续的多光谱图像，第三种是利用不同波长的led灯作为多种光谱的照明光光源。基于不同波长led灯作为光源的多光谱照明由于其结构简单、简单易用、成本较为低廉的特点逐渐被广泛使用。例如利用不同波长的led光源对人脸照射后获取多光谱人脸图像，能够更好地进行人脸识别训练数据，并得到更准确的人脸识别数据结果。又或者利用多光谱led光源对皮肤表面进行照射后，获取皮肤表画图像在多种波长下的图像，分析皮肤表面粗糙度等信息。但是单从皮肤最外层表面进行图像分析，只能获取单一的皮肤多光谱图像数据。同时，由于人体皮肤不同层次所含的黑色素、血红蛋白等物质不同，导致皮肤每一层对不同波长光的吸收和反射程度也不同。简单的照射会导致每次收集到的皮肤图像实际上的深入层次并不一致，或者层次混乱。但实际上皮肤的各种病变例如皮肤基底癌细胞病变在不同阶段不同皮肤层次会有不同的变化。如此一来，目前采用的开环的多光谱led照明无法精准得到皮肤不同层次的多光谱图像，便无法对不同皮肤癌变阶段导致的皮肤不同层次结构的生理信息进行精准的数据采集和判断。多光谱图像的采集和分析是进行基于多光谱成像下皮肤病变检测的前提条件，高质量的多光谱图像数据是进行皮肤检测的重要保证。皮肤病变区域的病变深度不同，导致简单的光照无法深入到内部区域。利用多光谱可调光照进行照射，并且融合精确的光照深度测量，能够对皮肤不同组织层进行精确的照明，对后期采集后的图像处理有很好的提升作用。
3.在实际应用中，尤其是医学图像获取的照明领域中，通常需要合适的光照来精准获取想要病例特性，从而诊断和治疗疾病。一般来说，波长越长穿透能力越强，在400nm处穿透的皮肤组织距离不超过1mm，514nm穿透的距离约0.5mm～2mm，630nm穿透距离约1mm～6mm。但是传统调光都是利用操作人员根据人眼感受来调光的强度，对于由于人眼对不同波长的灵敏度不同，无法准确获取所需要的强度的不同波长的光强。
4.虽然理论上人类皮肤不同层次对特定波长的光响应接近，但是不同人的皮肤受到肤色深浅不同、肥胖程度不同等影响，及时同样的波长光照，光照强度不同穿透的程度也不同。此外，皮肤图像信息获取往往应用在皮肤病变情况采集分析领域，但皮肤癌潜在的病变区域遍布人体全身，人体的各个区域的皮肤组织厚度也不尽相同，故需要针对不同波长的
光照的实际光线入射深度进行精确测量才能准确调整光照功率，从而针对性地对不同层次组织在各种波长光照下的图像数据进行采集。
5.在实际led灯照明相关应用中，led作为非线性元件，只有在高于正向导通电压才可以工作发光。但其电压和电流并非呈线性关系，需要对其电流加以限制，故led通常采用恒流驱动。传统的led照明采用固定的电流调光曲线，不同尺寸封装或者不同工艺生产的led的电流-亮度曲线均不相同，哪怕是同一批次的led，其受到生产条件和工艺的精密程度限制，在实际测试中，相同的电流其光强有微弱的差别。如果在应用到针对皮肤不同层次组织进行光照功率调节，无法精细控制光照强度。
6.为解决上述问题，2016年福建师范大学的朱小钦等人公开了一种皮肤创面诊疗一体化探头及其实现方法(cn201610319398.4)，利用装置中的环形led阵列发光对皮肤创面进行治疗，并用环形led阵列中心的抬头产生超短脉冲激光波长进行信息采集诊断。此装置中的led环形阵列为共阳极的红蓝绿三色led等，并用电位器进行光强调节。使用电位器控制led光强进行皮肤诊断治疗，光照强度全凭使用者的肉眼进行观察，强度并没有进行量化，无法准确控制led的光强，并且调节的led光强仪仪用于治疗，皮肤表面信息采用固定波长和强度的激光照明。
7.此外为了能够对皮肤不同层组织图像数据采集，针对照明光源的控制问题，2019年深圳大学彭晓等人公开了一种利用多波段led光源的皮肤检测装置(cn201921842359.8)，该装置运用多个led组成照明机构，通过装置手把上的开关能够进行切换不同波段的led，然后给二向镜反射led发出来的光，对皮肤病变区域进行照明。实现了多波段光的照明，能够对皮肤不同层面的进行较为针对性的图像采集。
8.但是在上述系统中，由于led为简单的通电亮灯，光照强度没有任何调节机构，无法调整每种波长led发出的光强。很容易产生采集图像过曝以及无法精确针对不同层次皮肤病变区域进行图像数据采集等问题。不同人的皮肤表面黑色素含量不同、皮肤含水量和脂肪含量也不同，这样会导致不同人相同层次的皮肤组织在某一个波长下相同光照穿透深度需要的光强也不同。故需要精确的针对特定波长的光源在皮肤组织中穿透深度进行测量后，反馈到led的光源驱动，通过led调光曲线进行电流功率的动态闭环调整，才能够准确产生能够对不同深度皮肤组织照射的精准光强功率。
9.本发明公开了一种基于皮下测距的多光谱照射功率闭环调光系统。可用来针对多光谱照明下不同层次的皮肤组织图像采集的精密照明调光，可广泛用于皮肤各层组织病变图像的获取辅助照明等领域。它采用一种利用皮下光束展宽测距的结构，将不同波长的光束摄入皮下，通过不同层次深度多次反射后展宽不同计算出光束摄入深度，从而动态调整该波长的光功率。与在先技术相比，由于对实际光束射入皮肤组织深度的测量，能够更加精确地调整不同波长光束对不同人体特定层次的穿透深度，利用此照明可以提高了皮肤特定组织图像采集的精确度，也进一步提高了皮肤组织在多光谱下图像获取的准确程度，能够进一步提高不同皮肤区域或者不同肤色、不同人的皮肤特定层次图像获取的准确度。
(三)

技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种适用于不同深度的皮肤组织病变图像采集辅助照明的基于皮下测距的多光谱照射功率闭环调光系统。
11.本发明的目的是这样实现的：
12.(权利要求1)该多光谱皮肤穿透照射功率闭环调光系统是由光控单元(1)、闭环功率放大模块(2)、led多路切换驱动(3)、多光谱led灯组(4)、光功率检测单元(5)、光路切换器(6)、主照明光纤束(7)、透镜(8)、图像采集存储装置(9)、分光纤束(10)、光纤准直器(11)、柔性粘性反光片(12)和展宽-深度换算单元(13)组成，所述系统中光控单元(1)能够发出低功率电压控制信号到闭环功率放大模块(2)进行功率放大，led多路切换驱动(3)将功率放大后的信号进行通道选择，输出到多光谱led灯组(4)内的多组不同波长的led发出特定强度和特定单一或组合波长的光，光功率检测单元(5)能够检测当前led光的光功率并实时反馈给光控单元(1)。
13.多光谱led灯组(4)发出的光线经过光路切换器(6)可分时分成两路，一路经过主照明光纤束(7)传导到透镜(8)照射皮肤作为照明光，另一路进入皮肤光照穿透深度测算单元进行皮肤光照深度测量，即另一路经过分光纤束(10)通过光纤准直器(11)射出。
14.柔性粘性反光片(12)贴在皮肤表面，并在特定区域开一个小孔和一个大孔，光纤准直器(11)射出的光经过特定角度倾斜射入柔性粘性反光片(12)的一个小开孔中，光在皮肤内部各层与柔性粘性反光片之间多次反射后从另一较大开孔后射出，通过利用展宽-深度换算单元(13)对射出的光进行展宽测量后，换算得到该波长强度光对皮肤照射深度，并将结果反馈给光控单元(1)，进而计算调整后的光强，图像采集存储装置(9)负责对皮肤对照射后进行照射区域皮肤图像采集和存储。
15.本系统需要对多光谱led灯组(4)内的灯珠的工作电流进行精确控制，多光谱led灯组内同波长的led灯单体功率较低，故同波长的led采用多个串联的方式，闭环功率放大模块3中包含功率放大模块内部主控(19)进行led灯的精确功率控制，功率放大模块内部主控(19)利用高精度的数模转换放大电路(20)输出控制电压，用来将v/i恒流源电路获得led灯的电流。
16.由于led灯在工作时会产生一定的温度，温度变化会导致其内部阻抗发生变化，控制led灯的电流先进入补偿网络进行控制电流的温度补偿，随后接入到输出接口(25)控制led，本系统的闭环功率放大模块需要输出高精度的电流，使用低阻金属合金检流电阻对led的电流进行采样。
17.如图4所示，本闭环调光系统采用电流环、光功率环和探测距离环三个闭环串级。
18.本系统中皮肤光照穿透深度测量原理为利用不同波长的光束在皮下组织和皮肤表面粘贴的柔性粘性反光片之间多次反射，若射入不同深度，则会多次反射后，射出光束的展宽也会不同，利用此原理计算后即可得出该波长光束在皮肤中的穿透深度。
19.如图5所示，皮肤表面粘贴柔性粘性反光片(12)，该反射片粘贴在皮肤的那一侧为反光材料，光路切换器将发出的光分时切换到分光线束中，通过光纤准直器以特定的一个角度α射入柔性粘性反光片(12)一端的开孔中，假设射入的深度为d，光线从准直器中射出的发散角为θ，反射次数为n，柔性粘性反光片(12)两端开孔距离为l，从反光片出射口射出的光斑半径为r，则得到反射次数为：光斑半径：通过推导，能够通过测量光斑半径r、发散角为θ、和入射角度α得到当前波长光线射入深度
d，
(四)附图说明
20.图1是基于皮下测距的多光谱照射功率闭环调光系统的结构示意图。光控单元(1)、闭环功率放大模块(2)、led多路切换驱动(3)、多光谱led灯组(4)、光功率检测单元(5)、光路切换器(6)、主照明光纤束(7)、透镜(8)、图像采集存储装置(9)、分光纤束(10)、光纤准直器(11)、柔性粘性反光片(12)和展宽-深度换算单元(13)组成。
21.图2是光功率检测单元的结构示意图。由光电二极管(14)、对数放大器电路(15)、滤波电路(16)、a/d转换电路(17)和光功率测量主控(18)组成。
22.图3是闭环功率放大模块的结构示意图。由功率放大模块内部主控(19)、数模转换放大电路(20)、升压电路(21)、v/i恒流源电路(22)、补偿网络(23)、高精度采样电路(24)、输出接口(25)和电源处理电路(26)组成。
23.图4是本功率闭环调光系统的串级控制方块图，本本闭环调光系统采用电流环、光功率环和探测距离环三个闭环串级回路。
24.图5是皮肤光照穿透深度测量原理示意图。
25.图6是基于皮下测距的多光谱照射功率闭环调光系统的一个实施例。
(五)具体实施方式
26.下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
27.图6给出了基于皮下测距的多光谱照射功率闭环调光系统的实施例。系统是由高性能可编程逻辑门阵列控制板(1)、闭环功率放大模块(2)、photomos继电器阵列(3)、350nm/450nm/550nm/650nm/750nm五种波长的led灯组4、光功率检测单元(5)、1x2光开关(6)、主照明光纤束(7)、透镜(8)、图像采集存储装置(9)、分光纤束(10)、可调光纤准直器(11)、pet镀铝(12)和展宽-深度换算单元(13)组成。所述系统中高性能可编程逻辑门阵列控制板(1)控制闭环功率放大模块(2)产生led的驱动电流。闭环功率放大模块(2)能够直接测量led实际流过的电流进行电流环闭环调整。高性能可编程逻辑门阵列控制板(1)控制photomos继电器阵列(3)切换多光谱led灯组(4)中特定的波长led进行发光。光功率检测单元(5)能够实时监测多光谱led灯组(4)中led发出的光强并传递相关参数给高性能可编程逻辑门阵列控制板(1)进行光功率环闭环调节输出电流。1x2光开关(6)分时切换光路到主照明光线束(7)和分光线束(10)。主照明光线束10传递的光通过透镜照射到皮肤后，交由图像采集存储装置(9)进行皮肤图像数据采集。分光线束(10)将光通过可调光线准直器11进行入射角度调整后，射入贴在皮肤表皮的pet镀铝(12)的入射开口，光束经过皮下多次反射后从pet镀铝(12)出射开孔射出，经过展宽-深度换算单元(13)计算得到照射深度，传递给高性能可编程逻辑门阵列控制板(1)进行探测距离环调节输出电流。
28.系统工作时，通过电流环、光功率环和探测距离环三个闭环串级回路最终得到精确的led照射功率。
29.系统中photomos继电器阵列(3)采用的是高容量、低接触电阻的继电器，接触电阻低至毫欧姆级别，对led控制的电流干扰降到最低。多光谱led灯组(4)内的led组合包括但
不仅限于350nm/450nm/550nm/650nm/750nm五种波长，可根据实际需求进行调整。