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结合高光谱的非直观 生物组织成像检测装置及方法

阅读：510发布：2022-10-06

专利汇可以提供结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置及方法，该装置包括宽光谱光源、液晶可调谐滤波器、起偏器、半透半反镜、物镜、1/4波片、检偏器以及CCD相机。该方法包括：搭建上述装置并使装置工作；电机控制起偏器以某一步长旋转一周，每旋转一个步长记录对应的CCD相机采集的光强图；不断改变液晶可调谐滤波器可透过的光波长，针对每一个光波长，采集对应的光强图；对光强图进行反演计算，获得每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像；根据非直观图像或光强图，获取光谱曲线图，之后由光谱曲线图检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织。本发明相对于普通的光谱分析，具有更高的对比度，能有效的区分生物组织中的不同组织，检测精度比较高。，下面是结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置，其特征在于，包括同轴依次设置的宽光谱光源(1)、液晶可调谐滤波器(2)、起偏器(3)、半透半反镜(4)，沿半透半反镜(4)反射光方向依次设置的物镜(5)、待测生物组织样本(6)，沿所述反射光经半透半反镜(4)透射后的光方向依次设置1/4波片(7)、检偏器(8)以及CCD相机(9)；所述起偏器(3)、检偏器(8)经电机控制进行旋转，其中起偏器(3)用于改变所述装置入射光的偏振态，检偏器(8)用于检测所述装置出射光的偏振态。
2.根据权利要求1所述的结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置，其特征在于，所述宽光谱光源(1)具体采用卤素光源。
3.根据权利要求1所述的结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置，其特征在于，所述CCD相机(9)具体采用面阵CCD相机。
4.一种结合高光谱的非直观生物组织成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、宽光谱光源发射光，光束依次经液晶可调谐滤波器、起偏器、半透半反镜、物镜入射至待测生物组织样本，待测生物组织样本的反射光依次经半透半反镜、1/4波片、检偏器成像至CCD相机；
步骤2、电机控制起偏器以步长Δθ旋转一周，每旋转Δθ记录对应的CCD相机采集的光强图；
步骤3、不断改变液晶可调谐滤波器可透过的光波长，针对每一个光波长，重复步骤2的过程，由此获得若干光强图；
步骤4、对步骤2和步骤3获得的光强图进行反演计算，获得每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像；
步骤5、根据每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像或光强图，获取光谱曲线图，之后由光谱曲线图检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织。
5.根据权利要求4所述的结合高光谱的非直观生物组织成像检测方法，其特征在于，步骤2所述Δθ＝30°。
6.根据权利要求4所述的结合高光谱的非直观生物组织成像检测方法，其特征在于，步骤4所述对步骤2和步骤3获得的光强图进行反演计算，获得待测生物组织样本的非直观图像，具体为：
步骤4-1、在某一入射光波长下，针对每一个像素点，获取不同偏振态下该像素点的光强值；
步骤4-2、将每个像素点视为一个线性双折射模型，根据每个像素点对应的所有光强值，求取该像素点处入射光与出射光的相位差δ，以及相位角所用公式为：
式中，I表示像素点的光强，I0为像素点对应的所有光强中的极大值，为归一化像素点的光强，α为入射光偏振方向与X轴的夹角，所述X轴为待测生物组织样本所在平面内任意一条方向确定的向量；
步骤4-3、自定义设置0°～360°与灰度值0～255的一一对应关系，根据该对应关系，将步骤4-2中的每一个像素的相位角映射为灰度值，由此获得所述入射光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像。
7.根据权利要求4所述的结合高光谱的非直观生物组织成像检测方法，其特征在于，步骤5所述根据每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像或光强图，获取光谱曲线图，之后由光谱曲线图检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织，具体为：
步骤5-1、针对每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像或光强图，选取感兴趣区域，求取该感兴趣区域的平均灰度值，以光波长为自变量、平均灰度值为因变量绘制光谱曲线图；
步骤5-2、选取若干不同的感兴趣区域，重复步骤5-1，获得若干光谱曲线图；
步骤5-3、对所有光谱曲线图进行对比，由此检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织，之后通过后续过程判断每一类组织为正常还是异常。

说明书全文

结合高光谱的非直观 生物组织成像检测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于生物组织特征分析处理领域，特别涉及一种结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置及方法。

背景技术

[0002] 光波是在原子运动过程中电子产生的电磁辐射，光谱是指光波通过色散系统后按照波长大小有序排列的图案。由于每种原子都有自己的独一无二的光谱，因此可以利用光谱去鉴别物质和确定物质的化学组成，这种方法叫做光谱分析。每种原子都有自己的特征谱线，通过将被测物质的光谱与每种元素的特定的标识谱线进行比较，就可以得到被测物质的化学组成，常应用于各种物质中微量元素的探测和发现。光谱分析对于区分两种物质主要靠对比谱线的吸收峰，而对于生物组织来说，碳、氢等元素占比大，吸收峰较为集中且相似，很难用以区分不同的生物组织。

[0003] 在现有的微观成像领域，纳米级分辨率的成像技术如扫描电子显微镜技术、原子力显微镜技术等对于生物组织有伤害，并且不能完整检测组织的结构，所以在光学成像测量中效率较低，检测难度较大。目前，出现了许多用于生物组织结构的成像的非接触型成像技术，例如激光多普勒成像(LDI)、光学相干断层成像(OCT)和计算机断层扫描(CT)。在LDI中，生物组织被波长约为780nm的激光照射,由于多普勒效应，移动的生物细胞发生频率偏移，导致我们得到的光强图都是分散的。从所得光谱中进行光强度的光谱分析，但这种方法从光谱中得到的信息太有限，无法满足生物组织成像和分析的要求，且这种方法只适用于有活性组织的检测。

[0004] 非直观成像与传统的直接利用光强度进行显微成像完全不同，非直观成像利用成像光路中光的偏振状态，光波相位等光矢量参数。这些光学参数变化直接表现了被测物质的结构和多维物化信息，通过对所测参数进行分析，拟合，根据拟合后的曲线获取被测物质的相关光学信息。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种结合非直观图像与高光谱以实现有效区分不同生物组织的装置及方法。

[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置，包括同轴依次设置的宽光谱光源、液晶可调谐滤波器、起偏器、半透半反镜，沿半透半反镜反射光方向依次设置的物镜、待测生物组织样本，沿所述反射光经半透半反镜透射后的光方向依次设置1/4波片、检偏器以及CCD相机；所述起偏器、检偏器经电机控制进行旋转，其中起偏器用于改变所述装置入射光的偏振态，检偏器用于检测所述装置出射光的偏振态。

[0007] 一种结合高光谱的非直观生物组织成像检测方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1、宽光谱光源发射光，光束依次经液晶可调谐滤波器、起偏器、半透半反镜、物镜入射至待测生物组织样本，待测生物组织样本的反射光依次经半透半反镜、1/4波片、检偏器成像至CCD相机；

[0009] 步骤2、电机控制起偏器以步长Δθ旋转一周，每旋转Δθ记录对应的CCD相机采集的光强图；

[0010] 步骤3、不断改变液晶可调谐滤波器可透过的光波长，针对每一个光波长，重复步骤2的过程，由此获得若干光强图；

[0011] 步骤4、对步骤2和步骤3获得的光强图进行反演计算，获得每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像；

[0012] 步骤5、根据每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像或光强图，获取光谱曲线图，之后由光谱曲线图检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织。

[0013] 进一步地，步骤4所述对步骤2和步骤3获得的光强图进行反演计算，获得待测生物组织样本的非直观图像，具体为：

[0014] 步骤4-1、在某一入射光波长下，针对每一个像素点，获取不同偏振态下该像素点的光强值；

[0015] 步骤4-2、将每个像素点视为一个线性双折射模型，根据每个像素点对应的所有光强值，求取该像素点处入射光与出射光的相位差δ，以及相位角所用公式为：

[0016]

[0017] 式中，I表示像素点的光强，I0为像素点对应的所有光强中的极大值，为归一化像素点的光强，α为入射光偏振方向与X轴的夹角，所述X轴为待测生物组织样本所在平面内任意一条方向确定的向量；

[0018] 步骤4-3、自定义设置0°～360°与灰度值0～255的一一对应关系，根据该对应关系，将步骤4-2中的每一个像素的相位角映射为灰度值，由此获得所述入射光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像。

[0019] 进一步地，步骤5所述根据每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像或光强图，获取光谱曲线图，之后由光谱曲线图检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织，具体为：

[0020] 步骤5-1、针对每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像或光强图，选取感兴趣区域，求取该感兴趣区域的平均灰度值，以光波长为自变量、平均灰度值为因变量绘制光谱曲线图；

[0021] 步骤5-2、选取若干不同的感兴趣区域，重复步骤5-1，获得若干光谱曲线图；

[0022] 步骤5-3、对所有光谱曲线图进行对比，由此检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织，之后通过后续过程判断每一类组织为正常还是异常。

[0023] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)相对于普通的光谱分析，本发明利用非直观量来进行光谱分析，由于非直观量不受光路中光阑等影响，仅反映样本自身的信息，所以能显著凸显两个不同组织间的差异，而不受测试光路的影响；2)非直观的光谱分析方法比常规光谱分析拥有更高的对比度，能有效的区分生物组织中的不同组织，检测精度比较高。

[0024] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

[0025] 图1为本发明结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置结构图。

[0026] 图2为发明结合高光谱的非直观生物组织成像检测方法的流程图。

[0027] 图3为本发明实施例中将起偏器以步长30°旋转、在620nm波长入射光下采集到的7张光强图；其中图(a)至图(g)分别为620nm波长入射光下起偏器旋转0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°对应的光强图。

[0028] 图4为本发明实施例中根据图3所采集的光强图计算得到的非直观图像，其中图(a)为样本参量的非直观图像，图(b)为样本δ参量的非直观图像。

[0029] 图5为本发明实施例中在某一已知样本光强图上选取3个位置用以分析非直观光谱的示意图，其中，位置1,2属于正常细胞组织，位置3属于感染、病变的异常组织；

[0030] 图6为本发明实施例中对图5中三个位置的光谱分析结果对比图，其中图(a)为常规光谱分析结果图，常规光指非偏振光；图(b)为本发明的非直观光谱图。

具体实施方式

[0031] 结合图1，本发明提出的结合高光谱的非直观生物组织成像检测装置，包括同轴依次设置的宽光谱光源1、液晶可调谐滤波器2、起偏器3、半透半反镜4，沿半透半反镜4反射光方向依次设置的物镜5、待测生物组织样本6，沿所述反射光经半透半反镜4透射后的光方向依次设置1/4波片7、检偏器8以及CCD相机9；所述起偏器3、检偏器8经电机控制进行旋转，其中起偏器3用于改变所述装置入射光的偏振态，检偏器8用于检测所述装置出射光的偏振态。

[0032] 进一步示例性地，上述宽光谱光源1具体采用卤素光源。

[0033] 进一步示例性地，上述CCD相机9具体采用面阵CCD相机。

[0034] 结合图2，本发明提出的结合高光谱的非直观生物组织成像检测方法，包括以下步骤：

[0035] 步骤1、宽光谱光源发射光，光束依次经液晶可调谐滤波器、起偏器、半透半反镜、物镜入射至待测生物组织样本，待测生物组织样本的反射光依次经半透半反镜、1/4波片、检偏器成像至CCD相机；

[0036] 步骤2、电机控制起偏器以步长Δθ旋转一周，每旋转Δθ记录对应的CCD相机采集的光强图；

[0037] 步骤3、不断改变液晶可调谐滤波器可透过的光波长，针对每一个光波长，重复步骤2的过程，由此获得若干光强图；

[0038] 步骤4、对步骤2和步骤3获得的光强图进行反演计算，获得每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像；

[0039] 步骤5、根据每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像或光强图，获取光谱曲线图，之后由光谱曲线图检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织。

[0040] 进一步地，步骤4中对步骤2和步骤3获得的光强图进行反演计算，获得待测生物组织样本的非直观图像，具体为：

[0041] 步骤4-1、在某一入射光波长下，针对每一个像素点，获取不同偏振态下该像素点的光强值；

[0042] 步骤4-2、将每个像素点视为一个线性双折射模型，根据每个像素点对应的所有光强值，求取该像素点处入射光与出射光的相位差δ，以及相位角所用公式为：

[0043]

[0044] 式中，I表示像素点的光强，I0为像素点对应的所有光强中的极大值，为归一化像素点的光强，α为入射光偏振方向与X轴的夹角，所述X轴为待测生物组织样本所在平面内任意一条方向确定的向量；

[0045] 步骤4-3、自定义设置0°～360°与灰度值0～255的一一对应关系，根据该对应关系，将步骤4-2中的每一个像素的相位角映射为灰度值，由此获得所述入射光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像。

[0046] 进一步地，步骤5中根据每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像或光强图，获取光谱曲线图，之后由光谱曲线图检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织，具体为：

[0047] 步骤5-1、针对每一个光波长对应的待测生物组织样本的非直观图像或光强图，选取感兴趣区域，求取该感兴趣区域的平均灰度值，以光波长为自变量、平均灰度值为因变量绘制光谱曲线图；

[0048] 步骤5-2、选取若干不同的感兴趣区域，重复步骤5-1，获得若干光谱曲线图；

[0049] 步骤5-3、对所有光谱曲线图进行对比，由此检测出待测生物组织样本中相同或不同的组织，之后通过后续过程判断每一类组织为正常还是异常。

[0050] 实施例

[0051] 本发明实施例采用的光源的波长为620nm，以步长30°旋转起偏器，共采集到某一已知其中组织的生物组织样本的7张光强图如图3所示，对光强图进行反演计算，获得该生物组织样本的非直观图像如图4所示。

[0052] 针对该生物组织样本的某一光强图，在图中标注三个已知组织为正常或异常的位置，分别利用常规光谱分析法以及本发明的方法进行光谱分析，结果如图6所示，对比图6(a)和图6(b)，可以看出：在常规光谱分析中，位置1，2，3的光谱曲线较为接近，对比度较低；而在本发明的非直观光谱中，位置3的光谱曲线与位置1,2相距甚远，对比度高，更容易区分位置1,2与3之间组织特性的不同。这是由于常规光谱分析的结果可能受显微物镜的渐晕、滤光器滤光效果空间不均匀等影响而使所对应位置的光谱曲线整体上下移动，在对比不同位置时，可能影响结果的判断；但非直观参量表征了样本自身的参数特性，与光源和成像光路无关，不会造成类似常规光谱对比时的谱线偏移，使分析结果更准确。

[0053] 综上，本发明相对于普通的光谱分析，具有更高的对比度，能有效的区分生物组织中的不同组织，检测精度比较高。

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