抬高預設電平的正交三角波頻率編碼的高光譜成像系統的製作方法

2023-07-17 15:26:16

本發明涉及成像系統領域，尤其涉及一種抬高預設電平的正交三角波頻率編碼的高光譜成像系統，該成像系統應用於乳腺組織樣本。

背景技術：

現有技術中通過光對物體內部進行成像，特別是對人體內部進行成像，具有無損無創無輻射的突出優點，但至今尚未有能夠進入家庭使用的乳腺透射成像光測量系統用於經常性的腫瘤自檢，其原因在於現有乳腺成像系統的成本高、運算複雜、精度有限，無法滿足實際應用中的乳腺自檢需要。

為了提高圖像測量質量，現有技術中的公告號為CN 104799817 A，公告日為2015年7月29的專利申請利用正交三角波作為激勵信號來提高成像質量。

發明人在實現本發明的過程中，發現上述現有技術中至少存在以下缺點和不足：

由於現有的成像系統無一例外地均採用模數轉換器，模數轉換器在靠近輸入極限(最大或最小幅值)時存在顯著的非線性，特別是輸入模數轉換器的模擬信號電平越低，得到的數字轉換結果的不確定度越大。

因此，採用純淨正交三角波作為激勵信號時，在正交三角波的低電平部分得到的數位訊號的信噪比就很低，從而影響了圖像的總體信噪比。

技術實現要素：

本發明提供了一種抬高預設電平的正交三角波頻率編碼的高光譜成像系統，本發明通過將正交三角波調整為抬高預設電平的正交三角波，提高了圖像的總體信噪比，詳見下文描述：

一種抬高預設電平的正交三角波頻率編碼的高光譜成像系統，所述成像系統應用於乳腺組織樣本，包括：一組單色光源和攝像頭分別分布在乳腺組織樣本的兩側，每個單色光源成線性排列，採用透鏡匯聚成一束光，構成光源；一個攝像頭構成光源接收器件；

採用不同頻率且成2倍比率關係抬高預設電平的正交三角波分別驅動一組單色光源中的各個單色光源，攝像頭接收到的圖像中每個像素點是每個單色光源透過乳腺的單色光組合；

在攝像頭採集圖像的過程中，噪聲水平沒有發生變化，但作為驅動的正交三角波信號由於抬高了預設電平，在正交三角波信號的低電平部分，正交三角波信號相較於噪聲改善明顯，從而提高了在正交三角波信號低電平段，攝像頭獲取到圖像的信噪比，進而提高了輸入到計算機中的單色光組合的精度；

計算機對單色光組合進行分離得到單色光組合中的各個單色光源的貢獻，據此實現對乳腺組織樣本的透射高光譜圖成像。

其中，作為驅動的正交三角波信號由於抬高了預設電平，在正交三角波信號的高電平部分，提高了攝像頭獲取到圖像的信噪比。

其中，預設電平的取值為攝像頭採集的圖像動態範圍一半以上最佳。

所述單色光源、所述攝像頭在所述乳腺組織樣本兩面對稱設置。

其中，所述單色光源為雷射二極體；或所述單色光源為單色二極體。

進一步地，所述攝像頭為手機攝像頭。

本發明提供的技術方案的有益效果是：本發明採用不同頻率且成2倍比率關係抬高預設電平的正交三角波驅動單色光源，對攝像頭檢測到的光電信號進行分離可以得到單色光組合中的各個單色光源的貢獻，進而實現對乳腺組織樣本的成像，相較於背景技術中的公告號為CN 104799817A，公告日為2015年7月29的專利申請，本發明顯著地提高了在正交三角波信號低電平段的圖像的信噪比，進而改善了攝像頭獲取到圖像的質量；進而提高了輸入到計算機中的單色光組合的精度，據此實現對乳腺組織樣本的透射高光譜圖成像。本發明實現了高速度、大信息的高精度測量，且本發明提供的系統具有成本低、應用方便等優點，適宜於家庭自檢。

附圖說明

圖1為本發明提供的抬高預設電平的正交三角波頻率編碼的高光譜成像系統的結構示意圖；本發明以該成像系統應用於乳腺組織樣本為例進行說明。

圖2為本發明提供的單色光源、乳腺組織樣本和攝像頭相對位置示意圖；

圖3為本發明提供的抬高預設電平正交三角波的示意圖。

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

1：一組單色光源；2：透鏡；

3：乳腺組織樣本；4：攝像頭。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

一種抬高預設電平的正交三角波頻率編碼的高光譜成像系統，參見圖1和圖2，該成像系統應用於乳腺組織樣本，成像系統包括：一組n個單色光源1(用LD表示，單色光源的波長處於600～1200nm之間，此波段為「光學窗口」，穿透深度比較深)和一個攝像頭4，(其中，n的具體取值與乳腺組織樣本3對不同波長的敏感程度相關，本發明實施例對此不做限制)；一組單色光源1分布在乳腺組織樣本3的一側，一個攝像頭4分布在乳腺組織樣本3的另一側；

其中，一組單色光源1中的每個單色光源LD1…LDn成線性排列，採用透鏡2匯聚成一束光，構成線陣光源；攝像頭4構成多波長光源接收器件，攝像頭4為CMOS或CCD，現有攝像頭4已能採集近紅外波段的光。該成像系統還包括與攝像頭4外接的計算機(圖中未示出)。

參見圖3，採用不同頻率且成2倍比率關係抬高預設電平的正交三角波分別驅動一組單色光源1中的各個單色光源LDi，攝像頭4進行採集，採集到的圖像中，每個像素點為每個單色光源LDi透過乳腺組織樣本3的單色光組合Iij。

本發明實施例抬高預設電平後，在攝像頭4採集圖像的過程中，噪聲水平沒有發生變化，但作為驅動的正交三角波信號由於抬高了預設電平，在正交三角波信號的低電平部分，正交三角波信號相較於噪聲改善明顯，從而提高了在正交三角波信號低電平段的圖像的信噪比；相較於背景技術中的公告號為CN 104799817 A，公告日為2015年7月29，以純淨正交三角波作為激勵信號的專利申請，本發明實施例顯著地提高了在正交三角波信號低電平段的圖像的信噪比，進而改善了攝像頭4獲取到圖像的質量。

另外，由於抬高預設電平，噪聲水平沒有變化，在正交三角波信號的高電平部分，正交三角波信號相較於噪聲也有一定的改善，提高了在正交三角波信號高電平段的圖像的信噪比。

進而，由於攝像頭4獲取到的圖像(其中，攝像頭4接收到的圖像中每個像素點是每個單色光源透過乳腺組織樣本3的單色光組合)的信噪比整體增強，使得輸入到計算機中的單色光組合有較高的精度。

其中，預設電平的取值優選攝像頭4採集的圖像動態範圍一半以上時，信號大於等於1/2圖像動態範圍，通過攝像頭4採集到的信號的失真小、圖像質量高。

計算機對單色光組合Iij進行分離可以得到單色光組合Iij中的各個單色光源LDi的貢獻，構成各波長下的透射圖像。根據各波長下乳腺組織樣本3中正常組織、腫瘤組織等的光學特性不同，進行乳腺組織樣本3的透射光成像測量，實現腫瘤的早期檢測。

其中，計算機對單色光組合Iij進行分離可以得到單色光組合Iij中的各個單色光源LDi的貢獻的步驟具體為：

1)假設以驅動單色光源的LDj最高頻率fmax的4M倍速度對光電信號進行採樣fs＝4M×fmax，獲取採樣信號x(m)，其中M為大於等於1的正整數；

2)計算機將分別對各個波長對應的每個正交三角波周期內的正、負半個周期內的採樣信號進行累加，累加結果進行求差運算；

即，將一定時間(整數個正交三角波周期)內的每個正交三角波的正半個周期的採樣值累加得到累加和，每個正交三角波的負半個周期的採樣值累加得到累加和，這兩個累加和相減。

3)將上述各個波長的差值進行k個周期或整數倍k個周期累加，其中：

式中：fmin為激勵正交三角波中的最低頻率；a為預設常數，取值為大於或等於1的正整數，a/fmin為下抽樣的周期；fn為所處理波長的正交三角波激勵頻率。

對幅值為x的被採樣值，如果在一定的時間內均勻採樣N(>>1)點並進行平均，得到的平均值是

其中，[x]是模數轉換器對x進行量化，也即按四捨五入圓整得到的正整數。xi是第i點的幅值，[xi]是模數轉換器對xi進行量化，也即按四捨五入圓整得到的正整數。

(3)式表明，對一個比較「乾淨」的信號採樣多次進行平均，並不能提高其精度，所得到的平均值的誤差與單次採樣的誤差相同，為Δxi。

如果對幅值為x的被採樣鋸齒波，同樣在一定的時間內均勻採樣N(>>1)點並進行平均，得到的平均值是

其中，xi＝mi+Δxi，mi＝[xi]。也即mi是圓整得到正整數，而Δxi是被四捨五入後丟去的「隨機」誤差。

(4)式可以進一步利用等差級數求和公式得到：

(5)式中的前一項是量化後的值，雖然比(3)式的結果小了一半，但按照誤差理論，一個數據的精度並不因乘以一個固定非零常數而改變。但後面一項中是零均值的隨機數，相比(3)式中的要降低倍，因此，對鋸齒波或正交三角波激勵信號進行過採樣後同樣可以得到提高精度的效果，且不需要另外加高頻擾動信號。