高度混濁介質的多波長成像的製作方法
2023-06-01 18:05:26 1
專利名稱：高度混濁介質的多波長成像的製作方法
技術領域：
本發明涉及混濁介質的成像，特別是涉及混濁介質的多波長成像。
背景技術：
混濁介質的光成像一般包含將光發射到介質中；檢測從介質中傳出的光；以及分析檢測到的光，以推斷介質內部物理結構的存在和/或特性。當前對混濁介質光成像的興趣源於對安全和非侵害性的生物醫學診斷技術的需求。生物組織的光學特性是基於光學的生物醫學診斷技術的核心。在任一混濁介質的一般情況下，光在生物組織中的傳播方式取決於它的吸收和擴散特性。一般地，當橫貫異常組織的光的吸收和/或擴散不同於在正常組織中時(如由於異常而導致的生理或形態變化)，在正常和異常狀態之間就可能出現光學差異。該原理的具體應用是光學乳房X線照相術，其中基於光學特性，腫瘤會不同於正常的胸部組織。
生物醫學的光成像是基於這樣的事實，即，光在混濁介質(比如生物組織)中的傳播取決於該介質的吸收和擴散特性。吸收是由介質中組成的原子和分子的能級躍遷造成的，其取決於材料以及探測波長。擴散是由介質中存在的不同結構的折射率變化造成的，其取決於該結構在探測波長上的折射率以及該結構相對於探測波長的相對大小。當由於光的漫透射率導致的通過介質吸收和擴散入射光時，入射光強度、相干性和極化等特徵也隨之變化。具體地，散射使得一校準後的雷射束在一相當大體積的元件(element)上擴展，從而使混濁介質的成像變得複雜。
散射介質內部的光子傳播軌道可僅根據統計來預計。除可能被吸收之外，光子還會遇到許多散射事件，如圖1所示。在高度散射和弱吸收的厚片介質比如人體胸部中，多數光子在組織中僅傳播幾毫米之後就反射回入口表面。其他光子由介質吸收，或者傳輸到能夠檢測它們的輸出表面。在一般的胸部厚度和光學參數情況下，0.01％至1％的入射光子傳輸到輸出表面。
傳輸的光子可分離成三類彈道光子，其不經散射就到達輸出表面；蛇行光子，其略微散射但仍保持近似直線的軌道；以及漫射光子，其廣泛散射，並且在顯現之前會覆蓋一相當大體積(volume)的元件(element)。這三類光子的每一類所遵循的實例軌道如圖1所示。
彈道光子不經歷任何散射，因此能夠產生高度混濁介質比如生物組織內部的高清晰圖像。不幸的是，在許多情況(比如對於一般胸部厚度和光學參數)下，傳輸並不足夠的彈道光子用於成像。蛇行光子具有近似直線的軌道，並且數量充足以便產生相對清晰的圖像。蛇行光子和漫射光子可通過它們到達輸出表面的時間相互區別。當在入口表面將光脈衝注入到混濁介質中時，其組成光子彼此分離，並沿著不同軌道傳播。傳播最短距離的光子(即蛇行光子)以最短的傳播延遲到達輸出表面，並因而在軌道較長的漫射光子之前被檢測到。因此，蛇行光子可通過它們到達檢測器的較短時間而被分離，並用於構建一圖像。這項技術的發展稱為「時間門控(time gating)」，引發了對90年代早期的光學乳房X線照相術興趣的恢復。
有利的是，時間門控包含對檢測器接收到的光進行時域分析。出於生物醫學成像的目的，這種時域分析和成像優選為基於在一組織樣本(或任何其他混濁介質)傳播的光的時序點擴展函數(Temporal Point Spread Function)(TPSF)。按照現有技術，該TPSF描述了一超短脈衝的光在一散射介質傳播時所經歷的時序散度。這樣，如圖1所示，光脈衝的光子遵循介質中的不同路徑，並因此經歷不同的傳播延遲。其結果是當脈衝在介質中傳播時的光脈衝在時域中的擴展。對到達檢測器的脈衝的TPSF進行評估有助於對介質的吸收和散射光學參數以及衰減進行評估。此外，蛇行光子可被檢測並用於對介質內的物理結構成像。
一般地，定義三個參數以描述散射介質如生物組織的光學特性吸收係數(μa)；散射係數(μs)以及各向異性因子(g)。吸收係數(μa)表示光子在每單位長度吸收的概率。散射係數(μs)表示光子在每單位長度散射的概率。最後，各向異性因子(g)描述與散射過程相關的傳播方向的平均變化。
除上述三個參數之外，定義「減化散射係數」(μs』＝μs(1-g))常常很有用，該係數表示一段平均距離，光子在該距離上支持(sustain)足夠數量的散射事件以使它的傳播方向隨機化。減化散射係數(μs』)是散射係數(μs)的各向同性等價參數，尤其適用於厚組織的情況。量(μa)和(μs』)是高度渾濁介質中通常使用的兩個光學參數。
在生物醫學光成像中，可產生兩類圖像3D重構圖像和2D投影圖像。3D重構圖像利用X線斷層攝影術產生，該攝影術一般是基於包含大量檢測器的多點幾何學。其優點在於可產生3D圖像。然而，測量和重構可能很耗時。2D投影圖像是通過掃描穿過輸入表面的小塊截面雷射束，並檢測從輸出表面的小塊面積中傳出的光來產生，如圖2所示。該掃描技術具有的優點是速度快並且兼容於時間分辨測量(如使用時間門控檢測蛇行光子)。然而僅限於二維信息，檢測到的光給出關於在整個視線上延伸的體積(volume)的信息，該視線連接雷射束的輸入點和檢測器。如圖2所示，其中虛線內的陰影區域表示檢測到的光子最可能傳播通過的體積。該體積的形狀可考慮這樣理解，即所有光子在相同點進入散射介質，所有檢測到的光子經過正對著檢測器的小塊區域離開該介質。另一方面，散射使得檢測到的光子從連接雷射源和檢測器的徑直視線漂移開，該漂移在雷射源和檢測器之間的一半距離(half-distance)處最大。縱向信息可在這樣一種配置下得到，即通過掃描檢測器位置或實質上通過利用如雙重空間積分(DST)或多視場技術(MFOV)等方法。
如上所述，光子的散射和吸收都高度依賴于波長。此外，時間門控成像技術需要一具有尖銳導向邊沿的短輸入光脈衝。結果，用於對高度混濁介質成像的常規技術是利用雷射產生輸入脈衝。該雷射產生的光的特徵是具有很窄範圍的波長，所有這些波長在混濁介質內經受基本上一樣的散射和吸收。這種配置的缺點在於，多數混濁介質(以及特別是生物組織)的光學特性高度依賴于波長。通常，調節該雷射以使輸入的光脈衝在介質內經受最小的散射，因此使可用於檢測器的光為最大數量。然而，這樣做就會丟失至少一些關於內部結構的信息。
因此，仍很需要一種通過利用多個波長以使高度混濁介質圖像質量最優化的技術。
發明內容
本發明的一目的在於提供一種高度混濁介質的多波長成像方法。
因此，本發明提供一種高度混濁介質內部結構的多波長成像方法。按照本發明，在一組預定波長中的每個波長上對內部結構成像，以產生相應的、由各圖像組成的一組圖像，所述波長組包含至少兩個預定波長。然後合併該組圖像以產生一對應的融合圖像。
按照本發明的多波長成像提供一種用以改善高度混濁介質中的包涵物差異的工具。具體地，可使用幾個波長產生相應數量的高度混濁介質的圖像，並且隨後合併這些圖像。對於光學乳房X線照相術，可使用兩個策略第一策略使用兩個波長(比如755和800納米)；而第二策略使用四個波長(比如755、800、930和975納米)。可使用常規的KL變換得到該組圖像的三個主要成分，然後可使用偽彩色技術將所有信息合併在單個組成圖像中。
從如下結合附圖的詳細說明中，本發明進一步的特徵和優點將會很明顯，在附圖中圖1說明經過散射介質傳輸的三類光子的典型軌道；圖2說明用於經過混濁介質成像的掃描系統；圖3說明脂肪組織(藍色)和腺體組織(綠色)的傳輸光譜；圖4說明癌症(黑色)和腺體(綠色)胸部組織的透射率(％)；圖5說明圖像差值技術，該技術合併在可區分波長上獲取的兩個圖像，以加強只有在一個圖像中可見的特徵；圖6說明偽彩色技術，該技術將三個圖像合併為一個彩色圖像，其特徵按照它們在輸入圖像中的強度而著色；圖7A-F說明利用圖像差值(圖7D)、偽彩色(圖7E)和KL變換(圖7F)，仿真不同波長的組織幻象的三次掃描的圖像融合結果(圖7A-C)；圖8說明利用圖像差值(圖8C)、偽彩色(圖8D)和KL變換(圖8E)，在不同波長(圖8A-B)下獲取的人體胸部的兩次在活的有機體內的掃描中的圖像融合結果。
注意類似特徵在附圖中以類似標號標識。
具體實施例方式
本發明提供一種用於高度混濁介質的多波長成像方法。為了描述，本發明通過用於乳房X線照相術的優選實例來詳細描述。然而有利的是，本發明可等同應用於任一混濁介質的成像。因此應當理解，下述實例並不限制本發明的範圍。
如上所述，混濁介質特別是生物組織的光特性，會依賴其成分而隨波長變化。通過適當選擇兩個或更多波長，可利用該不同的波長依賴性，增強不同組織類型之間的對比，並且改善組織識別。通過合併在每個波長上產生的圖像，可強調內部特徵，從而改善光對比、組織差異和更好的組織識別。有利的是，在特定應用中使用的具體波長將優選為基於觀察得到的混濁介質的光學特徵和特別感興趣的任何特定包涵物(即內部結構)來選定。
例如，在光學乳房X線照相術中，需要區別兩種主要的胸部組織類型(腺體和脂肪)，並且區別健康和癌症組織。腺體和脂肪組織可通過分光鏡容易地區別。特別地，脂肪組織具有一大塊水成分，其光譜很大程度上與水的光譜相似，而脂肪組織主要由具有較小水成分的油脂組成，這些油脂是從脂肪酸衍生而來。
脂肪和腺體組織的光譜如圖3所示。應當強調的是，圖3僅用以說明關于波長的相對峰值位置，而不能使用其衰減水平，即使是定性的，因為給定樣本在任一波長上的衰減值取決於樣本厚度和散射特性。可通過檢查組織光譜來觀察兩個主要特徵。一特徵是脂肪組織在610至925納米之間透射率的恆定性，該恆定性是與觀察到的腺體組織在相同範圍上的透射率遞減相比而言的。另一特徵是在脂肪組織中觀察到930納米處的峰值，該峰值由油脂中的C-H結合導致，在腺體組織中觀察不到，但是在腺體中看到975納米處的水峰，在脂肪組織中卻看不到。
因此將看到，975納米處的成像胸部組織會強調腺體組織，而脂肪組織會在930納米的成像波長處檢測到。可選地，也可以利用脂肪組織在925納米和610納米之間的光學特性的恆定性。這時，可使用多波長或減法成像(如下所述)，區別脂肪與其他組織類型。
在現有技術中，癌症組織的生長與宿主組織中的許多效果有關。一個這樣的效果是血管新生，其是指通過腫瘤釋放腫瘤血管新生因子(TAF)，在宿主組織中引入新的血管形成和生長。這種過多血管分布具體表示在緊繞該腫瘤的區域中，如表1所示。
表1不同組織中的平均紅血細胞濃度(RBC)這種效果可通過使用血紅蛋白的吸收峰值作為成像波長而使用於光成像中。血紅蛋白的等吸收點800納米是這種波長，在該波長上氧化血紅蛋白(HbO2)和去氧血紅蛋白(Hb)的吸收係數相等，因此給出組織中全部血紅蛋白(以及血液)內容的指示。去氧血紅蛋白(Hb)在755納米處具有弱吸收帶。此外，在腫瘤中(在活的有機體內)觀察到比健康組織中程度稍低的氧化。實際上，可以定義一2維空間，其中HbO2/Hb和全部血液在正交軸上描繪。已發現惡性組織在該氧化/去氧-全部血液體積空間中佔有非常明確的區域。因此，合併分別在755納米和800納米波長上產生的圖像，可用來使用血管新生的效果和提升的Hb濃度，以便強調癌症和健康組織之間的對比。
圖4示出分別帶有氧化和去氧血紅蛋白的兩個組織樣本的光譜。對於圖3的光譜，這些光譜並未進行厚度修正，僅用於說明峰值在波長軸上的位置。
應當注意，在所有情況下，利用吸收特性來區別組織類型。這是因為散射係數的大小隨著波長的增加而緩慢減少，並且與組織類型無關，而吸收係數則取決於組織成分。
按照本發明，利用不同波長產生的圖像，合併成一強化了可用信息的單個彩色圖像。該類型的數據處理也可稱為「圖像融合」。可使用三種可選的圖像融合技術，即圖像差值；偽彩色；以及KL轉換。
圖像差值是指這樣的技術，其中一個圖像逐個像素地從另一圖像中減去，得到一最終圖像。僅在一個波長上可見的任何特徵，即它們僅出現在一個圖像中，也會在最終的融合圖像中看到。相反地，兩個圖像共有的任何特徵被減去，因而在融合圖像中看不到。因此，該圖像差值技術對於識別兩個圖像之間的差異特別有用。
實際上，每個圖像可著色為一強度可變的單色(比如8位灰階)圖像。然後可進行簡單的逐個像素的差值運算，並且修正結果值，以便符合預期範圍(比如256灰度級)，用於顯示在監視器上。如果需要，可使用一色彩映射用以將結果轉換為一彩色圖像，該映射使編號的灰度級相關於一給定色彩集。
該圖像差值技術的簡單變化是使用圖像均化，其中融合圖像的每個像素的強度計算為(兩個或多個)源圖像的每個圖像中對應像素的強度均值，同時對圖像差值進行色彩編碼。
偽彩色技術可用以將三個圖像合併為單個融合彩色圖像。使用該技術，每個圖像使用三個顯像基色(即紅色、綠色和藍色)的各個顏色，可著色為一強度可變的單色圖像。例如，對應于波長1的圖像可著色為強度可變的單色紅色，其每個像素分配有一(比如8位)強度級。以相同的方式，波長2和3的圖像可分別著色為單色綠色和藍色，其特徵分配有合適的強度。在這種配置下，三個圖像提供常規24位/像素RGB彩色顯示圖像的紅色、綠色和藍色成分。這樣，這些圖像就可以容易地合併或融合成一可屏幕顯示的彩色圖像，其中按照三個基色的最後混合，對特徵進行。例如，在紅色和綠色圖像中很明顯而在藍色圖像中不明顯的特徵會在融合圖像中顯示為黃色陰影。注意的是，如果僅考慮兩個波長，則使用兩個基色，第三色的每個像素設置為零(或黑色)，以便不影響融合圖像的產生。
如上所述，已發現惡性組織在全氧化/去氧血液體積空間中佔據很明確的區域。因此，可使用偽彩色技術精密識別惡性組織的存在和位置。特別地，通過在755納米(去氧血紅蛋白一Hb)、800納米(全部血液)產生圖像集，融合圖像的每個像素將映射至全氧化/去氧血液體積空間中的確定位置。然後可在顯示監視器上突出映射至已知與惡性組織相關的區域中的像素。
最終的圖像融合技術使用KL變換，該KL變換最初是作為用於Karhunun和Loeve的連續隨機過程的級數展開引入的。作為主要成分的方法也是公知的，並且將多個圖像處理為一個整體是很理想的。
KL變換運算如下。假設在各不同波長上獲得N個圖像，每個圖像有P個像素，這些圖像寫作矢量成分V1…VN。圖像的N×N自相關矩陣R根據如下等式計算R[i][j]=1PP=1PVi[p]*vj[p]----(1)]]>其中i，j∈[1，N]。
Jacobi算法用於計算自相關矩陣R的N個特徵值和特徵向量。然後，按照對應的特徵值D1…DN存儲特徵向量V1…VN。
KL變換包括分類的特徵向量V1…VN與原始圖像V1…VN的交叉相乘，從而得到一組新的圖像k1…kN，每個圖像有P個像素knp=1255i=1NVn[i]*vj[p]---(2)]]>其中n∈[1，N]，p∈[1，p]。
這N個變換後的圖像是無關聯的。而且，變換後的圖像組按照能量的降序排列。一般地，第一組三個圖像k1，k2，k3描述N個原始圖像的95％以上。該特性使得從KL變換得到的第一組三個圖像適用於使用偽彩色技術的圖像融合的候選。
因此最後的步驟包括用各基色著色三個圖像k1，k2，k3的每一個，然後在顯示器上合併三個著色後的圖像以生成最終的融合圖像。如果需要，可使用常規的LUV彩色系統(而非RGB)，以優化普通人對微小色彩差異的感知敏感度。而且，也可以該技術中公知的方式，通過直方圖均衡化完成圖像增強。
這裡給出兩組試驗的結果，它們用合成的幻象和在活的有機體內的狀態下，比較前面給出的三種圖像融合技術。
第一試驗是基於一組織幻象的三次掃描，該組織幻象包含不同光學特性的三種包涵物。在每次掃描之間，反轉包涵物的位置以仿真波長變化的效果。圖像差值、偽彩色和KL變換技術應用於得到的圖像。如圖7所示的這些測試結果清晰地示出包涵物差異的改善與有效的數據縮減技術。注意KL變換特別適用於多波長成像。
第二試驗開始為在兩個波長上(753納米和800納米)從人體胸部獲取在活的有機體內的掃描。然後利用圖像差值、偽彩色和KL變換技術處理圖像。圖8給出了從兩次掃描中得到的圖像融合結果。色彩映射已應用於圖像差值(像素差從藍色增至綠色、黃色、然後橙色、最後紅色)。在前面的試驗中，該融合提供了圖像特徵的突出部分，在單個圖像中給予更多的信息。
如前述使用的用於圖像融合的KL變換方法給出了最有用的結果，用於多波長圖像的全顯示。以該技術得到的融合彩色圖像改善了輸入圖像特徵之間的對比。然而從人眼看來，以KL變換得到的彩色圖像一般不如以偽彩色技術得到的彩色圖像顯得自然。
有利的是，上述圖像融合技術可結合起來使用，以便突出圖像的特定方面，和/或有助於診斷評估。例如，如果需要，由圖像差值和圖像平均技術產生的融合圖像可利用偽彩色技術而進行自身合併。在該例中，一胸部可在930納米和975納米下成像，並且這些圖像利用圖像差值技術合併，以突出腺體和脂肪組織結構。然後在755納米和800納米下對胸部成像，以確定全氧化/去氧血液體檢空間中的一像素位置。然後通過比如將紅色分配給突出全部血液的平均圖像，將綠色分配給突出腺體和脂肪組織的差值圖像，以及將藍色分配給映射至全氧化/去氧血液體積空間及突出惡性組織的結果，從而將這些結果合併成單個圖像。
上述本發明的實施例僅作說明之用。因此本發明的範圍僅由所附權利要求的範圍限定。
權利要求
1.一種對高度混濁介質內部結構成像的方法，該方法包括步驟在一組預定波長中的每個波長上對內部結構成像，以產生相應的、由各圖像組成的一組圖像，所述波長組包含至少兩個預定波長；以及合併該組圖像，以產生一相應的融合圖像。
2.如權利要求1所述的方法，其中，對內部結構成像的步驟基於對從該混濁介質傳出的光的時序點擴展函數(TPSF)分析。
3.如權利要求2所述的方法，其中，每個預定波長是基於混濁介質的至少一個內部結構的光學吸收特性而選定的。
4.如權利要求1所述的方法，其中，當波長數目至多為三個時，合併該組圖像的步驟包括步驟用彩色顯示監視器的各個不同的顯像基色對每個圖像著色；以及在該彩色顯示監視器上同時顯示著色的圖像，以產生該融合圖像。
5.如權利要求1所述的方法，其中，當波長數目至多為兩個時，合併該組圖像的步驟包括步驟用彩色顯示監視器的一預定通用顯像基色對每個圖像著色，以產生各著色後的圖像；以及對著色後的圖像進行減法運算，以產生該融合圖像。
6.如權利要求1所述的方法，其中，當波長數目至多為兩個時，合併該組圖像的步驟包括步驟用彩色顯示監視器的一預定通用顯像基色對每個圖像著色，以產生各著色後的圖像；以及對著色後的圖像進行平均，以產生該融合圖像。
7.如權利要求1所述的方法，其中，當波長數目為兩個或兩個以上時，合併該組圖像的步驟包括步驟計算每個圖像的KL變換，以產生各變換後的圖像；基於每個圖像各自的能量，選擇至多三個變換後的圖像；用彩色顯示監視器的各個不同的顯像基色，對每個所選的變換後的圖像著色；以及在該彩色顯示監視器上同時顯示著色後的圖像，以產生該融合圖像。
8.如權利要求7所述的方法，其中選擇至多三個變換後圖像的步驟包括選擇具有最高能級的變換後圖像的步驟。
9.一種生物醫學的光成像方法，該方法包括步驟在一組預定波長的每個波長上，對一組織樣本內部結構成像，以產生相應的、由各圖像組成的一組圖像，所述波長組包含至少兩個預定波長；以及合併該組圖像，以產生一相應的融合圖像。
10.如權利要求9所述的方法，其中對內部結構成像的步驟基於對從該組織樣本傳出的光的時序點擴展函數(TPSF)分析。
11.如權利要求9所述的方法，其中每個預定波長是基於混濁介質的至少一個內部結構的光學吸收特性而選定。
12.如權利要求11所述的方法，其中該組織樣本是胸部組織，該組預定波長包括755、800、930和975納米中的一個或多個。
13.如權利要求9所述的方法，其中，當波長數目至多為三個時，合併該組圖像的步驟包括步驟用彩色顯示監視器的各個不同的顯像基色對每個圖像著色；以及在該彩色顯示監視器上同時顯示著色後的圖像，以產生該融合圖像。
14.如權利要求9所述的方法，其中，當波長數目至多為兩個時，合併該組圖像的步驟包括步驟用彩色顯示監視器的一預定通用顯像基色對每個圖像著色，以產生各著色後的圖像；以及對著色後的圖像進行減法運算，以產生該融合圖像。
15.如權利要求9所述的方法，其中，當波長數目至多為兩個時，合併該組圖像的步驟包括步驟用彩色顯示監視器的一預定通用顯像基色對每個圖像著色，以產生各著色後的圖像；以及對著色後的圖像進行平均，以產生該融合圖像。
16.如權利要求9所述的方法，其中，當波長數目為兩個或兩個以上時，合併該組圖像的步驟包括步驟計算每個圖像的KL變換，以產生各變換後的圖像；基於每個圖像的各自的能量，選擇至多三個變換後的圖像；用彩色顯示監視器的各個不同的顯像基色，對每個所選的變換後的圖像著色；以及在該彩色顯示監視器上同時顯示著色後的圖像，以產生該融合圖像。
17.如權利要求16所述的方法，其中選擇至多三個變換後圖像的步驟包括選擇具有最高能級的變換後圖像的步驟。
18.一種用於對高度混濁介質內部結構成像的光成像設備，該設備包括一光源，提供多個波長的光；用於將所述光注入到所述介質中並用於恢復來自所述介質的檢測光的裝置；用於檢測所述檢測光以產生對應於所述多個波長的原始數據的裝置；以及用於處理所述原始數據以便從所述多個波長獲得的信息中產生一圖像的裝置，其中，所述設備執行按照權利要求1至17任何一項所述的方法。
全文摘要
一種高度混濁介質內部結構的多波長成像方法，在一組至少兩個預定波長的每個波長上對內部結構成像，以產生一組對應的各圖像。然後合併該組圖像以產生一對應的融合圖像。
文檔編號A61B6/00GK1543325SQ02816087
公開日2004年11月3日 申請日期2002年7月16日 優先權日2001年7月16日
發明者皮埃爾·A·博德裡, 理察·布德羅, 皮埃爾·加拉內奧, 朱莉·弗雷謝特, 索尼婭·韋拉奧特, 加拉內奧, 布德羅, 韋拉奧特, 弗雷謝特, 皮埃爾 A 博德裡 申請人:Art先進研究科技公司