CN106725263B - 应用于内窥镜系统的成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于内窥镜系统的成像方法，包括：以预设波段的照射光照射观测部位，采集获得观测部位的反射光图像；将反射光图像的各像素点的色值矩阵分别与图像转换矩阵相乘，获得观测部位的成像结果，图像转换矩阵由权重系数对角矩阵计算获得，权重系数对角矩阵的对角元素为采集的反射光图像在各窄带波段下光强度的权重系数，预设波段被平均分为预设数量的窄带波段。本发明应用于内窥镜系统的成像方法，以预设波段光照射观测部位，得到能够区分血管区域和非血管区域的反射光图像，并对图像进行光谱滤波处理，能够增强各区域图像的特征光谱，从而提升了血管区域与非血管区域的差异，使图像对比度提高，提高了成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及生物成像技术领域，特别是涉及一种应用于内窥镜的成像方法。
背景技术
传统染色成像技术，是通过患者口服或者在内镜喷洒化学染色剂(如龙胆紫等)，使染色剂附着于病变部位从而凸显病变区域。该成像技术操作费时费力，如染色前需去泡、染色后需多次冲水灌洗等，并且存在可能染色不足、对特殊部位或者对过敏体质病人应用受限等问题，已逐渐被基于黏膜组织光谱特性的新型内镜成像技术取代。
当前常用的新型内窥镜成像技术中，光学染色成像技术是主要技术之一，该技术利用血红蛋白的光谱吸收特性，从光源入手，产生利于凸显黏膜浅层或中层血管形态的窄带照明光，从而在成像中凸显病变区域。其主要包括NBI(Narrow Band Imaging)技术和BLI(Blue Laser Imaging)技术。BLI技术即蓝光激光成像技术。使用中心波长为410nm的蓝光激光作为窄带照明光，同时搭配白光。但该成像方法仅能凸显黏膜浅层血管形态，无法凸显中层和较深层血管形态，并且该方法中无论使用单一波段还是多个波段的激光，都存在激光相干性的问题，在成像中都要考虑如何消除激光光束的相干性，避免在图像中产生妨碍血管识别的“散斑”图案。
NBI技术是在内窥镜光源装置的光路中放置带通滤光片，滤除其它波段的照明光，仅保留能够凸显黏膜组织中血管区域与非血管区域差异的特定波段的窄带照明光。该成像方法可避免涉及激光光源消相干问题，但该方法由于使用光学滤光片滤除其它波段光，导致照射光的光功率严重损失，因此在照射被检测物体尤其是较大腔体(如胃部)时，会出现由于照度不足而导致图像亮度较低、噪声较大，不能得到良好的成像效果。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种应用于内窥镜系统的成像方法，与现有技术相比，可提高成像质量，
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于内窥镜系统的成像方法，包括：
以预设波段的照射光照射观测部位，采集获得观测部位的反射光图像，所述观测部位的血管区域和非血管区域对所述预设波段的照射光的反射率不同；
将所述反射光图像的各像素点的色值矩阵分别与图像转换矩阵相乘，获得观测部位的成像结果，所述图像转换矩阵由权重系数对角矩阵计算获得，所述权重系数对角矩阵的对角元素为采集的反射光图像在各窄带波段下光强度的权重系数，所述预设波段被平均分为预设数量的窄带波段。
可选地，采用光学滤光片设置在所述内窥镜系统的白光光源处，形成所述预设波段的照射光。
可选地，所述预设波段的照射光的波长范围为小于等于600nm。
可选地，所述预设波段的照射光的波长范围为400nm～600nm。
可选地，所述图像转换矩阵的计算公式为：
C＝k·(M*T*L*W*sys G)；
其中，C表示所述图像转换矩阵，所述预设波段被平均分为n个窄带波段，Δλ表示所述窄带波段的波长间隔，Sλi表示内窥镜系统的光源在第i窄带波段的相对光谱功率分布值，表示XYZ色度系统中对应第i窄带波段的的色度函数的分量；M表示由XYZ空间转RGB空间的颜色转换矩阵，T表示可见光下所述n个窄带波段的三刺激值构成的三刺激值矩阵，L表示标准光源在所述n个窄带波段的光功率值构成的光谱功率分布矩阵，sysG表示所述内窥镜系统的光谱特性矩阵，W表示所述权重系数对角矩阵。
可选地，所述矩阵T为3×n矩阵，表示为：
所述矩阵L为n×n的对角矩阵，表示为：
所述矩阵W为n×n的对角矩阵，其对角元素由权重系数矩阵w＝[wλ1,…,wλn]t中的各个元素构成，表示为：
可选地，所述内窥镜系统的光谱特性矩阵sysG由所述内窥镜系统光源的光谱特性矩阵GL与所述内窥镜系统插入部的光谱特性矩阵G相乘获得，表示为：
sysG＝G*[GL GL GL]。
可选地，所述内窥镜系统插入部的光谱特性矩阵G获取方法包括：
选用m张透射色卡或者反射色卡，以可见光照射每一透射色卡或者反射色卡，获得均匀的透射光或者反射光，采用光谱仪测量获得该均匀光的光谱矩阵oj，使用所述内窥镜系统采集该均匀光的光照图像，计算光照图像中心区域的均值vj＝[Rj,Gj,Bj]t，j∈[1,m]；
将所述m张透射色卡或者反射色卡对应获得的m个光谱矩阵oj构成矩阵O，将所述m张透射色卡或者反射色卡对应获得的m个vj＝[Rj,Gj,Bj]t构成矩阵V；
通过以下公式计算获得矩阵G，表示为：
其中，ROV表示矩阵O和矩阵V的互相关，RVV表示矩阵V的自相关。
可选地，所述内窥镜光源的光谱特性矩阵GL获取方法包括：
将所述内窥镜系统的光源产生的光通过内窥镜插入部输出，并形成均匀光，使用光谱仪测量获得该均匀光在所述n个窄带波段的光功率值，构成光谱功率分布矩阵E，则GL＝1/E。
可选地，所述权重系数的计算方法包括：
选取采集的反射光图像中的血管区域A和非血管区域B，分别计算两个区域在各窄带波段下的光强度的均值，表示为：
其中，表示血管区域A在第i个窄带波段的光强度的均值，表示非血管区域B在第i个窄带波段的光强度的均值；
根据上述公式(1)和(2)计算获得权重系数矩阵w＝[wλ1,...,wλn]t。
由上述技术方案可知，本发明所提供的应用于内窥镜系统的成像方法，以预设波段光照射观测部位，观测部位的血管区域和非血管区域对所述预设波段的照射光的反射率不同，使在采集的反射光图像中能够区分出血管区域和非血管区域；并将获得的反射光图像进行光谱滤波处理，具体为将反射光图像的每一像素点的色值矩阵与图像转换矩阵相乘，所述图像转换矩阵由权重系数对角矩阵计算获得，权重系数对角矩阵的对角元素为反射光图像在各窄带波段下光强度的权重系数，处理后得到观测部位的成像结果。
与现有方法相比，本发明应用于内窥镜系统的成像方法，以预设波段光照射观测部位，得到能够区分血管区域和非血管区域的反射光图像，并对图像进行光谱滤波处理，能够增强各区域图像的特征光谱，从而进一步提升血管区域与非血管区域的差异，使图像对比度提高，提高了成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种应用于内窥镜系统的成像方法的流程图；
图2为本发明实施例采用的截止波长为600nm的短波通滤光片的透过率曲线；
图3为本发明实施例中权重系数矩阵的计算方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种应用于内窥镜系统的成像方法，请参考图1，所述方法包括步骤：
S10：以预设波段的照射光照射观测部位，采集获得观测部位的反射光图像，所述观测部位的血管区域和非血管区域对所述预设波段的照射光的反射率不同；
S11：将所述反射光图像的各像素点的色值矩阵分别与图像转换矩阵相乘，获得观测部位的成像结果，所述图像转换矩阵由权重系数对角矩阵计算获得，所述权重系数对角矩阵的对角元素为采集的反射光图像在各窄带波段下光强度的权重系数，所述预设波段被平均分为预设数量的窄带波段。
本实施例应用于内窥镜系统的成像方法，以预设波段光照射观测部位，观测部位的血管区域和非血管区域对所述预设波段的照射光的反射率不同，使采集的观测部位的反射光图像中能够区分出血管区域和非血管区域；并对获得的反射光图像进行光谱滤波处理，具体为将反射光图像的每一像素点的色值矩阵与图像转换矩阵相乘，所述图像转换矩阵由权重系数对角矩阵计算获得，权重系数对角矩阵的对角元素为反射光图像在各窄带波段下光强度的权重系数，处理后得到观测部位的成像结果。
与现有方法相比，本实施例成像方法以预设波段光照射观测部位，得到能够区分血管区域和非血管区域的反射光图像，并对图像进行光谱滤波处理，能增强各区域图像的特征光谱，从而进一步提升血管区域与非血管区域的差异，使图像对比度提高，提高了成像质量。
下面对本发明实施例应用于内窥镜系统的成像方法进行详细说明。本实施例应用于内窥镜系统的成像方法包括：
S10：以预设波段的照射光照射观测部位，采集获得观测部位的反射光图像，所述观测部位的血管区域和非血管区域对所述预设波段的照射光的反射率不同。
本方法中，采用光学滤光片设置在所述内窥镜系统的白光光源处，形成所述预设波段的照射光。具体的，内窥镜系统的白光光源可采用满足医用内窥镜冷光源系统行业标准的光源，可以是氙灯、卤素灯或白光LED灯。
在可见光范围内，血红蛋白具有将600～700nm波长范围的光几乎全部散射或反射的特点，因此照射光中存在该波段光，一方面会造成黏膜组织中血管区域与非血管区域的反射光谱差异极小，不利于观察者通过被检测区域的血管形态信息进行临床疾病诊断与治疗，另一方面易于造成由于图像传感器达到饱和电平而引起图像“过曝”现象。基于此原因，本实施例方法中，光学滤光片采用截止波长为600nm的短波通滤光片配置在内窥镜系统的光源部，请参考图2，为本实施例采用的截止波长为600nm的短波通滤光片的透过率曲线。
通过光学滤光方式滤除波长大于600nm的照明光，以避免该波段光由于被黏膜组织强烈反射而形成不利于区分血管区域与非血管区域的背景光。并且避免引起图像“过曝”现象，这样在成像时，也可以通过适当提高入射光功率的方式，提高波长小于600nm的照射光的强度，来提升系统成像的信噪比。
作为一种优选方式，本实施例方法中采用带宽为400nm～600nm的带通滤光片，形成400nm～600nm波长范围的照射光。其中滤除波长小于400nm的照射光，可以避免光源以较大功率且长时间照射在观测部位的生物组织(例如黏膜组织)时，波长小于400nm的紫外光可能对生物组织造成的光化学损伤。
以波长小于600nm的照射光照射观测部位，观测部位中血管区域和非血管区域对该波段光的反射率不同，在采集到的观测部位的反射光图像中能区分出血管区域和非血管区域。
S11：将所述反射光图像的各像素点的色值矩阵分别与图像转换矩阵相乘，获得观测部位的成像结果，所述图像转换矩阵由权重系数对角矩阵计算获得，所述权重系数对角矩阵的对角元素为采集的反射光图像在各窄带波段下光强度的权重系数，所述预设波段被平均分为预设数量的窄带波段。
通过将反射光图像的各像素点的色值矩阵分别与图像转换矩阵相乘，来对采集的反射光图像进行光谱滤波处理。其中图像转换矩阵通过以下方法获得。
所述图像转换矩阵的计算公式为：
C＝k·(M*T*L*W*sys G)；
其中，C表示所述图像转换矩阵，所述预设波段被平均分为n个窄带波段，Δλ表示所述窄带波段的波长间隔，Sλi表示内窥镜系统的光源在第i窄带波段的相对光谱功率分布值，表示XYZ色度系统中对应第i窄带波段的色度函数的分量；M表示由XYZ空间转RGB空间的颜色转换矩阵，T表示可见光下所述n个窄带波段的三刺激值构成的三刺激值矩阵，L表示标准光源在所述n个窄带波段的光功率值构成的光谱功率分布矩阵，sysG表示所述内窥镜系统的光谱特性矩阵，W表示所述权重系数对角矩阵。
其中，可具体采用1931CIE-XYZ色度系统中的色度函数的分量。
矩阵T表示可见光下各所述窄带波段的三刺激值构成的三刺激值矩阵，构成该矩阵的元素对应于光的波长信息，该矩阵的大小为3×n。表示为：
矩阵L具体可以是D65标准光源的光谱功率分布矩阵，是大小为n×n的对角矩阵，表示为：
矩阵sysG表示所述内窥镜系统的光谱特性矩阵，所述内窥镜系统的光谱特性矩阵由所述内窥镜系统的输出光在各窄带波段的光功率值构成，内窥镜系统的光谱特性矩阵sysG由所述内窥镜系统光源的光谱特性矩阵GL与所述内窥镜系统插入部的光谱特性矩阵G相乘获得，表示为：
sysG＝G*[GL GL GL]。
其中，矩阵sysG为n×3矩阵，矩阵G为n×3矩阵，矩阵GL为n×1矩阵，“*”表示矩阵相乘。
其中，所述内窥镜系统插入部的光谱特性矩阵G获取方法包括：
S20：选用m张透射色卡或者反射色卡，以可见光照射每一透射色卡或者反射色卡，获得均匀的透射光或者反射光，采用光谱仪测量获得该均匀光的光谱矩阵oj，使用所述内窥镜系统采集该均匀光的光照图像，计算光照图像中心区域的均值vj＝[Rj,Gj,Bj]t，j∈[1,m]，“t”表示矩阵转置。
为获得均匀的透射光或者反射光，可以将透射色卡或者反射色卡形成的透射光或者反射光导入到积分球内，来得到亮度足够的均匀光。
S21：将m张透射色卡或者反射色卡对应获得的m个光谱矩阵oj构成矩阵O，将m张透射色卡或者反射色卡对应获得的m个vj＝[Rj,Gj,Bj]t构成矩阵V，表示为：
S22：通过以下公式计算获得矩阵G，表示为：
其中，ROV表示矩阵O和矩阵V的互相关，RVV表示矩阵V的自相关。
所述内窥镜光源的光谱特性矩阵GL获取方法包括：将所述内窥镜系统的光源产生的光通过内窥镜插入部输出，并形成均匀光，使用光谱仪测量获得该均匀光在所述n个窄带波段的光功率值，构成n×1的光谱功率分布矩阵E，则GL＝1/E。
将所述内窥镜系统的光源和所述内窥镜插入部的光纤当成一个整体，将光源的输出光通过内窥镜插入部的光纤后，通过某种装置，例如积分球，形成均匀光，使用光谱仪测量获得该均匀光在所述n个窄带波段的光功率值，构成n×1的光谱功率分布矩阵E，则GL＝1/E。
矩阵W是n×n对角矩阵，其对角元素由权重系数矩阵w＝[wλ1,…,wλn]t中的各个元素构成，表示为：
权重系数矩阵w＝[wλ1,…,wλn t]的各元素为反射光图像在各窄带波段下光强度的权重系数，请参考图3，获得该权重系数矩阵w＝[wλ1,…,wλn]t的计算方法如下：
S30：以预设波段的照射光照射观测部位，采集获得观测部位的反射光图像。采用所述内窥镜系统，以预设波段的照射光照射某一观测部位，获得观测部位的反射光图像。
S31：选取采集的反射光图像中的血管区域A和非血管区域B，分别计算两个区域在各窄带波段下的光强度的均值。
在区域A与区域B中，坐标(x，y)处的像素点在各窄带波段的反射光强度矩阵Rx,y由下述公式计算获得：
Rx,y＝[rλ1,...,rλn]t＝sysG*[r,g,b]t；
区域A和区域B在各窄带波段下的光强度的均值表示为：
其中，表示血管区域A在第i个窄带波段的光强度的均值，表示非血管区域B在第i个窄带波段的光强度的均值。
S32：根据上述公式(1)和(2)计算获得权重系数矩阵w＝[wλ1,...,wλn]t。
具体通过最优化光谱计算，根据公式(1)和(2)计算获得权重系数矩阵w。
可选的，本实施例中可采用基于有约束的非线性最小化数学模型求解权重系数矩阵w，使得表达式的值最小，求解获得权重系数矩阵w。
在计算获得所述内窥镜系统的光谱特性矩阵sysG和权重系数对角矩阵W后，则可根据图像转换矩阵C的计算公式计算获得图像转换矩阵C。
在获得图像转换矩阵C后，将该图像转换矩阵C存储在相应的内窥镜系统数据存储单元中，在内窥镜系统探测工作时则可对采集的观测部位的反射光图像进行实时的处理，获得成像结果。
对于采集的反射光图像，将反射光图像的各像素点的色值矩阵[r,g,b]t与图像转换矩阵C相乘，获得处理后的成像结果，表示为：
本发明应用于内窥镜系统的成像方法，滤除600nm以上波段照射光，以避免该波段光由于被黏膜组织强烈反射而形成不利于区分血管区域与非血管区域的背景光，使在采集的反射光图像中能够凸显血管区域和非血管区域；并且，进一步对反射光图像进行光谱滤波处理，能增强各区域图像的特征光谱，从而提升了血管区域与非血管区域的差异，使图像对比度提高，提高了成像质量。
本发明应用于内窥镜系统的成像方法，采用光学滤波器件，滤除600nm以上波段照射光，与现有方法中形成窄带照明光相比，形成的照射光仍为宽光谱光源，可保证足够的照明光功率，也可通过适当提高照明光功率，使图像亮度与图像信噪比提高。
以上对本发明所提供的应用于内窥镜的成像方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，包括：
以预设波段的照射光照射观测部位，采集获得观测部位的反射光图像，所述观测部位的血管区域和非血管区域对所述预设波段的照射光的反射率不同；
将所述反射光图像的各像素点的色值矩阵分别与图像转换矩阵相乘，获得观测部位的成像结果，所述图像转换矩阵由权重系数对角矩阵计算获得，所述权重系数对角矩阵的对角元素为采集的反射光图像在各窄带波段下光强度的权重系数，所述预设波段被平均分为预设数量的窄带波段。
2.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，采用光学滤光片设置在所述内窥镜系统的白光光源处，形成所述预设波段的照射光。
3.根据权利要求2所述的应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，所述预设波段的照射光的波长范围为小于等于600nm。
4.根据权利要求3所述的应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，所述预设波段的照射光的波长范围为400nm～600nm。
5.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，所述图像转换矩阵的计算公式为：
C＝k·(M*T*L*W*sys G)；
其中，C表示所述图像转换矩阵，所述预设波段被平均分为n个窄带波段，Δλ表示所述窄带波段的波长间隔，Sλi表示内窥镜系统的光源在第i窄带波段的相对光谱功率分布值，表示XYZ色度系统中对应第i窄带波段的的色度函数的分量；M表示由XYZ空间转RGB空间的颜色转换矩阵，T表示可见光下所述n个窄带波段的三刺激值构成的三刺激值矩阵，L表示标准光源在所述n个窄带波段的光功率值构成的光谱功率分布矩阵，sysG表示所述内窥镜系统的光谱特性矩阵，W表示所述权重系数对角矩阵。
6.根据权利要求5所述的应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，所述矩阵T为3×n矩阵，表示为：
所述矩阵L为n×n的对角矩阵，表示为：
所述矩阵W为n×n的对角矩阵，其对角元素由权重系数矩阵w＝[wλ1,…,wλn]t中的各个元素构成，表示为：
7.根据权利要求5所述的应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，所述内窥镜系统的光谱特性矩阵sysG由所述内窥镜系统光源的光谱特性矩阵GL与所述内窥镜系统插入部的光谱特性矩阵G相乘获得，表示为：
sys G＝G*[GL GL GL]。
8.根据权利要求7所述的应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，所述内窥镜系统插入部的光谱特性矩阵G的获取方法包括：
选用m张透射色卡或者反射色卡，以可见光照射每一透射色卡或者反射色卡，获得均匀的透射光或者反射光，采用光谱仪测量获得该均匀光的光谱矩阵oj，使用所述内窥镜系统采集该均匀光的光照图像，计算光照图像中心区域的均值vj＝[Rj,Gj,Bj]t，j∈[1,m]；
将所述m张透射色卡或者反射色卡对应获得的m个光谱矩阵oj构成矩阵O，将所述m张透射色卡或者反射色卡对应获得的m个vj＝[Rj,Gj,Bj]t构成矩阵V；
通过以下公式计算获得矩阵G，表示为：
其中，ROV表示矩阵O和矩阵V的互相关，RVV表示矩阵V的自相关。
9.根据权利要求7所述的应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，所述内窥镜光源的光谱特性矩阵GL的获取方法包括：
将所述内窥镜系统的光源产生的光通过内窥镜插入部输出，并形成均匀光，使用光谱仪测量获得该均匀光在所述n个窄带波段的光功率值，构成光谱功率分布矩阵E，则GL＝1/E。
10.根据权利要求5所述的应用于内窥镜系统的成像方法，其特征在于，所述权重系数的计算方法包括：
选取采集的反射光图像中的血管区域A和非血管区域B，分别计算两个区域在各窄带波段下的光强度的均值，表示为：
其中，表示血管区域A在第i个窄带波段的光强度的均值，表示非血管区域B在第i个窄带波段的光强度的均值；
根据上述公式(1)和(2)计算获得权重系数矩阵w＝[wλ1,...,wλn]t。
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