含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白光谱含量分布定量检测装置及方法

摘要

本发明涉及一种含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白光谱含量分布定量检测装置，包括光源模块、成像模块、调节支架、图像数据传输链路、控制命令传输链路和计算机。本发明采用高光谱成像的技术手段，对被检测区域实现全覆盖检测并且通过光谱分解技术提取含氧血红蛋白及脱氧血红蛋白的特征光谱，利用区域氧饱和度计算公式进行计算，并具有获取信息更全面，精度更高、无需任何试剂的特点。

主权项

一种实现对含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白光谱含量分布定量检测的方法，该方法利用一种含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白光谱含量分布定量检测装置，该检测装置包括光源模块、成像模块、调节支架、图像数据传输链路、控制命令传输链路和计算机；所述的光源模块，包括相连的高光谱光源和控制器；所述控制器通过控制命令传输链路与所述计算机相连；所述高光谱光源的发光波段为240nm—1550nm；所述控制器用于接收经控制命令传输链路的计算机的控制指令，进而控制高光谱光源启动、关闭以及选择高光谱光源的照明波段；所述的成像模块包括依次连接的镜头、分光计和高光谱成像部件；所述高光谱成像部件通过图像数据传输链路与所述计算机相连；由高光谱光源发出的光线经组织反射，再经镜头到达分光计，经分光计分光后在所述的高光谱成像部件上成像；所述的计算机包括显示模块、数据处理模块和计算模块；所述调节支架包括支撑臂和回转臂；所述支撑臂通过机械轴承与回转臂连接；所述回转臂分别通过万向轴承与光源模块和成像模块相连；所述的成像模块中所述的分光计为现有的声光调制的分光系统或推扫式分光系统；所述的成像模块中所述的高光谱成像部件为CCD成像部件；所述的图像数据传输链路为高速率数据传输线路，所述的高速率数据传输线路为以太网接口传输链路；所述控命令传输链路用于传送来自计算机的针对光源模块的控制指令，所采用的传输方式为RS‑232传输方式；所述计算机中的显示模块用于将获取的待检测区域的高光谱图像及含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白含量及分布计算结果进行显示；所述数据处理模块用于对待检测区域的高光谱图像进行去噪、增强处理；所述数据处理模块中包括对所述处理后的高光谱图像进行光谱特征抽取的方法；所述计算模块用于在光谱图像特征分析基础上定量计算含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白含量；所述光源模块中，所述控制器为单片机，所述的高光谱光源为各波段LED光源；所述LED光源为单片机控制选择照射波段的LED光源；所述光源模块中，所述控制器为单片机，所述的高光谱光源为卤素灯光源；所述卤素灯光源为单片机控制照射时长的卤素灯光源；其特征在于，实现对含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白光谱含量分布定量检测的方法，该检测方法包括步骤如下：(1)启动含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白含量分布定量检测装置后，系统初始化，计算机通过控制命令传输链路启动光源模块，高光谱光源照射于待检测区域，由调节支架对所述成像模块位置调整，并实现镜头对焦，通过分光计高光谱成像模块进行高光谱图像获取，经图像数据传输链路将高光谱图像传送至计算机，经过显示模块对该高光谱图像进行显示；(2)数据处理模块对获得的高光谱图像进行图像预处理：在数据处理模块中，利用高斯滤波器对所述的高光谱图像进行噪声滤波，并利用中值滤波器实现平滑；(3)数据处理模块对经步骤(2)处理后的高光谱图像进行以下特征分析：(a)光谱分解：利用主动轮廓模型对将经步骤(2)图像预处理的高光谱图像进行分割，利用非负矩阵对所述高光谱图像进行分解，分解出含氧血红蛋白光谱与脱氧血红蛋白光谱；(b)光谱特征提取：设高光谱图像有N个谱段，即光谱向量Λ是N维向量，将该光谱向量向坐标平面进行正交投影，得到投影向量从而得到投影向量与坐标轴之间的夹角θ，设通过光谱分解得到的光谱向量的投影角度为θ₁和θ₂，含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的标准光谱投影角度为和θ_Hb，则分解谱向量投影角度与标准光谱投影角度分别做差θ₁‑θ_Hb，以及θ₂‑θ_Hb，以上述两组差的较小值确定分解出的光谱曲线归于含氧血红蛋白还是脱氧血红蛋白；设定阈值向量，以各向量均值作为阈值向量，分解后的含氧血红蛋白光谱与脱氧血红蛋白光谱向量与阈值向量做差的结果作为对进行特征提取结果，特征向量各元素的最大值作为某点含氧血红蛋白或脱氧血红蛋白的强度特征；以强度特征计算含氧血红蛋白或脱氧血红蛋白的含量；此处所述含量计算是指每平方厘米内所述含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的聚集度；所述含氧血红蛋白的聚集度的计算按照公式(i)：$S_{{\mathrm{HbO}}_2}=\frac{\underset{i}{\Sigma }{p}_{i\_{\mathrm{HbO}}_2}}{\underset{R}{\Sigma }p}\times 100\%---\left(i\right);$所述脱氧血红蛋白聚集度的计算按照公式(ii)：$S_{Hb}=\frac{\underset{j}{\Sigma }{p}_{j\_Hb}}{\underset{R}{\Sigma }p}\times 100\%---\left(ii\right);$在式(i)‑(ii)中，S_HbO2和S_Hb分别为含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白聚集度，和分别表示高光谱图像中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白所占像素数量,表示观察视场内的待检测区域的组织高光谱成像像素总数；(c)实验训练获得含氧血红蛋白聚集度与含氧血红蛋白含量的关系：在横坐标为含氧血红蛋白聚集度、纵坐标为含氧血红蛋白含量的坐标系中绘制含氧血红蛋白聚集度与实际测量含氧血红蛋白含量的对应关系点，最后通过回归分析法将所述的关系点连接为“含氧血红蛋白聚集度与含氧血红蛋白含量的关系线”,形成含氧血红蛋白聚集度与含氧血红蛋白含量的对照图；实验训练获得脱氧血红蛋白聚集度与脱氧血红蛋白含量的关系：在横坐标为脱氧血红蛋白聚集度、纵坐标为脱氧血红蛋白含量的坐标系中绘制脱氧血红蛋白聚集度与实际测量脱氧血红蛋白含量的对应关系点，最后通过回归分析法将所述的关系点连接为“脱氧血红蛋白聚集度与脱氧血红蛋白含量的关系线”，形成脱氧血红蛋白聚集度与脱氧血红蛋白含量的对照图；(d)将含氧血红蛋白的聚集度代入含氧血红蛋白聚集度与含氧血红蛋白含量的对照表中的关系线，其对应的纵坐标值即为所求含氧血红蛋白的聚集度所对应的含氧血红蛋白含量；将脱氧血红蛋白的聚集度代入脱氧血红蛋白聚集度与脱氧血红蛋白含量的对照表中的关系线，其对应的纵坐标值即为所求脱氧血红蛋白的聚集度所对应的脱氧血红蛋白含量；最终检测结果：含氧血红蛋白含量和脱氧血红蛋白含量由显示模块显示。