[發(fā)明專利]一種基于兩階段空間映射的組織血氧成像檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011018040.0
• 申請(qǐng)日: 2020-09-24
• 公開（公告）號(hào): CN112168180B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 童善保;禹婧祎;苗鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué);上海德芬生物科技有限公司
• 主分類號(hào): A61B5/1455
• 分類號(hào): A61B5/1455;G06T7/00;G06K9/62
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 葉敏華

本發(fā)明涉及一種基于兩階段空間映射的組織血氧成像檢測(cè)方法，包括以下步驟：術(shù)前構(gòu)建組織結(jié)構(gòu)模型；設(shè)定組織中物質(zhì)種類及光學(xué)參數(shù)；進(jìn)行反射式光學(xué)成像模擬，得到高維全光譜信息；基于照明光源和成像相機(jī)的光譜特性，得到低維RGB通道的映射數(shù)據(jù)集；使用流形降維算法，以血氧飽和度為主參數(shù)實(shí)現(xiàn)高維光譜數(shù)據(jù)的降維，并構(gòu)建第一核函數(shù)，實(shí)現(xiàn)降維后數(shù)據(jù)集與低維RGB通道數(shù)據(jù)集的映射；基于L1優(yōu)化策略，得到第一核函數(shù)的逆運(yùn)算映射關(guān)系；對(duì)術(shù)中實(shí)際的待檢測(cè)組織成像，通過調(diào)整后的逆運(yùn)算映射關(guān)系實(shí)時(shí)計(jì)算得到血氧飽和度的估計(jì)值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用兩階段空間映射關(guān)系，能夠有效增加血氧參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性，同時(shí)保證成像檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及成像檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于兩階段空間映射的組織血氧成像檢測(cè)方法，以直接利用術(shù)中白光視野RGB圖像實(shí)現(xiàn)術(shù)中組織血氧的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)，其目的不是為了獲得診斷結(jié)果、健康狀態(tài)或治療手段。

背景技術(shù)

大量的臨床手術(shù)實(shí)踐已經(jīng)表明實(shí)時(shí)血氧信息檢測(cè)的重要性，尤其在外科手術(shù)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血氧分布和變化情況，能夠有效降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、改善手術(shù)愈后。為實(shí)現(xiàn)含(去)氧血紅蛋白含量、血容量、血氧飽和度等生理參數(shù)的檢測(cè)，目前常采用組織灌注的方式，組織灌注是一種借助造影劑的熒光成像方法，但造影劑的注射會(huì)給患者帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增加操作復(fù)雜性。發(fā)展無需造影劑的血氧成像和檢測(cè)方法是臨床所需，在傳統(tǒng)光學(xué)成像中，可以使用內(nèi)源光信號(hào)成像(optical intrinsic signal imaging，OISI)技術(shù)，通過外加2至3種獨(dú)立單波長光源(可見光波段，使用白光濾波、LED或激光獲得)對(duì)成像區(qū)域進(jìn)行照明，記錄不同波長下組織的反射圖像，并利用朗伯比爾定律計(jì)算出相對(duì)血紅蛋白的濃度等參數(shù)。然而在實(shí)際應(yīng)用中，不同波長的單獨(dú)照明會(huì)影響手術(shù)正常的白光視野，給手術(shù)操作帶來干擾，因此，該方法無法滿足術(shù)中應(yīng)用的需求。

若直接利用術(shù)中白光視野的RGB圖像實(shí)現(xiàn)組織區(qū)域血氧信息的檢測(cè)，不改變?cè)惺中g(shù)操作環(huán)境和視野環(huán)境，將極大方便術(shù)中應(yīng)用。近年來，出現(xiàn)了一些基于該策略的檢測(cè)方法，比如針對(duì)哺乳動(dòng)物的結(jié)膜，Sen Abhishek等提出用彩色圖像的RGB或HSV值直接反映結(jié)膜處的血紅蛋白分布等。這些方法對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景有較強(qiáng)的限制，普適性和準(zhǔn)確性均無法達(dá)到實(shí)際臨床應(yīng)用的要求。其主要原因是，這些方法將手術(shù)視野內(nèi)組織等效于成分單一(含氧和去氧血紅蛋白)的理想組織，組織的解剖結(jié)構(gòu)信息和其他成分均被忽略；此外，直接使用朗伯比爾定律構(gòu)建方程組，等效于透射成像的分析求解，并未考慮到實(shí)際反射式成像中，檢測(cè)到的光子其經(jīng)過組織多次散射擴(kuò)散傳播的特性，這無疑會(huì)降低檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于兩階段空間映射的組織血氧成像檢測(cè)方法，能夠直接利用術(shù)中白光視野RGB圖像實(shí)現(xiàn)術(shù)中組織血氧檢測(cè)的目的，且能保證檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于兩階段空間映射的組織血氧成像檢測(cè)方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)組織的解剖學(xué)特征和個(gè)體影像學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建組織模型，并確定組織結(jié)構(gòu)參數(shù)，若沒有個(gè)體影像學(xué)數(shù)據(jù)，則需對(duì)組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的可變范圍進(jìn)行設(shè)定；

S2、確定組織中含有物質(zhì)的種類，并對(duì)各物質(zhì)種類的光學(xué)參數(shù)可變范圍進(jìn)行設(shè)定，其中，光學(xué)參數(shù)包括吸收系數(shù)、散射系數(shù)、折射率和各向異性參數(shù)；

S3、通過蒙特卡洛仿真的方式，對(duì)組織模型進(jìn)行反射式光學(xué)成像模擬，得到不同血氧含量條件下，組織結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各物質(zhì)種類的光學(xué)參數(shù)在可變范圍內(nèi)各種組合對(duì)應(yīng)的組織全光譜信息，至此構(gòu)建得到第一階段從低維(血氧含量)到高維(組織結(jié)構(gòu)參數(shù)和各物質(zhì)種類的光學(xué)參數(shù))的映射數(shù)據(jù)集；

S4、基于照明光源的光譜分布以及相機(jī)RGB通道的光譜響應(yīng)特性，得到高維光譜數(shù)據(jù)到低維RGB通道的映射數(shù)據(jù)集；

S5、采用流形降維算法，以血氧飽和度作為主參數(shù)，對(duì)高維光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，并構(gòu)建第一核函數(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)降維后數(shù)據(jù)集與低維RGB通道數(shù)據(jù)集的映射；