光学偏振成像的制作方法
【专利摘要】公开了一种用于使用可包括光源、偏振器、分析器和具有多个图像元素的摄像机的系统来探测组织表面的形态的方法。该方法使用穿过偏振器的入射光照射组织表面。摄像机可以连续序列的图像帧捕获通过分析器的、来自组织表面的散射光。偏振状态的变化可以是下列项中的至少一个的：（1）通过改变偏振器，来自光源的入射光或（2）通过改变分析器，来自组织表面的散射光。在捕获过程中，响应于变化的偏振状态为摄像机的图像元素检测散射光的变化的强度信号。
【专利说明】光学偏振成像
[0001]背景
[0002]1.【技术领域】
[0003]本发明涉及探测在体内的组织例如体内皮肤组织的形态。
[0004]2.相关技术的描述
[0005]改变来自混浊介质的反向散射光的偏振状态的现象是众所周知的。在1988年，Philip等人[2]研究了在皮肤组织中的这些现象，并且接下来Anderson等人[3]在1991年也对此进行了研究。在1998年至2002年，Jacques使用了一种侧面照明装置[4，5，6]。在2003年，Anderson将他的用于皮肤病变边界检测的方法用于Mohs显微外科手术[7]。获得了血管和色素性病变的增强视图。在1999年，Bueno等人[8]通过提取Mueller矩阵的16个参数显示了眼视网膜的成像。偏振度(DOP)是从视网膜平面的那些图像中提取的。在2004年，Boulesteix等人[9]使用用于染色的肝活检的方法，提取了来自在可见光和近红外光谱范围的缪勒矩阵的偏振度，并且在不同的波长处着重胶原蛋白的异常结构。在同年，Ramella等人[10]通过使用两个摄像机简化了来自组织的两个偏振(与光源偏振相比平行的和交叉的偏振)的读出，并同步计算了它们之间的标准化对比(Stokes矢量的SI参数)。Weber等人[11]分开地操纵了交叉的和平行的偏振，所以可以识别眼睛中的微小的静脉。Liu等人[12]使用侧面照明和衰减几乎实时地测量了鼠皮肤样品的反向散射Mueller矩阵，且从Mueller矩阵推导出了衰减、延迟和去偏振参数。在2005年Ramella等人[13]描述了通过用于反向散射成像的偏斜照明和甚至简便的工具来照亮组织的一种更好的方法[14]。这允许他们消除眩光，而不需要油或水作为匹配折射率。由Stokes参数PtjI=Sl/SO所表示的偏振对比度只携带光源的几个百分比。因此，在2006年Zhao等人[15]通过使用可以很容易地应用到组织成像的自适应小波变换方法移除了噪音。Bruno等人[16]构建了半球形光谱偏振散射仪来操纵成Stokes参数的系列。在2009年，Zhao等人[17]对组织特性的分析利用主成分分析(PCA)和图像融合[18，19]，并提出了一种视觉增强方法来通过使用假色映射对所获得的光谱和偏振信息进行融合。
[0006]美国专利7289211 [I]公开了用于计算从皮肤组织的反射上的Stokes参数的方法。
[0007]Zhang等人[20]对具有暗红色皮肤的亚洲男性和具有浅粉红色皮肤的白人男性进行了研究。作为经验法则，这些类型的皮肤是各种皮肤中的典型，且肯定适合于优选波长的光谱决定。
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[0029]简要概述
[0030]根据本发明的特征，提供了一种用于使用可包括光源、偏振器、分析器和具有多个图像元素的摄像机的系统来探测组织表面的形态的方法。该方法使用穿过偏振器的入射光照射组织表面。照射可以是针对具有不同的光谱含量的入射光来执行的。摄像机可以连续序列的图像帧捕获通过分析器的、来自组织表面的散射光。偏振状态的变化可以是下列项中的至少一个的:(I)通过改变偏振器，来自光源的入射光或(2)通过改变分析器，来自组织表面的散射光。在捕获过程中，响应于变化的偏振状态为摄像机的图像元素检测散射光的变化的强度信号。变化的强度信号可以是周期性的强度信号。可为在全部图像帧中的图像元素中的至少一个分析变化的强度信号以探测组织表面的形态。该分析可包括确定变化的强度信号的峰和谷之间的光强度对比度。该分析可包括确定图像帧之间的变化的强度信号的强度微分。该分析可包括确定连续图像帧之间的变化的强度信号的强度微分。该分析可包括确定图像帧之间的变化的强度信号的二阶或更高阶导数。变化的强度信号可以是时间的函数，并且该分析可包括执行变化的强度信号到在频域中的变换后的强度信号的变换。该分析可包括确定变化的强度信号的帧之间的对比度的平均值。该分析可包括确定变化的强度信号的方差。
[0031]根据本发明的特征，提供了一种系统，该系统包括:光源、可变偏振器、第二偏振器和包括具有多个图像元素的图像传感器的摄像机。该系统可操作来使用穿过偏振器的入射光照射组织表面。摄像机可以连续序列的图像帧捕获通过分析器的、来自组织表面的散射光。偏振状态的变化可以是下列项中的至少一个:(I)来自光源的入射光(2)来自组织表面的散射光。散射光的变化的强度信号响应于变化的偏振状态而被检测。变化的强度信号可以是周期性的强度信号。变化的强度信号可以是周期性的强度信号。为全部图像帧中的图像元素中的至少一个执行对变化的强度信号的分析，以探测组织表面的形态。变化的强度信号的分析可包括变化的强度信号的峰和谷之间的光强度对比度。变化的强度信号的分析可包括图像帧之间的变化的信号的强度微分。变化的强度信号的分析可包括图像帧之间的变化的强度信号的二阶导数。变化的强度信号的分析可包括变化的强度信号的帧之间的对比度的平均强度。变化的强度信号的分析可包括变化的强度信号的方差。变化的强度信号可以是时间的函数，并且变化的强度信号的该分析可执行变化的强度信号到在频域中的变换后的强度信号的变换。该系统还可以包括一种用于改变入射光的光谱含量的机构。
[0032]附图的简要说明
[0033]这里参照附图仅作为例子对本发明进行描述，在附图中:
[0034]图1a示出了根据本发明的特征的用于探测组织表面的形态的系统图。
[0035]图1b和图1c分别示出了根据一个示例性特征的在图1a所示的系统中存在的系统组件的实现的横截面视图和平面视图。
[0036]图1d示出了根据另一示例性特征的在图1a所示的系统中存在的系统组件的实现的横截面视图。
[0037]图1e示出了根据又一示例性特征的在图1a所示的系统中存在的系统组件的实现的横截面视图。
[0038]图2a示出了根据本发明的一个特征的一系列捕获的图像帧。
[0039]图2b示出了基细胞癌的Is和Id的两个例子。
[0040]图3示出了使用图2b中所示的图像帧Is和Id的这种SD图像的例子，其示出基细胞癌的界限分明的边界。
[0041]图4a和图4b示出了在摄像机的像素之一上的采样信号。
[0042]图5示出了使用混合痣的成像的病变型混合痣(CN)的图像。
[0043]图6示出了非常坚硬的皮肤恶性黑色素瘤(CMM)的第二个例子。
[0044]图7示出了根据本发明的一个特征的方法。
[0045]图8a和图8b示出了变化的光强度信号的相应的时域和频域。
[0046]详细描述
[0047]现在将对本发明的特征进行详细描述，本发明的示例在附图中示出，其中，相似的参考数字始终表示相似的元件。下面通过参照附图描述这些特征以对本发明进行解释。
[0048]在详细解释本发明的特征之前，应当理解，本发明在其应用中并不限于在下面的描述中所阐述或在附图中所示的组件的设计和布置的细节。本发明能够具有其他特征，或以各种方式被实践或实施。另外，也应理解，这里所采用的措辞和术语是用于描述的目的，而不应被认为是限制性的。
[0049]作为介绍，本发明的方面目的在于用于探测组织例如皮肤组织的新颖方法。在此公开的方法中，没有明确确定Stokes参数或Mueller矩阵参数。在正被探测的表面上的入射光的偏振状态首先被周期性地改变。散射光穿过分析器通过摄像机被观看。在入射光或散射光的偏振正在被改变的同时，获得了散射光的一序列图像巾贞。对摄像机的一个或多个图像元素产生散射光的变化的(通常是周期性的)强度信号。根据本发明的不同方面，图像帧和强度信号的处理可通过几种方式来执行。例如，该序列的图像帧可用于提取相邻图像帧之间的平均对比度。该序列的图像帧可用于从一个图像帧到另一图像帧提取在一个或多个附近的图像元素处的散射光强度微分。类似地，可从一个图像帧到另一图像帧确定一个或多个像素的强度变化的更高阶导数。
[0050]本文所公开的方法可应用于诊断皮肤病变。
[0051]本文所用的术语“偏振器”和“分析器”是指通过折射、反射、吸收和/或衍射进行操作的包括一个或多个双折射波片和/或电光器件的一个或多个偏振光学元件。
[0052]本文所用的术语“平均值”或“平均数”是指一组光强度值的平均值。该平均值的计算是通过以特定的方式例如加法将来自列表的光强度值进行组合并且例如通过除以列表中的光强度值的数目计算单个数作为列表的平均值。
[0053]本文中所用的术语“方差”是指一组光强度值被展开得多远的量度。方差是描述该组光强度值离平均光强度值多远的概率分布的几个描述符之一。尤其是，方差可以是概率分布的矩之一。方差可以是测得的光强度与光强度的平均值之间的平方差的预期值。
[0054]现在参考图la，图1a示出了根据本发明的特征的用于探测组织表面的形态的系统图10。系统10包括光源12，光源12具有光学元件以将从光源12发出的光引导例如准直到正被探测的表面8 (例如，皮肤病变)上。从光源12发出的光穿过偏振器18，偏振器18可以连续地和/或周期性地改变从光源12发出的光的偏振状态，以将可变偏振入射光9透射到表面8上。从表面8散射的光穿过分析器4，并由图像传感器或摄像机2所接收。可选地，或除了入射光以外，散射光的偏振可通过例如使分析器4旋转而被连续地和/或周期性地改变。摄像机2可以是电荷耦合器件(CXD)或互补金属氧化物半导体CMOS型等。摄像机2被连接到处理器14，处理器14接收从摄像机2捕获的图像帧16。透明窗口 11可用于与组织表面8接触，并且入射光和散射光透射过窗口 11。
[0055]入射光9或散射光6的可变偏振可以通过在光学兀件及电光兀件领域中已知的任何方式实现。偏振可通过使双折射波片旋转而被改变。用于改变入射光或散射光的偏振的其他设备可包括使用空间调制，例如液晶偏振调制器。入射光9的偏振可从线偏振改变到圆偏振或从圆偏振改变到线偏振。线偏振光或椭圆偏振光的角度可被改变。椭圆偏振的一个状态可被改变到任何其他的偏振状态。Stokes参数或Mueller参数中的任何变化可在入射光9中被表不。
[0056]改变偏振状态可通过例如通过偏振器18和/或分析器4的旋转改变偏振状态来执行。入射光9的偏振可能会改变，而在摄像机2前面的分析器4是固定的。入射光9的偏振器18可以是固定的，而在摄像机2前面的分析器4可能会改变(例如旋转)。偏振器18和分析器4都可能会改变(例如同时旋转)。
[0057]在所有的情况下，在变化的偏振期间，摄像机2捕获一序列的图像帧16。
[0058]如果表面8具有单调的光学形态，则在偏振被改变同时，散射光6可能不会经历显著的变化。边界和高散射区对入射光9的偏振变化可能更敏感，并且可能对不同的入射偏振状态产生不同的图像。
[0059]现在参考图1b和图lc，图1b和图1c分别示出了根据一个示例性特征的在图1a所示的系统10中存在的系统组件的实现的横截面视图1Oa和平面视图100。摄像机2被示为带有图像传感器2a和透镜2b。与传感器2a和透镜2b —起垂直于Z轴的是分析器4、偏振器18和窗口 11。带有驱动轴5b的电机5a被连接到齿轮5c。当齿轮被电机5a旋转时，齿轮在与Z轴成直角的方向上使偏振器18旋转。光源12可包括灯12a和透镜12b。从光源12发出的聚焦光穿过偏振器18以借助于偏振器18的旋转将可变的偏振入射光9透射到窗口 11上和/或表面8上。来自窗口 11和/或表面8的散射光穿过固定的分析器4、通过透镜2b并到达图像传感器2a上。
[0060]现在参考图ld，图1d示出了根据另一示例性特征的在图1a所示的系统10中存在的系统组件的实现的横截面视图10b。当齿轮5c被电机5a旋转时，齿轮5c借助于分别附接到偏振器18和分析器4的有角部件18a和4a使偏振器18和分析器4旋转。分析器4与Z轴成直角地旋转，并且偏振器18以相对于Z轴成B角地旋转。角B可以大于零度并且小于90度。从光源12发出的聚焦光穿过偏振器18以借助于偏振器18的旋转将可变的偏振入射光9透射到窗口 11上和/或表面8上。来自窗口 11和/或表面8的散射光穿过也在旋转的分析器4、通过透镜2b并到达图像传感器2a上。
[0061]现在参考图le，图1e示出了根据又一示例性特征的在图1a所示的系统10中存在的系统组件的实现的横截面视图10c。图1e和图1d是类似的，分别除了两个电机5a和5d以外，这两个电机5a和5d彼此独立地旋转偏振器18和分析器4。附接到驱动轴5b和电机5a的齿轮5c连接偏振器18的有角部件18a，以便使偏振器18旋转。类似地，附接到驱动轴5e和电机5d的齿轮5f与分析器4连接，以便使偏振器4旋转。
[0062]所捕获的视频序列的预处理
[0063]由于在皮肤的表皮层中的散射，皮肤病变是一个很好的例子。所捕获的序列可被处理为图像帧16的单独文件，或者该序列也可任选地被处理为在单个文件中的视频序列。系统10可以被应用于对皮肤病变成像，而线偏振光的角度通过旋转偏振器18而被改变。散射光向上朝着摄像机2散射。摄像机2捕获如在图2a中示意性地示出的帧16。图像帧16具有下标k=l到N，Ik是N个帧中的第k个帧。偏振器18可被旋转多次，以提高算法中的信噪比。在当前的例子中的例如640X480个图像元素(像素)的每一个帧Ik实质上对应于由偏振器18所产生的偏振角a k的单个状态。
[0064]现在参考图2，图2示意性地示出在皮肤病变的不同入射偏振状态下捕获的一序列的图像帧16。在偏振状态ak中的连续变化期间取N个帧。当显著的镜面般的图像出现时，Is被示为图像帧16。当图像看起来漫射和非镜面时，Id被显示。被标记为“镜面的”和“漫射的”的图像是针对基细胞癌(BCC)的。
[0065]本文公开的方法使用皮肤病变表面8作为组织或散射材料的非限制性的例子，但是该方法可以任选地被应用于任何其他半透明的表面。
[0066]在偏振器18的变化过程中，由于来自皮肤内的异质结构的散射，来自病变的散射光6也发生变化。在它们的结构中没有变化的区域将不会在散射光6中产生显著的差异，因此，所捕获的图像帧16可在帧与帧之间显示最小的变化。当存在材料边界或散射点时，在图像帧16之间的更显著的差异被预期。在这种情况下，对于入射光的每个偏振状态，散射光6可改变其偏振和强度。为了揭露在材料折射率或一般光学形态中的这些结构变化，不同的算法可选地用于强调在正被探测的表面上的散射光6的边界和度数。
[0067]I)镜面-漫射算法，SD算法。
[0068]2)平均帧对比度，称为AFC算法。
[0069]3)当应用于二阶微分时的平均微分算法，称为AD2算法。
[0070]注意:AD3、AD4...ADn (η=整数)可应用于更高阶的微分。
[0071]SD算法:镜面漫射的
[0072]在整个序列的图像帧16中，可从被检查的表面的表层清楚地看到镜面般的反射。在皮肤中，它将是角质层。镜面般的图像帧16被标记为图2中的Is，其中s代表镜面般标志(光亮表面)通常发生在当入射偏振是在与分析器4相同的偏振时。在Is图像帧16之间有漫射图像帧16Id，漫射图像帧16Id通常发生在当表面反射的偏振与分析器4正交时。图2b示出了基细胞癌的两个例子13和Id。可以看出，Is图像帧16在其表面上具有更多的眩光，而Id缺乏这种眩光。以与定义标准化的第二 Stokes参数类似的方式，可以定义指定镜面般的Is图像帧16和漫射的Id图像帧16之间的对比度的以下SD图像:
[0073]SD= (Is-1d)/(Is+Id) (I)
[0074]当在摄像机2处的偏振器是固定的时，SD图像不同于第二 Stokes参数，并且Is中的眩光可以来自于任意的反射角。方程I能够强调不同的散射区域的边界。
[0075]图3示出了使用图2b中所示的图像帧1613和Id的这种SD图像的例子，其示出了基细胞癌的界限分明的边界。
[0076]AFC算法:平均帧对比度
[0077]表面例如皮肤病变的光学形态具有吸收、透射、散射的任意光学特性，并且从一病变到另一病变、在体内的不同区域处或对于不同人将始终是不同的。因此，AFC算法取两个相邻的图像帧16Ik+m和Ik的所有对比度的平均值。m是可以由用户选择的整数，这里m=2。方程(2)显示了两个相邻状态之间的对比度。在形态如散射区域内的高空间变化将在Ck图像中产生较大的值。回顾随机的光学形态，Ck将在最终后处理中被平均为AFC图像，并被定义在方程3中:
【权利要求】
1.一种用于使用包括光源、偏振器、分析器和具有多个图像元素的摄像机的系统来探测组织表面的形态的方法，所述方法包括: 使用穿过所述偏振器的入射光照射所述组织表面； 由所述摄像机以连续序列的图像帧捕获来自所述组织表面的、通过所述分析器的散射光; 改变(i )来自所述光源的所述入射光和(ii )来自所述组织表面的所述散射光中的至少一个的偏振状态，改变来自所述光源的所述入射光的偏振状态是通过改变所述偏振器来进行的，而改变来自所述组织表面的所述散射光的偏振状态是通过改变所述分析器来进行的； 在所述捕获过程中，响应于变化的偏振状态为所述摄像机的图像元素检测所述散射光的变化的强度信号； 为全部所述图像帧中的所述图像元素中的至少一个分析所述变化的强度信号，从而探测所述组织表面的形态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述照射是针对具有不同的光谱含量的入射光来执行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分析包括确定所述变化的强度信号的峰和谷之间的光强度对比度。
4.根据权利要求1所 述的方法，其中，所述分析包括确定图像帧之间的所述变化的强度信号的强度微分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分析包括确定连续图像帧之间的所述变化的强度信号的强度微分。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分析包括确定所述图像帧之间的所述变化的强度信号的二阶导数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分析包括确定所述变化的强度信号的帧之间的对比度的平均值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分析包括确定所述变化的强度信号的方差。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变化的强度信号是时间的函数，其中所述分析包括执行所述变化的强度信号到频域中的变换后的强度信号的变换。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述变化的强度信号是周期性的强度信号。
11.一种包括光源、可变偏振器、第二偏振器和摄像机的系统，所述摄像机包括具有多个图像元素的图像传感器，所述系统可操作来: 使用穿过所述偏振器的入射光照射组织表面； 由所述摄像机以连续序列的图像帧捕获来自所述组织表面的、通过所述分析器的散射光; 改变下列项中的至少一个的偏振状态:(i )来自所述光源的所述入射光(ii )来自所述组织表面的所述散射光； 响应于变化的偏振状态，为所述摄像机的图像元素检测所述散射光的变化的强度信号;为全部所述图像帧的所述图像元素中的至少一个执行对所述变化的强度信号的分析，以探测所述组织表面的形态。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，对所述变化的强度信号的所述分析包括所述变化的强度信号的峰和谷之间的光强度对比。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，对所述变化的强度信号的所述分析包括图像帧之间的所述变化的信号的强度微分。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，对所述变化的强度信号的所述分析包括所述图像帧之间的所述变化的强度信号的二阶导数。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，对所述变化的强度信号的所述分析包括所述变化的强度信号的帧之间的对比度的平均值。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，对所述变化的强度信号的所述分析包括所述变化的强度信号的方差。
17.根据权利要求11所述的系统，其中，所述变化的强度信号是时间的函数，其中，对所述变化的强度信号的所述分析执行所述变化的强度信号到频域中的变换后的强度信号的变换。
18.根据权利要求11所述的系统，还包括: 用于改变所述入射光的光谱含量的机构。
19.根据权利要求11至18中的任一项所述的方法，其中，所述变化的强度信号是周期性的强度信号。
【文档编号】G01N21/21GK103477205SQ201280016358
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年1月31日 优先权日:2011年1月31日
【发明者】奥菲尔·阿哈龙 申请人:穆斯泰克计算服务有限公司