专利名称：数字化近红外光医学成像的数据采样方法及数据处理方法
技术领域：
数字化近红外光医学成像的数据采样方法及数据处理方法属于医学图像处理技术领域。
在现有技术中，获取病灶部位的图像，可以通过如
图1所示的系统来实现。图1中包括计算机、单片机、两个(或四个)步进电机，由步进电机带动的发射探头和接收探头，由计算机控制的采集卡，其中发射探头用于发射红外光，接收探头用于接收经过人体透射后的红外光。步进电机带动发射探头和接收探头在采样区域沿如图2所示的轨迹作Y(列)方向的运动和X(行)方向的运动，整个采样区域形成一个“弓”字形，采样点位于列上。发射探头发出红外光，经过人体组织后，透射的红外光由接收探头接收，并将接收到的信号通过采集卡传送到计算机，由计算机来控制步进电机的起停和采集卡的采集，并进行数据处理，计算出相关参数，并形成图像。
现有技术的采样过程是一步一采的方式，即在采样过程中，步进电机带动探头到达采样点，然后停止，等待步进电机完全停稳后，在该点进行N次采样，在该点采样结束后，步进电机重新启动，加速，达到平稳速度后运行一段时间，到达下一个采样点进行采样。采样完毕后，根据每点采样的次数来计算该点的数值，该数值反映采样处的相对光强。当采样点过于密集，步进电机的起停过于频繁，可能在达到平稳的运行速度之前就被停止，采样速度慢，采样间距不能很小，采样精度受到影响。
本发明的特征在于，它含有由计算机控制执行的以下步骤1)采样1.1)初始化给定采样的列数为C列，C为自然数；1.2)探头位于第一列起始点；1.3)探头开始沿列方向运动，并不断采样，将采样数据保存到临时数据文件中；1.4)该列采样结束，探头停止采样，并调转方向沿行方向运动到下一列起始点；1.5)返回第1.3)步；1.6)探头沿所有列运动完毕，采样结束。
2)数据处理2.1)初始化给定每列采样点均分为的段数为L段，L为自然数；给定每列在起始时需要抛弃的采样点数为n点，n为自然数；给定每列中各段所取的连续的数据个数为N个，N为自然数，且小于每段数据的个数；2.2)读入上述数据文件；2.3)处理第一列数据；2.4)抛弃前面n个数据，将该列余下的数据点数均分为L段；2.5)在每段同样的位置连续取N个数来计算相对光强，并保存；在该列的每段数据中所取的连续N个数据的位置与相邻列的每段数据中所取的连续N个数据在所在段的位置相反，以保证每列计算点的位置对齐；2.6)处理下一列数据，返回第2.4)步；2.7)计算完所有列的数据，结束。
其特征还在于，在上述2数据处理的第2.4)步中，所抛弃的数据个数n的确定方法是1)在采样起始部位沿垂至于列的方向贴一条遮光带；2)将发射探头置于采样区域起始部位的遮光带上，使发射探头光纤内圆与遮光带靠近探头前进方向的边缘相切；3)使探头沿列方向运动，同时开始采样，并将采样数据保存在数据文件中；4)探头离开遮光带后停止运动，同时停止采样；5)调出该数据文件，统计采样值接近0的采样点的个数，该个数即是需要抛弃的点数n。
实验证明，本发明能够节省采样时间，增加采样点，减少患者的不适，提高图像的分辨率，达到了预期的目的。
本采样方式是电机一边运动，探头一边采样。在每一列的起始点电机开始启动并沿Y方向运动同时开始采样。一、n点的确定由于电机每一列的起始点开始启动至具有一定速度带动探头运动的期间，探头在不断采样，但这一期间采样得到的数据不能用于计算各点的相对光强，在处理数据时，不采用这一段数据，应该将这段数据“抛弃”。在采样开始之前，应先确定电机在开始启动至启动完毕开始带动探头运动的期间所采样的点数n(即每列需要抛弃的点数n)。
n点的确定可以根据方法以下法实现如图3所示，在采样区域内用一条遮光带。遮光带要平行于X方向粘贴。探头位于遮光带上，探头的光纤内圆恰好与遮光带靠近探头前进方向的边缘相切。光纤外面有金属箍头，只有内圆部分可以导光。探头沿Y方向运动，同时进行采样。电机开始启动时，探头开始采样，但并不运动，探头获得的采样数据接近0，随电机一运动探头就会离开遮光带的遮光区域，接收的信号就不为0。从图4中采样数据可以看出前n点的数值都在0附近，为电机启动加速期。第n+1点的接收信号不为0，电机开始匀速转动并且带动光纤探头沿Y方向匀速运动。在处理数据时，应抛弃这n个点，而使用电机匀速运动中采集的数据。如果探头的采样频率不变，则n的数值不必在每次采集之前都通过实验确定，可以利用原先的数据。即，如果不更换电机，保持探头的采样频率不变，则n的数值沿用第一次实验数据即可，不必在每次采集数据之前都经过实验确定。二、采样具体采样过程见图4所示采样流程图。其中C是采样的总列数，c是列计数器，StepC是列间距；L是采样行数(也是每列采样点要均分的段数或每列要计算相对光强的点数)，StepL是行间距(也是每个段的长度或相邻两个相对光强计算点间的距离)；dotpercol[C]是一维数组，用于保存每列实际采样点数，temp.dat是采样数据的保存文件。电机1表示带动探头在列(Y)方向运动的电机，电机2表示带动探头在行(X)方向运动的电机。
在每一列开始采集时，电机带动探头移动，探头开始不断采样。P是电机1或2每走一毫米计算机所发出的脉冲数，P*StepL*L表示电机1走完一列计算机应发的总脉冲数，P*StepC表示电机2走过一行计算机应发的总脉冲数。GetInQLen(2)用于查询脉冲是否发送完毕。三、数据处理在数据处理方面，在现有技术中，计算点是离散在采样的列上，因为在每一个点采样N’次，处理数据就是用该点的N’个采样数据来计算。本发明的采样点也是离散在列上，由于本发明采用边走边采的方法，所以不能用在某一位置的采样点来计算该点的相对光强。但我们可以取该点附近的连续N个采样点的数据来计算该点的相对光强。对于某一列来说，如果事先设定在该列需要计算L个点的相对光强，而这L个点是等距离分布在该列上的，因此在取采样点计算时，可以将该列上的所有采样点均分为L段，从每段取连续N个采样值来计算，得到该点近似的相对光强。在每一列中，应保证每一段所取的N个采样点在该段中所处的位置与其它段的N个采样点在所在段的位置一致，这样才能保证各计算点的在该列的是等距分布的。在处理数据时还应注意，由于相邻的两列之间采样的方向是相反的，所以，在对一列的每个数据段分别取N个采样值时，这N个数据应该与上一列的数据段中所取的N个数据的位置相反，比如，在处理第一列数据时，取每一段的前N个数据来计算相对光强，在处理第二列的数据时，就应该取每一段的后N个数据来计算相对光强，这样就不会使相邻两列的图像错位，这里的“前”和“后”是指按照每列采样点的先后顺序来分的，采样在先的是“前”，采样在后的是“后”。以下列依此类推。
数据处理流程见图5。其中C为总列数，c为列计数器，L是采样行数(也是每列采样点要均分的段数或每列要计算相对光强的点数)，1为每一列的第1个计算点，StepL是行间距(也是每个段的长度或相邻两个相对光强计算点间的距离)；average为每列中每毫米距离的平均采样点数，rem是将每列的采样点数均分为L段后的余数。temp为每一计算点的计算得到的值，data[C][L]为一临时数组，用于存储各计算点的值，data[c][1]表示第c列的第1个计算点。
在本数据流程图中，抛弃每次采样的前n点是通过指针移动来实现。在本例中，将每一列的采样点数除前面n点外，其余点均分为L段，为了程序的简便，除每列的第一段外，其它段取的采样点数N等于average(即每毫米距离的平均采样点数)，用于计算相对光强。均分为L段是通过每抛弃(StepL-1)*average个点，取average个点来实现的。
由于在均分的过程中可能出现余数，我们将均分为L段后的余数rem放在第一段中，因此在每列计算第一个相对光强都是取average+rem个数据来计算，余数的存在最终并不会影响整个图像的分辨率。为了使各列的计算点对齐，在奇数列时，各段均先抛弃(StepL-1)*average个连续采样点，然后取average个连续采样点来计算相对光强；在偶数列时，各段先取average个连续采样点来计算相对光强，然后再抛弃(StepL-1)*average个连续采样点。该处的“抛弃(StepL-1)*average个连续采样点”也是通过移动指针来实现的。
本发明中计算相对光强temp的计算方法与现有技术是一样的，这里仅作简单介绍。已知一段数据data，求该点相对光强temp的算法是1、求数据的自相关函数xcorr(dara)设data一共有M个数，用data[1]，data[2]，…data[M]来表示。则其自相关数组X含有2*M-1个点。其表达式为X(m)=Σi=lM-mdata(i+m)*data(i),-M<m<M]]>2、取数组X(m)的第二峰值，即为temp。
此处的M对应本例中的average或average+rem。
本发明所采用的系统与现有技术是一样的，计算机通过单片机控制步进电机1和步进电机2，步进电机1用于带动探头沿Y方向(或Y反方向)运动，步进电机2用于带动探头沿X方向运动，使探头采集的轨迹呈“弓”形。计算机同时通过采集卡命令探头采集数据。探头包括发射探头和接收探头，用于在采集点发射红外光，并接收透射的红外光，整个系统也可以采用四个电机来带动探头的移动，分别用于控制两个探头的两个运动方向。
在本发明的一个具体实施例中，利用普通的光纤探头来进行采样，采集卡采用大恒公司的AC1056，50kHz多功能12位A/D板，对在对人体的一大小为50mm×100mm的区域进行扫描，采样的列数为20列，每列需要计算相对光强的点数为10点，相邻两个计算点间隔5mm。使用本发明所提出的边走边采的采集方法，所使用的时间仅为139秒，而传统的一步一采方法需要249秒。用本发明的数据处理方法和传统的方法所获得的图像的分辨率相当。
本发明所提出的边走边采的采样方法所采集的相邻点的距离最小可达到1mm，依据该数据所得到的图像的分辨率与传统的在某点采样多次所获得的图像的分辨率几乎没有任何差别，而其扫描时间减少了将近一半。用本方法可以检测到浓度为1％的Intralipid溶液(其散射系数与人体软组织如乳腺组织相似)中2cm深处，直径3毫米的高吸收系数的单个物体，分辨能力与一步一采方法相当。
本发明方法可以节省采样时间，增加采样点，从而减少患者的不适，不仅适用于数字化近红外光医学成像装置，也适用于其他需要进逐行扫描采样的装置。
权利要求
1.数字化近红外光医学成像的数据采样方法及数据处理方法，其特征在于，它含有由计算机控制执行的以下步骤1)采样1.1)初始化给定采样的列数为C列，C为自然数；1.2)探头位于第一列起始点；1.3)探头开始沿列方向运动，并不断采样，将采样数据保存到临时数据文件中；1.4)该列采样结束，探头停止采样，并调转方向沿行方向运动到下一列起始点；1.5)返回第1.3)步；1.6)探头沿所有列运动完毕，采样结束。2)数据处理2.1)初始化给定每列采样点均分为的段数为L段，L为自然数；给定每列在起始时需要抛弃的采样点数为n点，n为自然数；给定每列中各段所取的连续的数据个数为N个，N为自然数，且小于每段数据的个数；2.2)读入上述数据文件；2.3)处理第一列数据；2.4)抛弃前面n个数据，将该列余下的数据点数均分为L段；2.5)在每段同样的位置连续取N个数来计算相对光强，并保存；在该列的每段数据中所取的连续N个数据的位置与相邻列的每段数据中所取的连续N个数据在所在段的位置相反，以保证每列计算点的位置对齐；2.6)处理下一列数据，返回第2.4)步；2.7)计算完所有列的数据，结束。
2.如权利要求1所述的数字化近红外光医学成像的数据采样方法及数据处理方法，其特征在于，在上述2数据处理的第2.4)步中，所抛弃的数据个数n的确定方法是1)在采样起始部位沿垂至于列的方向贴一条遮光带；2)将发射探头置于采样区域起始部位的遮光带上，使发射探头光纤内圆与遮光带靠近探头前进方向的边缘相切；3)使探头沿列方向运动，同时开始采样，并将采样数据保存在数据文件中；4)探头离开遮光带后停止运动，同时停止采样；5)调出该数据文件，统计采样值接近0的采样点的个数，该个数即是需要抛弃的点数n。
全文摘要
数字化近红外光医学成像的数据采样方法及数据处理方法，属于医学图像处理技术领域。其特征在于，采样方法是一种边走边采的采样方法，该方法的采样点仍然离散在“弓”字形的列轨迹上，而探头不必在采样点停顿，在探头移动过程中，连续不间断的采样。当扫描完毕，采样也同时结束。根据本采样方法还提出了相应的数据处理方法，该数据处理方法是将每列的采样点按照计算点数均匀分段，从每段中取N个连续采样值进行相对光强计算，来近似该点的相对光强。这样可以节省采样时间，增加采样点，从而减少患者的不适，并能提高图像的分辨率。
文档编号G06F19/00GK1479244SQ0314595
公开日2004年3月3日 申请日期2003年7月18日 优先权日2003年7月18日
发明者白净, 张永红, 高天欣, 白 净 申请人:清华大学