本發(fā)明涉及生物成像技術領域，特別是涉及一種應用于內窺鏡的成像方法。

背景技術：

傳統(tǒng)染色成像技術，是通過患者口服或者在內鏡噴灑化學染色劑(如龍膽紫等)，使染色劑附著于病變部位從而凸顯病變區(qū)域。該成像技術操作費時費力，如染色前需去泡、染色后需多次沖水灌洗等，并且存在可能染色不足、對特殊部位或者對過敏體質病人應用受限等問題，已逐漸被基于黏膜組織光譜特性的新型內鏡成像技術取代。

當前常用的新型內窺鏡成像技術中，光學染色成像技術是主要技術之一，該技術利用血紅蛋白的光譜吸收特性，從光源入手，產生利于凸顯黏膜淺層或中層血管形態(tài)的窄帶照明光，從而在成像中凸顯病變區(qū)域。其主要包括NBI(Narrow Band Imaging)技術和BLI(Blue Laser Imaging)技術。BLI技術即藍光激光成像技術。使用中心波長為410nm的藍光激光作為窄帶照明光，同時搭配白光。但該成像方法僅能凸顯黏膜淺層血管形態(tài)，無法凸顯中層和較深層血管形態(tài)，并且該方法中無論使用單一波段還是多個波段的激光，都存在激光相干性的問題，在成像中都要考慮如何消除激光光束的相干性，避免在圖像中產生妨礙血管識別的“散斑”圖案。

NBI技術是在內窺鏡光源裝置的光路中放置帶通濾光片，濾除其它波段的照明光，僅保留能夠凸顯黏膜組織中血管區(qū)域與非血管區(qū)域差異的特定波段的窄帶照明光。該成像方法可避免涉及激光光源消相干問題，但該方法由于使用光學濾光片濾除其它波段光，導致照射光的光功率嚴重損失，因此在照射被檢測物體尤其是較大腔體(如胃部)時，會出現(xiàn)由于照度不足而導致圖像亮度較低、噪聲較大，不能得到良好的成像效果。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明提供一種應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法，與現(xiàn)有技術相比，可提高成像質量，

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法，包括：

以預設波段的照射光照射觀測部位，采集獲得觀測部位的反射光圖像，所述觀測部位的血管區(qū)域和非血管區(qū)域對所述預設波段的照射光的反射率不同；

將所述反射光圖像的各像素點的色值矩陣分別與圖像轉換矩陣相乘，獲得觀測部位的成像結果，所述圖像轉換矩陣由權重系數(shù)對角矩陣計算獲得，所述權重系數(shù)對角矩陣的對角元素為采集的反射光圖像在各窄帶波段下光強度的權重系數(shù)，所述預設波段被平均分為預設數(shù)量的窄帶波段。

可選地，采用光學濾光片設置在所述內窺鏡系統(tǒng)的白光光源處，形成所述預設波段的照射光。

可選地，所述預設波段的照射光的波長范圍為小于等于600nm。

可選地，所述預設波段的照射光的波長范圍為400nm～600nm。

可選地，所述圖像轉換矩陣的計算公式為：

C＝k·(M*T*L*W*sysG)；

其中，C表示所述圖像轉換矩陣，所述預設波段被平均分為n個窄帶波段，Δλ表示所述窄帶波段的波長間隔，S_λi表示內窺鏡系統(tǒng)的光源在第i窄帶波段的相對光譜功率分布值，表示XYZ色度系統(tǒng)中對應第i窄帶波段的的色度函數(shù)的分量；M表示由XYZ空間轉RGB空間的顏色轉換矩陣，T表示可見光下所述n個窄帶波段的三刺激值構成的三刺激值矩陣，L表示標準光源在所述n個窄帶波段的光功率值構成的光譜功率分布矩陣，sysG表示所述內窺鏡系統(tǒng)的光譜特性矩陣，W表示所述權重系數(shù)對角矩陣。

可選地，所述矩陣T為3×n矩陣，表示為：

所述矩陣L為n×n的對角矩陣，表示為：

所述矩陣W為n×n的對角矩陣，其對角元素由權重系數(shù)矩陣w＝[w_λ1,...,w_λn]^t中的各個元素構成，表示為：

可選地，所述內窺鏡系統(tǒng)的光譜特性矩陣sysG由所述內窺鏡系統(tǒng)光源的光譜特性矩陣GL與所述內窺鏡系統(tǒng)插入部的光譜特性矩陣G相乘獲得，表示為：

sysG＝G*[GL GL GL]。

可選地，所述內窺鏡系統(tǒng)插入部的光譜特性矩陣G獲取方法包括：

選用m張透射色卡或者反射色卡，以可見光照射每一透射色卡或者反射色卡，獲得均勻的透射光或者反射光，采用光譜儀測量獲得該均勻光的光譜矩陣o^j，使用所述內窺鏡系統(tǒng)采集該均勻光的光照圖像，計算光照圖像中心區(qū)域的均值v_j＝[R_j,G_j,B_j]^t，j∈[1,m]；

將所述m張透射色卡或者反射色卡對應獲得的m個光譜矩陣o^j構成矩陣O，將所述m張透射色卡或者反射色卡對應獲得的m個v_j＝[R_j,G_j,B_j]^t構成矩陣V；

通過以下公式計算獲得矩陣G，表示為：

其中，R_OV表示矩陣O和矩陣V的互相關，R_VV表示矩陣V的自相關。

可選地，所述內窺鏡光源的光譜特性矩陣GL獲取方法包括：

將所述內窺鏡系統(tǒng)的光源產生的光通過內窺鏡插入部輸出，并形成均勻光，使用光譜儀測量獲得該均勻光在所述n個窄帶波段的光功率值，構成光譜功率分布矩陣E，則GL＝1/E。

可選地，所述權重系數(shù)的計算方法包括：

選取采集的反射光圖像中的血管區(qū)域A和非血管區(qū)域B，分別計算兩個區(qū)域在各窄帶波段下的光強度的均值，表示為：

其中，表示血管區(qū)域A在第i個窄帶波段的光強度的均值，表示血管區(qū)域B在第i個窄帶波段的光強度的均值；

根據(jù)上述公式(1)和(2)計算獲得權重系數(shù)矩陣w＝[w_λ1,...,w_λn]^t。

由上述技術方案可知，本發(fā)明所提供的應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法，以預設波段光照射觀測部位，觀測部位的血管區(qū)域和非血管區(qū)域對所述預設波段的照射光的反射率不同，使在采集的反射光圖像中能夠區(qū)分出血管區(qū)域和非血管區(qū)域；并將獲得的反射光圖像進行光譜濾波處理，具體為將反射光圖像的每一像素點的色值矩陣與圖像轉換矩陣相乘，所述圖像轉換矩陣由權重系數(shù)對角矩陣計算獲得，權重系數(shù)對角矩陣的對角元素為反射光圖像在各窄帶波段下光強度的權重系數(shù)，處理后得到觀測部位的成像結果。

與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法，以預設波段光照射觀測部位，得到能夠區(qū)分血管區(qū)域和非血管區(qū)域的反射光圖像，并對圖像進行光譜濾波處理，能夠增強各區(qū)域圖像的特征光譜，從而進一步提升血管區(qū)域與非血管區(qū)域的差異，使圖像對比度提高，提高了成像質量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例采用的截止波長為600nm的短波通濾光片的透過率曲線；

圖3為本發(fā)明實施例中權重系數(shù)矩陣的計算方法的流程圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術方案，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明實施例提供一種應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法，請參考圖1，所述方法包括步驟：

S10：以預設波段的照射光照射觀測部位，采集獲得觀測部位的反射光圖像，所述觀測部位的血管區(qū)域和非血管區(qū)域對所述預設波段的照射光的反射率不同；

S11：將所述反射光圖像的各像素點的色值矩陣分別與圖像轉換矩陣相乘，獲得觀測部位的成像結果，所述圖像轉換矩陣由權重系數(shù)對角矩陣計算獲得，所述權重系數(shù)對角矩陣的對角元素為采集的反射光圖像在各窄帶波段下光強度的權重系數(shù)，所述預設波段被平均分為預設數(shù)量的窄帶波段。

本實施例應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法，以預設波段光照射觀測部位，觀測部位的血管區(qū)域和非血管區(qū)域對所述預設波段的照射光的反射率不同，使采集的觀測部位的反射光圖像中能夠區(qū)分出血管區(qū)域和非血管區(qū)域；并對獲得的反射光圖像進行光譜濾波處理，具體為將反射光圖像的每一像素點的色值矩陣與圖像轉換矩陣相乘，所述圖像轉換矩陣由權重系數(shù)對角矩陣計算獲得，權重系數(shù)對角矩陣的對角元素為反射光圖像在各窄帶波段下光強度的權重系數(shù)，處理后得到觀測部位的成像結果。

與現(xiàn)有方法相比，本實施例成像方法以預設波段光照射觀測部位，得到能夠區(qū)分血管區(qū)域和非血管區(qū)域的反射光圖像，并對圖像進行光譜濾波處理，能增強各區(qū)域圖像的特征光譜，從而進一步提升血管區(qū)域與非血管區(qū)域的差異，使圖像對比度提高，提高了成像質量。

下面對本發(fā)明實施例應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法進行詳細說明。本實施例應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法包括：

S10：以預設波段的照射光照射觀測部位，采集獲得觀測部位的反射光圖像，所述觀測部位的血管區(qū)域和非血管區(qū)域對所述預設波段的照射光的反射率不同。

本方法中，采用光學濾光片設置在所述內窺鏡系統(tǒng)的白光光源處，形成所述預設波段的照射光。具體的，內窺鏡系統(tǒng)的白光光源可采用滿足醫(yī)用內窺鏡冷光源系統(tǒng)行業(yè)標準的光源，可以是氙燈、鹵素燈或白光LED燈。

在可見光范圍內，血紅蛋白具有將600～700nm波長范圍的光幾乎全部散射或反射的特點，因此照射光中存在該波段光，一方面會造成黏膜組織中血管區(qū)域與非血管區(qū)域的反射光譜差異極小，不利于觀察者通過被檢測區(qū)域的血管形態(tài)信息進行臨床疾病診斷與治療，另一方面易于造成由于圖像傳感器達到飽和電平而引起圖像“過曝”現(xiàn)象。基于此原因，本實施例方法中，光學濾光片采用截止波長為600nm的短波通濾光片配置在內窺鏡系統(tǒng)的光源部，請參考圖2，為本實施例采用的截止波長為600nm的短波通濾光片的透過率曲線。

通過光學濾光方式濾除波長大于600nm的照明光，以避免該波段光由于被黏膜組織強烈反射而形成不利于區(qū)分血管區(qū)域與非血管區(qū)域的背景光。并且避免引起圖像“過曝”現(xiàn)象，這樣在成像時，也可以通過適當提高入射光功率的方式，提高波長小于600nm的照射光的強度，來提升系統(tǒng)成像的信噪比。

作為一種優(yōu)選方式，本實施例方法中采用帶寬為400nm～600nm的帶通濾光片，形成400nm～600nm波長范圍的照射光。其中濾除波長小于400nm的照射光，可以避免光源以較大功率且長時間照射在觀測部位的生物組織(例如黏膜組織)時，波長小于400nm的紫外光可能對生物組織造成的光化學損傷。

以波長小于600nm的照射光照射觀測部位，觀測部位中血管區(qū)域和非血管區(qū)域對該波段光的反射率不同，在采集到的觀測部位的反射光圖像中能區(qū)分出血管區(qū)域和非血管區(qū)域。

S11：將所述反射光圖像的各像素點的色值矩陣分別與圖像轉換矩陣相乘，獲得觀測部位的成像結果，所述圖像轉換矩陣由權重系數(shù)對角矩陣計算獲得，所述權重系數(shù)對角矩陣的對角元素為采集的反射光圖像在各窄帶波段下光強度的權重系數(shù)，所述預設波段被平均分為預設數(shù)量的窄帶波段。

通過將反射光圖像的各像素點的色值矩陣分別與圖像轉換矩陣相乘，來對采集的反射光圖像進行光譜濾波處理。其中圖像轉換矩陣通過以下方法獲得。

所述圖像轉換矩陣的計算公式為：

C＝k·(M*T*L*W*sysG)；

其中，C表示所述圖像轉換矩陣，所述預設波段被平均分為n個窄帶波段，Δλ表示所述窄帶波段的波長間隔，S_λi表示內窺鏡系統(tǒng)的光源在第i窄帶波段的相對光譜功率分布值，表示XYZ色度系統(tǒng)中對應第i窄帶波段的色度函數(shù)的分量；M表示由XYZ空間轉RGB空間的顏色轉換矩陣，T表示可見光下所述n個窄帶波段的三刺激值構成的三刺激值矩陣，L表示標準光源在所述n個窄帶波段的光功率值構成的光譜功率分布矩陣，sysG表示所述內窺鏡系統(tǒng)的光譜特性矩陣，W表示所述權重系數(shù)對角矩陣。

其中，可具體采用1931CIE-XYZ色度系統(tǒng)中的色度函數(shù)的分量。

矩陣T表示可見光下各所述窄帶波段的三刺激值構成的三刺激值矩陣，構成該矩陣的元素對應于光的波長信息，該矩陣的大小為3×n。表示為：

矩陣L具體可以是D65標準光源的光譜功率分布矩陣，是大小為n×n的對角矩陣，表示為：

矩陣sysG表示所述內窺鏡系統(tǒng)的光譜特性矩陣，所述內窺鏡系統(tǒng)的光譜特性矩陣由所述內窺鏡系統(tǒng)的輸出光在各窄帶波段的光功率值構成，內窺鏡系統(tǒng)的光譜特性矩陣sysG由所述內窺鏡系統(tǒng)光源的光譜特性矩陣GL與所述內窺鏡系統(tǒng)插入部的光譜特性矩陣G相乘獲得，表示為：

sysG＝G*[GL GL GL]。

其中，矩陣sysG為n×3矩陣，矩陣G為n×3矩陣，矩陣GL為n×1矩陣，“*”表示矩陣相乘。

其中，所述內窺鏡系統(tǒng)插入部的光譜特性矩陣G獲取方法包括：

S20：選用m張透射色卡或者反射色卡，以可見光照射每一透射色卡或者反射色卡，獲得均勻的透射光或者反射光，采用光譜儀測量獲得該均勻光的光譜矩陣o^j，使用所述內窺鏡系統(tǒng)采集該均勻光的光照圖像，計算光照圖像中心區(qū)域的均值v_j＝[R_j,G_j,B_j]^t，j∈[1,m]，“t”表示矩陣轉置。

為獲得均勻的透射光或者反射光，可以將透射色卡或者反射色卡形成的透射光或者反射光導入到積分球內，來得到亮度足夠的均勻光。

S21：將m張透射色卡或者反射色卡對應獲得的m個光譜矩陣o^j構成矩陣O，將m張透射色卡或者反射色卡對應獲得的m個v_j＝[R_j,G_j,B_j]^t構成矩陣V，表示為：

S22：通過以下公式計算獲得矩陣G，表示為：

其中，R_OV表示矩陣O和矩陣V的互相關，R_VV表示矩陣V的自相關。

所述內窺鏡光源的光譜特性矩陣GL獲取方法包括：將所述內窺鏡系統(tǒng)的光源產生的光通過內窺鏡插入部輸出，并形成均勻光，使用光譜儀測量獲得該均勻光在所述n個窄帶波段的光功率值，構成n×1的光譜功率分布矩陣E，則GL＝1/E。

將所述內窺鏡系統(tǒng)的光源和所述內窺鏡插入部的光纖當成一個整體，將光源的輸出光通過內窺鏡插入部的光纖后，通過某種裝置，例如積分球，形成均勻光，使用光譜儀測量獲得該均勻光在所述n個窄帶波段的光功率值，構成n×1的光譜功率分布矩陣E，則GL＝1/E。

矩陣W是n×n對角矩陣，其對角元素由權重系數(shù)矩陣w＝[w_λ1,…,w_λn]^t中的各個元素構成，表示為：

權重系數(shù)矩陣w＝[w_λ1,…,w_λn]^t的各元素為反射光圖像在各窄帶波段下光強度的權重系數(shù)，請參考圖3，獲得該權重系數(shù)矩陣w＝[w_λ1,…,w_λn]^t的計算方法如下：

S30：以預設波段的照射光照射觀測部位，采集獲得觀測部位的反射光圖像。采用所述內窺鏡系統(tǒng)，以預設波段的照射光照射某一觀測部位，獲得觀測部位的反射光圖像。

S31：選取采集的反射光圖像中的血管區(qū)域A和非血管區(qū)域B，分別計算兩個區(qū)域在各窄帶波段下的光強度的均值。

在區(qū)域A與區(qū)域B中，坐標(x，y)處的像素點在各窄帶波段的反射光強度矩陣R_x,y由下述公式計算獲得：

R_x,y＝[r_λ1,...,r_λn]^t＝sysG*[r,g,b]^t；

區(qū)域A和區(qū)域B在各窄帶波段下的光強度的均值表示為：

其中，表示血管區(qū)域A在第i個窄帶波段的光強度的均值，表示血管區(qū)域B在第i個窄帶波段的光強度的均值。

S32：根據(jù)上述公式(1)和(2)計算獲得權重系數(shù)矩陣w＝[w_λ1,...,w_λn]^t。

具體通過最優(yōu)化光譜計算，根據(jù)公式(1)和(2)計算獲得權重系數(shù)矩陣w。

可選的，本實施例中可采用基于有約束的非線性最小化數(shù)學模型求解權重系數(shù)矩陣w，使得表達式的值最小，求解獲得權重系數(shù)矩陣w。

在計算獲得所述內窺鏡系統(tǒng)的光譜特性矩陣sysG和權重系數(shù)對角矩陣W后，則可根據(jù)圖像轉換矩陣C的計算公式計算獲得圖像轉換矩陣C。

在獲得圖像轉換矩陣C后，將該圖像轉換矩陣C存儲在相應的內窺鏡系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中，在內窺鏡系統(tǒng)探測工作時則可對采集的觀測部位的反射光圖像進行實時的處理，獲得成像結果。

對于采集的反射光圖像，將反射光圖像的各像素點的色值矩陣[r,g,b]^t與圖像轉換矩陣C相乘，獲得處理后的成像結果，表示為：

本發(fā)明應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法，濾除600nm以上波段照射光，以避免該波段光由于被黏膜組織強烈反射而形成不利于區(qū)分血管區(qū)域與非血管區(qū)域的背景光，使在采集的反射光圖像中能夠凸顯血管區(qū)域和非血管區(qū)域；并且，進一步對反射光圖像進行光譜濾波處理，能增強各區(qū)域圖像的特征光譜，從而提升了血管區(qū)域與非血管區(qū)域的差異，使圖像對比度提高，提高了成像質量。

本發(fā)明應用于內窺鏡系統(tǒng)的成像方法，采用光學濾波器件，濾除600nm以上波段照射光，與現(xiàn)有方法中形成窄帶照明光相比，形成的照射光仍為寬光譜光源，可保證足夠的照明光功率，也可通過適當提高照明光功率，使圖像亮度與圖像信噪比提高。

以上對本發(fā)明所提供的應用于內窺鏡的成像方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權利要求的保護范圍內。