一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，包括以下步骤：术前构建组织结构模型；设定组织中物质种类及光学参数；进行反射式光学成像模拟，得到高维全光谱信息；基于照明光源和成像相机的光谱特性，得到低维RGB通道的映射数据集；使用流形降维算法，以血氧饱和度为主参数实现高维光谱数据的降维，并构建第一核函数，实现降维后数据集与低维RGB通道数据集的映射；基于L1优化策略，得到第一核函数的逆运算映射关系；对术中实际的待检测组织成像，通过调整后的逆运算映射关系实时计算得到血氧饱和度的估计值。与现有技术相比，本发明专利技术利用两阶段空间映射关系，能够有效增加血氧参数估计的准确性，同时保证成像检测的实时性。

A detection method of tissue oximetry based on two-stage spatial mapping

【技术实现步骤摘要】
一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法
本专利技术涉及成像检测
，尤其是涉及一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，以直接利用术中白光视野RGB图像实现术中组织血氧的实时准确检测，其目的不是为了获得诊断结果、健康状态或治疗手段。
技术介绍
大量的临床手术实践已经表明实时血氧信息检测的重要性，尤其在外科手术领域，实时监测血氧分布和变化情况，能够有效降低手术风险、改善手术愈后。为实现含(去)氧血红蛋白含量、血容量、血氧饱和度等生理参数的检测，目前常采用组织灌注的方式，组织灌注是一种借助造影剂的荧光成像方法，但造影剂的注射会给患者带来一定的风险，同时增加操作复杂性。发展无需造影剂的血氧成像和检测方法是临床所需，在传统光学成像中，可以使用内源光信号成像(opticalintrinsicsignalimaging，OISI)技术，通过外加2至3种独立单波长光源(可见光波段，使用白光滤波、LED或激光获得)对成像区域进行照明，记录不同波长下组织的反射图像，并利用朗伯比尔定律计算出相对血红蛋白的浓度等参数。然而在实际应用中，不同波长的单独照明会影响手术正常的白光视野，给手术操作带来干扰，因此，该方法无法满足术中应用的需求。若直接利用术中白光视野的RGB图像实现组织区域血氧信息的检测，不改变原有手术操作环境和视野环境，将极大方便术中应用。近年来，出现了一些基于该策略的检测方法，比如针对哺乳动物的结膜，SenAbhishek等提出用彩色图像的RGB或HSV值直接反映结膜处的血红蛋白分布等。这些方法对应用场景有较强的限制，普适性和准确性均无法达到实际临床应用的要求。其主要原因是，这些方法将手术视野内组织等效于成分单一(含氧和去氧血红蛋白)的理想组织，组织的解剖结构信息和其他成分均被忽略；此外，直接使用朗伯比尔定律构建方程组，等效于透射成像的分析求解，并未考虑到实际反射式成像中，检测到的光子其经过组织多次散射扩散传播的特性，这无疑会降低检测结果的实时准确性。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，能够直接利用术中白光视野RGB图像实现术中组织血氧检测的目的，且能保证检测结果的实时性和准确性。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，包括以下步骤：S1、根据组织的解剖学特征和个体影像学数据，构建组织模型，并确定组织结构参数，若没有个体影像学数据，则需对组织结构参数的可变范围进行设定；S2、确定组织中含有物质的种类，并对各物质种类的光学参数可变范围进行设定，其中，光学参数包括吸收系数、散射系数、折射率和各向异性参数；S3、通过蒙特卡洛仿真的方式，对组织模型进行反射式光学成像模拟，得到不同血氧含量条件下，组织结构参数以及各物质种类的光学参数在可变范围内各种组合对应的组织全光谱信息，至此构建得到第一阶段从低维(血氧含量)到高维(组织结构参数和各物质种类的光学参数)的映射数据集；S4、基于照明光源的光谱分布以及相机RGB通道的光谱响应特性，得到高维光谱数据到低维RGB通道的映射数据集；S5、采用流形降维算法，以血氧饱和度作为主参数，对高维光谱数据进行降维处理，并构建第一核函数，进一步实现降维后数据集与低维RGB通道数据集的映射；S6、基于L1范数优化算法，分别得到RGB三个通道的第一核函数的逆运算映射关系，至此完成第二阶段高维到低维的映射，以得到血氧饱和度的估计值；S7、实时获取术中组织区域监控视频，并基于步骤S6得到的逆运算映射关系，实时转换得到血氧含量的检测图像。进一步地，所述步骤S1中组织模型至少包括两层：第一层为组织边界外的空气层，第二层为组织层。进一步地，所述步骤S2中组织中含有物质的种类包括含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、水、脂肪和吸光物质，所述光学参数可变范围具体为1％～20％。进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：S31、以一组包含不同波长且数目一定的光子作为入射光源，设定光子的初始权重为1，之后执行步骤S32，开始模拟光子在组织模型中传播的过程；S32、使光子从上方垂直进入组织模型；S33、计算光子的补偿以及下一个传输位置坐标；S34、光子与组织模型发生吸收作用，使得光子权重衰减；S35、光子与组织模型发生散射作用，使得光子传播方向发生改变；S36、当光子权重衰减至0或者光子逸出组织模型，则认为光子已消亡、终止模拟过程；S37、统计组织模型入射侧各波长下光子的数量，获得组织模型在不同光波长下的反射光谱分布，根据组织模型中光学特性参数的可变范围进行多次模拟过程，最终得到具有一定变化范围区间的组织模型的反射光谱。进一步地，所述步骤S4具体是分别获取照明光源的光谱功率分布以及相机的光谱敏感曲线，以计算得到组织模型各空间位置处经相机拍摄获得的RGB三通道光强值组合，即得到高维光谱数据到低维RGB通道的映射数据集。进一步地，所述步骤S5具体包括以下步骤：S51、设定高位数据集的维度为设高维数据集的维度为N，则高维光谱数据集合为共T个数据，在高维空间中，将每一个数据点作为流形几何中图的点，点与其邻近点之间使用边来连接，经过步骤S52～S54实现降维，获得降维后的数据集S52、构建邻接图G——基于输入空间M中流形G上的邻近点对i,j之间的欧式距离dx(i,j)，选取每个样本点距离最近的K个点或在样本点选定半径为常数ε的圆内所有点为该样本点的邻近点，将这些邻近点用边连接，将流形G构建为一个反映邻近关系的带权流通图G；S53、计算所有点对之间的最短路径——通过计算邻接图G上任意两点之间的最短路径逼近流形上的测地距离矩阵DG＝{dG(i,j)}，最短路径的实现可由Floyd算法获得；S54、构建k维坐标向量——根据距离矩阵DG＝{dG(i,j)}，使用经典MDS算法在d维空间Y中构造数据的嵌入坐标表示，选择低维空间Y的任意两个嵌入坐标向量yi与yj，使得代价函数最小化：上式的全局最优解具体是通过将坐标向量yi设置为距离矩阵DG前d个特征值对应的特征向量来得到；S55、根据全体T个高维光谱数据与RGB通道数据的对应关系，对于R通道、G通道和B通道分别构建相应的第一核函数，实现低维空间Y与R、Y与G、Y与B的映射。进一步地，所述步骤S6具体包括以下步骤：S61、针对一组实际的RGB光强值的组合{Ii}(i＝1,2,3)，基于L1范数优化算法，计算与其差异度最小的Y值所属的光强值范围组合；S62、再基于L1范数优化算法，选取出该RGB通道光强值所对应的Y值中差异度最小的Y值，以实现第一核函数的逆运算操作，即得到RGB值与降维后的Y集合的映射，以此得到血氧饱和度的估计值。进一步地，所述步骤S61中差异度的计算公式为：其中，l为特定的Yi与全部Y值组合之间的差异度，Yi为RGB三通道光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据组织的解剖学特征和个体影像学数据，构建组织模型，并确定组织结构参数，若没有个体影像学数据，则需对组织结构参数的可变范围进行设定；/nS2、确定组织中含有物质的种类，并对各物质种类的光学参数可变范围进行设定，其中，光学参数包括吸收系数、散射系数、折射率和各向异性参数；/nS3、通过蒙特卡洛仿真的方式，对组织模型进行反射式光学成像模拟，得到不同血氧含量条件下，组织结构参数以及各物质种类的光学参数在可变范围内各种组合对应的组织全光谱信息，至此构建得到第一阶段从低维(血氧含量)到高维(组织结构参数和各物质种类的光学参数)的映射数据集；/nS4、基于照明光源的光谱分布以及相机RGB通道的光谱响应特性，得到高维光谱数据到低维RGB通道的映射数据集；/nS5、采用流形降维算法，以血氧饱和度作为主参数，对高维光谱数据进行降维处理，并构建第一核函数，进一步实现降维后数据集与低维RGB通道数据集的映射；/nS6、基于L1范数优化算法，分别得到RGB三个通道的第一核函数的逆运算映射关系，至此完成第二阶段高维到低维的映射，以得到血氧饱和度的估计值；/nS7、实时获取术中组织区域监控视频，并基于步骤S6得到的逆运算映射关系，实时转换得到血氧含量的检测图像。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据组织的解剖学特征和个体影像学数据，构建组织模型，并确定组织结构参数，若没有个体影像学数据，则需对组织结构参数的可变范围进行设定；
S2、确定组织中含有物质的种类，并对各物质种类的光学参数可变范围进行设定，其中，光学参数包括吸收系数、散射系数、折射率和各向异性参数；
S3、通过蒙特卡洛仿真的方式，对组织模型进行反射式光学成像模拟，得到不同血氧含量条件下，组织结构参数以及各物质种类的光学参数在可变范围内各种组合对应的组织全光谱信息，至此构建得到第一阶段从低维(血氧含量)到高维(组织结构参数和各物质种类的光学参数)的映射数据集；
S4、基于照明光源的光谱分布以及相机RGB通道的光谱响应特性，得到高维光谱数据到低维RGB通道的映射数据集；
S5、采用流形降维算法，以血氧饱和度作为主参数，对高维光谱数据进行降维处理，并构建第一核函数，进一步实现降维后数据集与低维RGB通道数据集的映射；
S6、基于L1范数优化算法，分别得到RGB三个通道的第一核函数的逆运算映射关系，至此完成第二阶段高维到低维的映射，以得到血氧饱和度的估计值；
S7、实时获取术中组织区域监控视频，并基于步骤S6得到的逆运算映射关系，实时转换得到血氧含量的检测图像。


2.根据权利要求1所述的一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，其特征在于，所述步骤S1中组织模型至少包括两层：第一层为组织边界外的空气层，第二层为组织层。


3.根据权利要求1所述的一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，其特征在于，所述步骤S2中组织中含有物质的种类包括含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、水、脂肪和吸光物质，所述光学参数可变范围具体为1％～20％。


4.根据权利要求1所述的一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、以一组包含不同波长且数目一定的光子作为入射光源，设定光子的初始权重为1，之后执行步骤S32，开始模拟光子在组织模型中传播的过程；
S32、使光子从上方垂直进入组织模型；
S33、计算光子的补偿以及下一个传输位置坐标；
S34、光子与组织模型发生吸收作用，使得光子权重衰减；
S35、光子与组织模型发生散射作用，使得光子传播方向发生改变；
S36、当光子权重衰减至0或者光子逸出组织模型，则认为光子已消亡、终止模拟过程；
S37、统计组织模型入射侧各波长下光子的数量，获得组织模型在不同光波长下的反射光谱分布，根据组织模型中光学特性参数的可变范围进行多次模拟过程，最终得到具有一定变化范围区间的组织模型的反射光谱。


5.根据权利要求4所述的一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体是分别获取照明光源的光谱功率分布以及相机的光谱敏感曲线，以计算得到组织模型各空间位置处经相机拍摄获得的RGB三通道光强值组合，即得到高维光谱数据到低维RGB通道的映射数据集。


6.根据权利要求5所述的一种基于两阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：童善保，禹婧祎，苗鹏，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海德芬生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31