一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统，首先获得待分类生物组织对应的穆勒矩阵及其穆勒偏振参数组合，再根据穆勒偏振参数组合的统计量构建偏振特征矩阵，最后由支持向量机对基于穆勒偏振技术获取的且由多个偏振特征量形成的偏振特征矩阵进行联合评估，得到生物组织的所属类别；本发明专利技术联合多个标量偏振参数(标量相位延迟、标量偏振度、标量退偏、标量双向衰减等)和多个矢量偏振参数(矢量相位延迟、矢量偏振度、矢量双向衰减等)作为关键特征来对生物组织进行分类，实现对生物组织微观结构全面的定性分析及精准的定量鉴别，能够大大减小随机因素的影响，提高分类的准确率。分类的准确率。分类的准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统


[0001]本专利技术属于偏振测量的
，尤其涉及一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统。

技术介绍

[0002]光与介质相互作用会发生散射，散射过程中光子偏振态的改变与散射介质的微观结构有密切关系。大部分生物组织都是高散射介质，但光经过多次散射会失去原本携带的偏振信息，影响成像的对比度和分辨率。穆勒偏振技术通过对光子偏振态进行合适的筛选，抑制多次散射并丧失原有偏振态的“扩散光子”对图像的贡献，提高保持原有偏振的少次散射“弹道光子”和“蛇行光子”的作用，从而改善图像质量，提高组织浅表层成像对比度，可以反应散射介质微观结构。穆勒偏振成像作为一种非标记、无损伤、能全面反映生物介质偏振光学特性的检测技术，在生物医学领域表现出独特的优势。
[0003]穆勒偏振成像仪基于偏振器件对入射光的偏振态进行调制的原理设计、搭建而成，可以实现样本的透射式及反射式检测，如图1所示，常见的穆勒偏振检测系统包括照明模块、偏振检测模块、CCD成像模块及数据处理模块。照明模块包括：光源101；偏振检测模块：包括由线偏振片102和四分之一波片103顺序排列组成的偏振态产生器(PSG)、聚光镜104、样本台105、显微物镜106、及四分之一波片107和线偏振片108顺序排列组成的偏振态分析器(PSA)；CCD成像模块选用满足物镜最高分辨率的CCD相机109；数据处理模块110主要由参数设置、图像采集、数据处理、结果显示与保存等模块组成。穆勒偏振检测中，采用16次旋转波片测量法,通过CCD采集的16幅强度图像，发送到数据处理模块，进一步处理得到样本的4
×
4穆勒矩阵图像，通过数学分解方法可以获得样本的标量退偏、相位延迟和双向衰减等偏振表征参量，分析样本的偏振特性和结构信息。为了提高穆勒偏振成像仪的测量精度，采用本征值标定法(ECM)对测量装置进行标定，可以实现生物组织的高精度、高分辨率穆勒偏振成像。
[0004]在穆勒偏振成像技术检测生物组织病变中，样本穆勒矩阵包含的偏振信息比较复杂，不易解读对应样本的结构信息，而极分解方法可以从样本穆勒矩阵中提取具有明确物理意义的偏振参数已被广泛地用作定性及定量分析，如线性相位延迟可以反映蛋白质等纤维结构的排列顺序、相位延迟快轴方位角可以反映纤维结构的取向分布。但目前的研究存在如下问题：
[0005]第一、传统采用极分解方法获取标量偏振图像，如标量相位延迟、退偏、双向衰减、线性相位延迟、圆延迟、线性退偏、圆退偏图像等，从单一的标量偏振参数图像进行样本结构分析，只可以观察到该偏振参数随组织病变的大小变化趋势以及影响该偏振参数的组织结构大致分布，如通过标量相位延迟图像只可以定性地观察到相位延迟值随组织病变程度不同而大小不同的趋势，或者可以观察到影响相位延迟的胶原纤维结构的大致分布，但标量相位延迟图将水平相位延迟参数反映的垂直分布纤维结构、45
°
相位延迟参数反映的沿135
°
方向分布的纤维结构、圆延迟参数反映的纤维螺旋结构等混在一起，不能从其图像中
观察到各自纤维结构的排布细节，提供的结构信息不够全面。
[0006]第二、目前与穆勒偏振成像技术相结合的定量分析方法包括：1.计算穆勒矩阵及分解参数的强度图(或空间频谱图)的统计参数(均值、中位数、标准差、偏度、峰度等)，继而进行统计分析，这种方法可以从单一角度下的某一特征量实现定量分类，但是受随机因素影响较大，不能实现多参数联合表征，分类准确率由样本量的多少决定；2.结合基于机器学习中的神经网络方法对不同病变程度组织样本实现建模分类，这种方法可以对多参数进行联合表征，受随机因素影响较小，实现了一定程度的定量分类，但同样面临准确率由样本量多少决定的局限性。

技术实现思路

[0007]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统，能够提高偏振图像的对比度，实现对生物组织微观结构更全面的定性分析以及对不同类型组织更精准的定量鉴别分类。
[0008]一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统，包括穆勒矩阵获取模块、矩阵分解模块、偏振特征提取模块以及M分类支持向量机，其中，M至少为2；
[0009]所述穆勒矩阵获取模块用于获取生物组织样本的穆勒矩阵；
[0010]所述矩阵分解模块采用极分解方法对所述穆勒矩阵进行分解，得到穆勒偏振参数组合，其中，所述穆勒偏振参数组合包括标量双向衰减D，矢量双向衰减的水平线双向衰减分量D
H
、45
°
线双向衰减分量D
45
、圆双向衰减分量D
C
，标量退偏Δ的水平线退偏分量Δ
H
、45
°
线退偏分量Δ
45
、圆退偏分量ΔC，标量偏振度，矢量偏振度的水平线偏振度分量P
H
、45
°
线偏振度分量P
45
、圆偏振度分量P
C
，标量相位延迟R，矢量相位延迟的水平线相位延迟分量R
H
、45
°
线相位延迟分量R
45
、圆相位延迟分量R
C
以及快轴方位角；
[0011]所述偏振特征提取模块用于分别获取穆勒偏振参数组合中每个穆勒偏振参数对应的统计量组合，并将各穆勒偏振参数对应的统计量组合构成偏振特征矩阵，其中，所述统计量组合包括均值、标准差、熵、偏度、峰度以及四分位差；
[0012]所述M分类支持向量机用于接收所述偏振特征矩阵，输出生物组织样本的所属类别以及属于该类别的概率。
[0013]进一步地，一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统，还包括真彩色图获取模块、类别判断模块、病理分析结果获取模块；
[0014]所述真彩色图获取模块用于将矢量双向衰减的水平线双向衰减分量D
H
、45
°
线双向衰减分量D
45
、圆双向衰减分量D
C
分别映射为绿、红、蓝三通道，再采用真彩色图像处理算法合成矢量双向衰减真彩色图；
[0015]人工判断所述矢量双向衰减真彩色图的所属类别；
[0016]所述类别判断模块用于判断M分类支持向量机输出的所属类别与根据矢量双向衰减真彩色图得到的所属类别是否相同，若相同，则M分类支持向量机输出的所属类别为生物组织样本最终所属类别；
[0017]所述病理分析结果获取模块用于在M分类支持向量机输出的所属类别与根据矢量双向衰减真彩色图得到的所属类别不相同时，获取生物组织样本的病理学分析结果，并将
病理学分析结果作为生物组织样本最终所属类别。
[0018]进一步地，一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统，还包括真彩色图获取模块、类别判断模块、病理分析结果获取模块；
[0019]所述真彩色图获取模块用于将矢量偏振度的水平线偏振度分量P
H
、45
°...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统，其特征在于，包括穆勒矩阵获取模块、矩阵分解模块、偏振特征提取模块以及M分类支持向量机，其中，M至少为2；所述穆勒矩阵获取模块用于获取生物组织样本的穆勒矩阵；所述矩阵分解模块采用极分解方法对所述穆勒矩阵进行分解，得到穆勒偏振参数组合，其中，所述穆勒偏振参数组合包括标量双向衰减D，矢量双向衰减的水平线双向衰减分量D
H
、45
°
线双向衰减分量D
45
、圆双向衰减分量D
C
，标量退偏Δ的水平线退偏分量Δ
H
、45
°
线退偏分量Δ
45
、圆退偏分量Δ
C
，标量偏振度，矢量偏振度的水平线偏振度分量P
H
、45
°
线偏振度分量P
45
、圆偏振度分量P
C
，标量相位延迟R，矢量相位延迟的水平线相位延迟分量R
H
、45
°
线相位延迟分量R
45
、圆相位延迟分量R
C
以及快轴方位角；所述偏振特征提取模块用于分别获取穆勒偏振参数组合中每个穆勒偏振参数对应的统计量组合，并将各穆勒偏振参数对应的统计量组合构成偏振特征矩阵，其中，所述统计量组合包括均值、标准差、熵、偏度、峰度以及四分位差；所述M分类支持向量机用于接收所述偏振特征矩阵，输出生物组织样本的所属类别以及属于该类别的概率。2.如权利要求1所述的一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统，其特征在于，还包括真彩色图获取模块、类别判断模块、病理分析结果获取模块；所述真彩色图获取模块用于将矢量双向衰减的水平线双向衰减分量D
H
、45
°
线双向衰减分量D
45
、圆双向衰减分量D
C
分别映射为绿、红、蓝三通道，再采用真彩色图像处理算法合成矢量双向衰减真彩色图；人工判断所述矢量双向衰减真彩色图的所属类别；所述类别判断模块用于判断M分类支持向量机输出的所属类别与根据矢量双向衰减真彩色图得到的所属类别是否相同，若相同，则M分类支持向量机输出的所属类别为生物组织样本最终所属类别；所述病理分析结果获取模块用于在M分类支持向量机输出的所属类别与根据矢量双向衰减真彩色图得到的所属类别不相同时，获取生物组织样本的病理学分析结果，并将病理学分析结果作为生物组织样本最终所属类别。3.如权利要求1所述的一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统，其特征在于，还包括真彩色图获取模块、类别判断模块、病理分析结果获取模块；所述真彩色图获取模块用于将矢量偏振度的水平线偏振度分量P
H
、45
°
线偏振度分量P
45
、圆偏振度分量P
C
分别映射为绿、红、蓝三通道，再采用真彩色图像处理算法合成矢量偏振度真彩色图；人工判断所述矢量偏振度真彩色图的所属类别；所述类别判断模块用于判断M分类支持向量机输出的所属类别与根据矢量偏振度真彩色图得到的所属类别是否相同，若相同，则M分类支持向量机输出的所属类别为生物组织样本最终所属类别；所述病理分析结果获取模块用于在M分类支持向量机输出的所属类别与根据矢量偏振度真彩色图得到的所属类别不相同时，获取生物组织样本的病理学分析结果，并将病理学分析结果作为生物组织样本最终所属类别。
4.如权利要求1所述的一种基于穆勒偏振技术的生物组织结构分类系统，其特征在于，还包括真彩色图获取模块、类别判断模块、病理分析结果获取模块；所述真彩色图获取模块用于将矢量相位延迟的水平线相位延迟分量R
H
、45
°
线相位延迟分量R
45
、圆相位延迟分量R
C
分别映射为绿、红、蓝三通道，再采用真彩色图像处理算法合成矢量相位延迟真彩色图；人工判断所述矢量相位延迟真彩色图的所属类别；所述类别判断模块用于判断M分类支持向量机输出的所属类别与根据矢量相位延迟真彩色图得到的所属类别是否相同，若相同，则M分类支持向量机输出的所属类别为生物组织样本最终所属类别；所述病理分析结果获取模块用...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳秋，王文爱，陈国强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：