一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法技术

本发明专利技术涉及一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法，属于生物医学技术领域。本发明专利技术提出了一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法。本发明专利技术通过使用卤素灯光源照射至人体不同部位的皮肤组织，同时利用普通工业相机和高光谱相机采集同一皮肤区域的RGB和高光谱图像作为数据集。基于深度学习方法构建了RGB图像到组织血氧特征高光谱图像的光谱重建模型，进而实现了将新拍摄的皮肤组织RGB图像重建为高物理可靠性皮肤组织高光谱图像，并通过改进的朗伯比尔模型，最终获得了组织血氧含量二维空间分布图。本发明专利技术提供了一种简单低成本的组织血氧非接触式监测方法，其结果可作为多种疾病的监测评估依据。种疾病的监测评估依据。种疾病的监测评估依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法


[0001]本专利技术涉及一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法，具体涉及一种将深度学习用于光谱重建从而实现由皮肤RGB图像获得组织血氧含量二维空间分布的方法，属于生物医学


技术介绍

[0002]组织血氧浓度是指组织微循环中血液的氧饱和度，反映身体中氧气输送和消耗情况，其范围从静脉血氧浓度的60％到动脉血氧浓度的98％。临床应用中，组织血氧是血液灌注和血液氧合变化的重要指标，用于人体组织区域的功能状态监测，是中枢低血容量和低血容量休克症状以及糖尿病足溃疡等多种疾病的监测评估指标。测量组织血氧的传统方法要求直接接触被测组织，这对于临床上多数有受伤创面的皮肤而言是不现实的，且在空间上不能对区域组织血氧信息有完整描述。高光谱成像技术(HSI)作为一种新型的、非接触式的光学诊断技术，其对组织血氧的测量结果可以以空间二维组织血氧图的形式呈现。它结合成像和光谱的混合模式，通过在二维检测器阵列的每个像素处收集光谱信息，产生空间和光谱信息的三维数据集。其丰富的图像信息和光谱信息为临床医学提供了一种有效的辅助诊断手段，具有巨大的发展潜力。
[0003]由于生物组织中的含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、黑色素等生色团对不同波长光的吸光度不同，导致其漫反射光谱存在明显的光学特性差异。高光谱成像技术通过采集其高光谱图像，采用特定的评估方法建立合适的高光谱成像人体皮肤组织评估模型,可以得到组织区域中含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白等人体组织发色团的含量,从而得到特定区域的组织血氧含量二维分布图。
[0004]然而高光谱设备通常结构复杂，价格昂贵，且操作繁琐,不利于区域组织成像的临床推广，也不利于未来家庭场景的生理参数日常监测的普及。与之相比较由普通可见光成像设备获取的RGB图像虽包含信息量较小但更易获取。随着深度学习算法的发展，其强大的计算能力以及模型的可移植性，以数据为驱动提升模型的可靠性等优点，已被广泛应用于多场景的高光谱图像重建中。将深度学习技术应用于皮肤组织RGB图像到高光谱图像的重建中并用来评估组织血氧含量可以极大方便组织血氧的个人日常监测，从而实现对一些疾病的预测诊断。

技术实现思路

[0005]针对目前在对组织血氧浓度进行成像式非接触监测时所用到的高光谱设备价格昂贵、结构复杂、操作繁琐等问题，本专利技术公开了一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法。该方法基于深度学习方法训练RGB图像到高光谱图像的光谱重建模型，针对重建出的高光谱图像，使用最小二乘法回归得到了组织血氧含量的二维空间分布图像。本专利技术提供了一种简单低成本的组织血氧监测方法。同时，有望与智能手机结合，实现可负担得起的皮肤健康检测。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007]一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1、同时利用高光谱相机和普通工业相机分别采集同一光照区域下含有皮肤组织的高光谱图像和RGB图像以及校准板图像；
[0009]步骤2、对步骤1采集到的图像进行预处理，得到相对应的HSI
‑
RGB数据对；
[0010]1)、在光谱通道层面：针对采集到的高光谱数据截取特征波段(450nm
‑
600nm)并对该波段数据进行光谱降维至31个光谱通道，波段步长为5nm。；
[0011]2)、在空间图像层面：利用阈值去除背景噪声并进行中值滤波处理
[0012]步骤3、重复步骤1和2，采集不同人在不同血氧含量状态下的手部HSI、RGB图像并处理；
[0013]步骤4、对步骤3得到的大量HSI、RGB数据配对后作为数据集输入神经网络模型中进行训练，得到光谱重建模型；
[0014]步骤5、在步骤1实验条件下，利用工业相机对新的受试者采集RGB图像，输入训练好的重建模型，输出高光谱图像，之后代入改进的朗伯比尔模型使用最小二乘法回归获得最终的组织血氧含量空间分布图。
[0015]有益效果
[0016]1、本专利技术一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法，是基于深度学习技术进行光谱重建，并结合最小二乘回归从高光谱数据中提取生理参数信息从而实现对组织血氧浓度进行非接触成像。
[0017]2、本专利技术适用于人体不同部位的组织血氧浓度的获取，其结果可以作为中枢低血容量和低血容量休克症状以及糖尿病足等多种疾病的日常监测和评估依据。
[0018]3、本专利技术利用非接触的光学检测方式无创伤、简单、便捷的实现了组织血氧浓度的评估，实现了可负担的组织血氧浓度日常监测。避免了使用结构复杂、价格昂贵、操作繁琐的高光谱设备。
附图说明
[0019]图1为实施例提供的基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法的HSI
‑
RGB数据集采集示意图；
[0020]图2为实施例提供的基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法的实际测量时RGB图像采集示意图；
[0021]图3为实施例提供的基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法的算法流程示意图
具体实施方式
[0022]为使本专利技术的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本专利技术提出的一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法和装置作进一步详细说明。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的，附图所展示的结构是实际结构的一部分；本专利技术RGB图像的获取部位不局限于人体手部，人体其他部位同样适用。本专利技术中所采用的深度学习光谱重建模型不
局限于某种分层回归模型。
[0023]本专利技术实施例以亚洲黄种人作为受试者。
[0024]一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法，其数据集采集示意图如图1所示，其实际测量时RGB图像采集示意图如图2所示，其总体算法流程示意图如图3所示。
[0025]步骤1，同时利用高光谱相机和普通工业相机分别采集同一光照区域下含有皮肤组织的高光谱图像和RGB图像以及校准板图像；
[0026]步骤1
‑
1，启动光源与相机：
[0027]受试者静止坐在椅子上，使用卤素灯光源对人体手部的皮肤组织进行光照，同时开启高光谱相机和RGB相机，将两个相机对焦至图像清晰处。所述实施例以手部图像作为获取组织血氧信息的部位作为实施例进行说明。
[0028]步骤1
‑
2，图像采集：
[0029]利用高光谱相机和工业相机采集相应光照区域采集图像的尺寸为512
×
482，高光谱相机对应探测波段为387nm
‑
999nm，步长为1.7nm，对应360个光谱通道。拍摄期间受试者保持相对静止的状态。对于高光谱相机，还需另外在手部位置放置固定反射率白板拍摄白板图像以及将相机摄像头遮住拍摄黑板图像以合成皮肤漫反射光谱图像。
[0030]步骤2，对步骤1采集到的图像进行数据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于RGB图像光谱重建的组织血氧评估方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、同时利用高光谱相机和普通工业相机分别采集同一光照区域下含有皮肤组织的高光谱图像和RGB图像以及校准板图像；步骤2、对步骤1采集到的图像进行数据处理，得到相对应的HSI
‑
RGB数据对；1)、在光谱通道层面：针对采集到的高光谱数据截取特征波段(450nm
‑
600nm)并对该波段数据进行光谱降维至31个光谱通道，波段步长为5nm；2)、在空间图像层面：利用阈值方法去除背景噪声并进行中值滤波处理。步骤3、重复步骤1和2，采集不同人在不同血氧含量状态下的手部HSI、RGB图像并处理，其中针对不同血氧含量状态的具体操作方法为：对...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令琴，王雨晨，董立泉，赵跃进，刘明，惠梅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：