[发明专利]一种基于两阶段空间映射的组织血氧成像检测方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及成像检测技术领域，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。

背景技术

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(optical intrinsic signal imaging，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，Sen Abhishek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。

发明内容

本发明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。

本发明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；