一种头戴式分子影像导航系统，包括：多光谱光源模块，用于向探测区域照射可见光和近红外光；信号采集模块，用于采集成像对象的近红外荧光图像和可见光图像；头戴式系统支撑模块，用于承载所述多光谱光源模块和所述信号采集模块，以调整所述多光谱光源模块对所述探测区域的照射；图像处理模块，用于对采集的近红外光图像和可见光图像进行图像融合，并输出融合图像。根据本发明实施例，有效实现了影像系统应用中设备的灵活使用，扩展了光学分子影像导航的应用空间。
1. 一种头戴式分子影像导航系统，包括： 多光谱光源模块，用于向探测区域照射可见光和近红外光； 信号采集模块，用于采集成像对象的近红外巧光图像和可见光图像； 头戴式系统支撑模块，用于承载所述多光谱光源模块和所述信号采集模块，W调整所 述多光谱光源模块对所述探测区域的照射范围； 图像处理模块，用于对采集的近红外光图像和可见光图像进行图像融合，并输出融合 图像； 其中，所述图像处理模块对采集的近红外巧光图像和可见光图像进行图像融合包括： 通过使W下能量函数式最小化来获得所述近红外巧光图像的光学特性分布：其中，d为离散Laplace算子，U为位置向量，选择η个表面点作为主要标记点，Pi、ai分别 为成像表面标记点，胖1 = (Pi-ai)移动向量，通过最小化E (U)获得向量化，则a i,, = + Up为表 面变形后的位置，Ad表示一阶导数，U1表示第i个标记点所在位置的位置向量，fQp表示标 记点P位置处的成像表面边界，i筑代表整个图像特征的表面边界，0表示权重系数。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述多光谱光源模块包括： 可见光源，用于向受检对象发射可见光； 近红外激光器，用于向受检对象发射近红外光;和 光源禪合器； 其中，所述光源禪合器禪合所述可见光和近红外光，并通过单根光纤将禪合光连接到 所述头戴式系统支撑模块。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中，所述头戴式系统支撑模块包括： 头戴式系统支架，用于承载所述多光谱光源模块和所述信号采集模块；W及 语音控制模块，用于控制多光谱光源模块的操作，W形成期望范围的探测区域。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述图像处理模块对采集的近红外巧光图像进行 特征提取，包括： 对于图像灰度值G/背景噪声灰度值Gn高于1.5的像素点，将所述像素点的灰度值乘W2; 对于G/Gn低于1.5的像素点，将所述像素点的灰度值除W2。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述图像处理模块对采集的近红外巧光图像和可 见光图像进行图像融合，包括通过下式所示的图像重合度作为配准效果评价标准：其中，A是可见光图像归一化灰度值矩阵，B是巧光图像归一化灰度值矩阵。
6. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述图像处理模块通过点云配准来进一步对近红 外巧光图像和可见光图像进行图像融合。
7. -种应用于权利要求1所述头戴式分子影像导航系统的图像处理方法，包括： 对可见光图像序列和近红外巧光图像序列进行空间运动检测，W便滤除不匹配的微小 位移帖(301); 对经过空间运动检测的所述可见光图像序列进行下采样，得到图像金字塔(303); 采用梯度边缘检测方法，分别对得到的图像金字塔和近红外巧光图像序列进行边缘检 巧。，得到图像边缘(305); 对得到的图像边缘分别进行基于显著性的稀疏采样，从而分别得到采样输出（307); W 及 对得到的采样输出执行配准W便进行图像融合(308)。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述配准包括通过下式所示的图像重合度作为配 准效果评价标准：
其中，A是可见光图像归一化灰度值矩阵，B是近红外巧光图像归一化灰度值矩阵。
9. 根据权利要求7所述的方法，还包括使用点云配准来进一步对近红外巧光图像和可 见光图像进行图像配准。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括对点云配准的结果进行算法收敛性验证。
头戴式分子影像导航系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种成像系统，特别是一种头戴式分子影像导航系统。
背景技术
[0002] 作为无创可视化成像技术的新方法和手段，分子影像在本质上反映了分子调控的 改变所引发的生物体生理分子水平变化和整体机能的变化。因此，在分子水平上在体（in vivo)研究基因、生物大分子和细胞的生命活动是一种重要技术，其中基于分子技术、断层 成像技术、光学成像技术、模拟方法学的在体生物光学成像技术的基础研究，已经成为分子 影像领域研究的热点和难点之一。
[0003] 分子影像设备将传统医学影像技术与现代分子生物学相结合，能够从细胞、分子 层面观测生理或病理变化，具有无创伤、实时、活体、高特异性、高灵敏度以及高分辨率显像 等优点。利用分子影像技术，一方面可极大加快药物的研制开发速度，缩短药物临床前研究 时间；提供更准确的诊断，使治疗方案最佳地匹配病人的基因图谱，帮助制药公司研发个性 化治疗的药物;另一方面，可以在生物医学领域进行应用，实现在体的定量分析、影像导航、 分子分型等目标。然而，利用这种方法的系统相对复杂，操作简易性及使用舒适性方面有待 进一步提尚。
[0004] 因此本发明提出了一种头戴式分子影像导航系统，通过多光谱激发的方法检测分 子影像中的在体目标，增强应用的适用范围。
发明内容
[0005] 本发明提供了一种头戴式分子影像导航系统，包括：
[0006] 多光谱光源模块，用于向探测区域照射可见光和近红外光；
[0007] 信号采集模块，用于采集成像对象的近红外荧光图像和可见光图像；
[0008] 头戴式系统支撑模块，用于承载所述多光谱光源模块和所述信号采集模块，以调 整所述多光谱光源模块对所述探测区域的照射；
[0009] 图像处理模块，用于对采集的近红外光图像和可见光图像进行图像融合，并输出 融合图像。
[0010] 本发明的实施例具有以下技术效果：
[0011] 1、通过头戴方式实现分子影像导航、分子成像，在实现功能的同时提高了便捷性。
[0012] 2、采用投影成像的方法可以引导操作人员对成像范围进行预判断，从而增加了人 机交互的功能。
[0013] 3、利用语音识别的功能可以方便操作人员在使用系统的过程中进一步解放双手， 从而更精确地控制头戴式分子影像导航系统。
[0014] 4、由于采用阈值分解的特征值提取方法，使得信背比明显提高，有助于操作人员 根据图像引导实时精准操作。
附图说明
[0015] 图1是根据本发明实施例的头戴式系统支撑模块的结构示意图；
[0016] 图2是依照本发明实施例的头戴式分子影像导航系统的方框图；
[0017]图3是依照本发明实施例的头戴式分子影像导航系统的图像处理方法流程图。
具体实施方式
[0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0019] 本发明实施例基于分子影像中的激发荧光成像，提供了一种头戴式分子影像导航 系统。
[0020] 图1是根据本发明实施例的头戴式系统支撑模块的结构示意图。图2是根据本发明 实施例的头戴式分子影像导航系统的方框图。如图2所示，该头戴式分子影像导航系统可以 包括多光谱光源模块110,用于提供多个不同谱段的光，以便照射受检对象;光学信号采集 模块120,用于实时采集受检对象的荧光激发图像和可见光图像;头戴式系统支撑模块130， 用于调整操作人员佩戴时的舒适性，并保证成像的安全有效进行；图像处理模块140,用于 进行图像分割、特征提取、图像配准等处理，实现可见光图像与荧光图像的融合并输出融合 图像。
[0021] 接下来将分别详细描述多光谱光源模块110、光学信号采集模块120、头戴式系统 支撑模块130和图像处理模块140的操作。
[0022] 多光谱光源模块110可以包括冷光源111、近红外激光器112及光源耦合器113。冷 光源111用于向受检对象发射可见光。冷光源111可以放置有第一带通滤光片，以便透过波 长为400_650nm的可见光。近红外激光器113配置为发射中心波长为例如785]11]1的近红外光。 可以通过光纤将激发光源引出。本领域技术人员已知的是，本发明实施例并不局限于上述 实现方式，还可以采用本领域公知的其他方式来发射可见光与近红外光。当激发探测区域 时，基于光谱分离方法，由单根光纤来同时实现冷光源111与近红外激光器112光出射。具体 地，将可见光源与近红外光源出射的光在出光口处耦合。在耦合处设置光源耦合器113。光 源耦合器113可以是发散镜头，将光源由直线点光源变成锥束光，这样可以扩大照射面积， 以实现激发光源对探测区域的均匀照射。例如，可以在近红外激光器112的出光口处设置光 学镜头，光学镜头与激光器输出端反向親合，实现光源较大发散角的输出。可以米用机械固 定的方法，将光纤的一端和光学镜头固定在一起，将光纤的另一端与头戴式系统支撑模块 130相连。
[0023]光学信号采集模块120可以包括相机121、镜头122和坐标投影器123。相机121配置 用于采集近红外荧光信号和可见光信号。其中，在采集过程中冷光源对背景进行照明。例 如，可以如下设置近红外光信号采集所需的参考参数:在SOOnm处，量子效率高于30%，帧速 大于30fps，像源（即，相机121的最小感光单元点image source)尺寸大于5微米。优选地，在 相机121与镜头122之间放置第二带通滤光片，以便透过波长为810-870nm的近红外光。当相 机121进行操作时，坐标投影器123可以向探测区域（图中未示出）投射出一圆形轮廓，该轮 廓为视野的最大范围，以便操作人员获得系统的探测区域，同时便于操作人员获得多光谱 光源模块110的激发范围。
[0024] 如图1所示，头戴式系统支撑模块130可以包括头戴式系统支架131。头戴式系统支 架131用于承载光源模块110和信号采集模块120。优选地，头戴式系统支撑模块130还可以 包括语音识别与控制模块132。语音识别控制模块132可以包括麦克风、语音识别单元和控 制单元(未示出），以便通过操作人员的语音来控制多光谱光源模块110、坐标投影器123等 模块的操作。可以使用本领域公知的语音识别技术来实现语音识别与控制模块132。
[0025] 将来自光学信号采集模块120的受检对象的可见光图像和近红外荧光图像分别输 入到图像处理模块140。图像处理模块140由后端计算机处理实现，采集及光源控制也可以 由后端实现手动控制。图像处理模块140首先对输入的近红外荧光图像进行预处理，以便根 据荧光特异性得到荧光图像的特性分布。预处理可以包括噪声去除、特征提取以及坏点补 偿等。当然，也可以对可见光图像进行本领域公知的预处理。可以利用阈值分割对输入的近 红外荧光图像进行特征提取。例如，对于近红外荧光图像中图像灰度值G/背景噪声灰度值 Gn高于1.5的像素点，将该像素点的灰度值乘以2,对于G/Gn低于1.5的像素点，将该像素点的 灰度值除以2。按照这种阈值分割方法能够强化特征点。对于灰度值大于预设阈值的感兴趣 区域，可以通过本领域公知的灰度图像至伪彩色图像调整算法，将这些感兴趣区域转化成 伪彩色图像，从而进一步标记出特征点及特征区域的位置，以便操作人员根据图像来引导 实施操作。图像处理模块140处理后的图像为融合图像，在通用计算机上具有显示和投影接 口，方便操作人员实现图像的输出显示。同时可以将视频信号反馈到头戴系统上，通过放置 镜前屏幕实现对融合图像的可视化。
[0026] 然后，利用得到的荧光图像光学特性分布，将荧光输入的可见光图像进行图像融 合，从而得到融合结果图像以便输出。具体地，荧光图像与可见光图像的图像融合包括利用 荧光图像光学特性分布将荧光图像与可见光图像进行配准。以下将详细描述该配准操作。
[0027] 荧光图像光学特性分布具有荧光特异性，而可见光图像是一种高分辨率结构图 像。根据本发明实施例的图像配准利用了上述特性。在进行配准时，可以采用形态学理论， 修正荧光图像光学特性分布的最小化能量函数式，使其形状接近成像组织。可以使用下式 (1)来进行配准。
[0028]⑴
[0029]式（1)中，d为离散Laplace算子，U为位置向量，选择η个表面点作为主要标记点， Pi、ai分别为成像表面标记点，W1= (pi-ai)移动向量，通过最小化E(U)获得向量Up，则 %为表面变形后的位置。
[0030] 为了获取较准确的、高分辨的融合图像，在进行配准时，采用下式(2)所示的图像 重合度作为配准效果评价标准。
[0031](2)
[0032] 其中，A是可见光图像归一化灰度值矩阵，B是荧光图像归一化灰度值矩阵。运算结 果越接近1，说明图像配准效果越好。
[0033]图3示出了根据本发明实施例的图像处理方法的流程图。如图3所示，在步骤301， 对经过预处理的可见光图像序列和荧光图像序列空间运动检测，以便滤除不匹配的微小位 移帧，得到可见光图像序列Ml和荧光图像序列M2。
[0034] 可选地，在步骤303,针对步骤301得到的高分辨率可见光图像序列Ml形成图像金 字塔Pl，以减少数据量，从而提高图像处理的实时性。具体地，采用高斯金字塔对图像进行 下采样以便根据金字塔第i层生成第i+Ι层。首先用高斯核对第i层进行卷积，然后删除所有 偶数行和偶数列。当然，新得到的图像大小会变为上一级图像的四分之一。在这种情况下， 图像首先在每个维度上都扩大为原来的两倍，新增的行(偶数行）以〇填充。然后使用指定滤 波器进行卷积(实际上是一个在每一维上都扩大为两倍的过滤器)去估计"丢失"像素的近 似值。按上述过程对输入图像循环执行操作就可产生整个金字塔。
[0035]在步骤305,利用例如采用Roberts算子的梯度边缘检测方法，对得到的图像金字 塔Pl和荧光图像序列M2进行边缘检测，分别得到图像边缘El和E2。当然，在图像处理能力较 高的情况下也可以跳过步骤303,直接对可见光图像序列Ml和荧光图像序列M2进行边缘检 测 。
[0036]在步骤307,对得到的图像边缘El和E2分别进行基于显著性的稀疏采样。可以采用 相同的方法对图像边缘El和E2分别进行基于显著性的稀疏采样，这里采用压缩感知稀疏采 样技术对El和E2进行系数采样，从而分别得到采样输出Sl和S2。
[0037] 在步骤308,对步骤307得到的采样输出Sl和S2执行配准。除了采用以上公式（1)和 (2)进行配准以外，还可以使用点云配准进一步优化配准结果。关于点云配准的详细可以参 见"薛耀红等，点云数据配准及曲面细分技术研究，国防工业出版社，201Γ，本文不再赘述。 [0038]优选地，根据本发明的图像处理方法还可以包括步骤309。在步骤309,对点云配准 的结果进行算法收敛性验证，以保证运算过程的稳定可靠。
[0039] 优选地，可以通过体积较小的图像GPU或FPGA来执行步骤301、303、305和309的处 理，同时采用计算能力更强的中央处理单元CPU来执行配准步骤308,从而进一步在优化系 统性能的同时，减小所需的硬件尺寸。
[0040]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
