專利名稱：基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于ー種基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
近年來，由于分子影像學技術(shù)的不斷發(fā)展，繼放射性核素成像、正電子發(fā)射斷層掃描、單光子發(fā)射計算機斷層和磁共振成像之后，出現(xiàn)了高分辨率的光學成像，其中近紅外熒光成像倍受關(guān)注。由于光穿透組織的能力與組織吸收光的強弱、光波的特性、生物組織結(jié)構(gòu)及其物理化學特性均有關(guān)系。650 900nm的近紅外光(Near-Infrared，NIR)被稱為“組織光窗(Tissue Optical Window) ”,與可見光相比具有(I)生物組織對此波段近紅外光的 吸收和散射效應(yīng)最小，與可見光相比近紅外光可穿透更深層的組織；(2)由于生物組織對此波段近紅外光的自體突光較小，信背比(Signal-to-background ratio,SBR)相對高等優(yōu)點。目前市場上有關(guān)探測近紅外光線的產(chǎn)品均是采用單臺相機進行實時成像，由于近紅外光線肉眼不可見，所以一般采集到的圖像和肉眼看到的圖像有所不同。根據(jù)《NatureMedicine》2011年9月報道的國際最新進展,荷蘭科學家Gooitzen M van Dam等人采用三臺相機協(xié)同工作的方法進行拍攝，可以同時看到熒光圖像、彩色圖像以及拼合圖像。其中三臺相機主要由三個CXD組成，分別用來拍攝彩色圖像(光譜范圍400nm-650nm)，熒光圖像(光譜范圍745nm-845nm)以及背景圖像(光譜范圍740nm-760nm)。通過兩臺計算機進行協(xié)同工作，同步處理拍攝到的圖像，達到熒光、彩色以及拼合三幅圖像顯示的目的。由于該技術(shù)在具體實現(xiàn)時需要利用三臺相機和兩臺計算機進行協(xié)同工作，其處理難度大，實現(xiàn)成本也較高。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明根據(jù)近紅外光線的特點，并基于長期在近紅外成像領(lǐng)域的研究經(jīng)驗，提供了一種基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)和方法，采用兩臺相機和一臺計算機來實現(xiàn)熒光、彩色以及拼合圖像的獲取功能，同樣達到三幅圖像顯示的目的。( ニ )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，本發(fā)明提供了一種基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，包括系統(tǒng)支撐模塊110，用干支撐和連接各部件；光源模塊120，用于提供近紅外光和可見光；光學信號采集模塊130，用于采集熒光和可見光圖像；以及計算機模塊140，用于控制光學信號采集模塊130采集圖像，處理采集到的圖像，并顯示處理后的圖像。上述方案中，所述系統(tǒng)支撐模塊110包括光源支架111、光學平臺支架112和系統(tǒng)支架113，其中光源支架111，用于支撐光源模塊120 ;光學平臺支架112，用于支撐光學信號采集模塊130 ;系統(tǒng)支架113，用于支撐起光學平臺支架112以及光源支架111，并且保證可以移動。上述方案中，所述光源支架111是支撐光源模塊120中的LED近紅外光源121，連接方式是將LED近紅外光源121的手柄插入光源支架111的前端。所述光學平臺支架112掛接在系統(tǒng)支架113的上端。所述系統(tǒng)支架113縱向可調(diào)節(jié)，整體高度范圍是1500mm-1800mm。上述方案中，所述光源模塊120包括LED近紅外光源121、鹵素燈白光光源123、第一濾光片122和第四濾光片125,其中LED近紅外光源121,用于提供近紅外光信號；第一濾光片122，連接于LED近紅外光源121，LED近紅外光源121提供的近紅外光透過第一濾光片122照射到探測區(qū)域；鹵素燈白光光源123，用于提供可見光光信號；第四濾光片125，連接于齒素燈白光光源123,齒素燈白光光源123提供的可見光光信號透過第四濾光片125照射到探測區(qū)域。上述方案中，所述LED近紅外光源121由47個LED燈焊接在一塊圓形電路板上，電路板外套有金屬套筒，焊接好的電路板放置在金屬套筒底部，頂部有內(nèi)螺紋，能夠與第一濾 光片122的金屬圈旋緊固定；電源線由底部小孔弓I出，外接電源適配器，電壓24V，功率20W。上述方案中，所述第一濾光片122是帶通濾光片，光譜范圍是710nm-770nm ;第一濾光片122套有金屬圈，圈上有一圏外螺紋。所述第四濾光片125是帶通濾光片，光譜范圍是400nm-650nm ;第四濾光片125放置在鹵素燈白光光源123的濾光片槽104內(nèi)，鹵素燈白光光源123產(chǎn)生的光信號通過光纖105引出。上述方案中，所述光學信號米集模塊130包括鏡頭131、分光棱鏡132、第二濾光片133、第三濾光片124、近紅外CXD相機101和彩色CXD相機102，其中第二濾光片133置于彩色CXD相機102的進光孔處，第三濾光片124置于近紅外CXD相機101的進光孔處，鏡頭131、分光棱鏡132、近紅外CXD相機101和彩色CXD相機102按照中軸線對齊原則固定在同
一光學平臺上。上述方案中，所述鏡頭131用于調(diào)節(jié)圖像清晰度，保證視野范圍。所述分光棱鏡132是由ー塊經(jīng)過鍍膜的立方體玻璃1324、基座1325和金屬外殼1326所組成,用于將同一束光線等分成兩束，其中經(jīng)過鍍膜的立方體玻璃1324放置在基座1325上，基座1325上方套有金屬外殼1326，與基座1325由螺絲固定。所述金屬外殼1326上有4個圓孔，將第一孔1321與鏡頭131對接，第二孔1322與彩色CXD相機102對接，第三孔1323與近紅外CXD相機101對接。上述方案中，所述第二濾光片133是帶通濾光片，光譜范圍是810nm-870nm ;第三濾光片124是帶通濾光片，光譜范圍是400nm-650nm。上述方案中，所述計算機模塊140包括軟件控制模塊141、圖像處理模塊142和顯示模塊143，其中軟件控制模塊141控制光學信號采集模塊130采集圖像，圖像處理模塊142處理采集到的圖像，顯示模塊143用于顯示處理后的圖像。上述方案中，所述軟件控制模塊141是通過光學信號采集模塊130中近紅外CXD相機101和彩色CXD相機102的數(shù)據(jù)線106與計算機模塊140相連。所述圖像處理模塊142用于處理光學信號采集模塊130中近紅外CXD相機101和彩色CXD相機102拍攝的圖像數(shù)據(jù)，完成分割點運算和圖像疊加功能。根據(jù)本發(fā)明的另ー個方面，本發(fā)明提供了一種基于雙相機的多光譜成像方法，應(yīng)用于所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，包括鹵素燈白光光源123對探測區(qū)域103進行照射；系統(tǒng)支撐模塊Iio調(diào)整系統(tǒng)支架113至合適高度，光學信號采集模塊130調(diào)節(jié)鏡頭131焦距，軟件控制模塊141采集彩色CXD相機102視頻圖像，計算機模塊140中顯示模塊141進行實時顯示，調(diào)整為清晰成像；LED近紅外光源121對探測區(qū)域103進行照射，計算機模塊140中軟件控制模塊141切換到拍照模式，獲取ー組校準圖像；計算機模塊140中軟件控制模塊141采集近紅外CCD相機101視頻圖像，進行實時觀測；計算機模塊140中軟件控制模塊141切換到拍照模式，獲取ー組圖像，進行存檔；以及圖像處理模塊142對存檔的圖像進行運算，計算分割點，圖像處理模塊142根據(jù)計算出的分割點進行圖像拼合，顯示模塊143將處理后的圖像顯示到計算機顯示器上。上述方案中，所述LED近紅外光源121對探測區(qū)域103進行照射，計算機模塊140中軟件控制模塊141切換到拍照模式，獲取ー組校準圖像的步驟中，獲取ー組校準圖像是為圖像處理模塊142計算分割點做準備。上述方案中，所述圖像處理模塊142對存檔的圖像進行運算，計算分割點的步驟中，圖像處理模塊142計算分割點具體包括步驟501 =MATLAB讀取兩臺相機拍照所得圖像灰度值矩陣；步驟502 :為尋找分割點，設(shè)置變量i，j均為0 ;步驟503 :通過硬件信息得知近紅外CXD相機101芯片面積為I. 3英寸，圖片分辨率為1024X1024，彩色CCD相機102芯片面積為2/3英寸，分辨率為2136X2548 ;通過MATLAB軟件的工具包插值運算，將圖像分辨率轉(zhuǎn)化為534 X 637，近紅外CXD相機101取得圖像中以i，j為基點選擇ー塊534X637的數(shù)據(jù)矩陣賦給A，插值后彩色CXD相機102圖像矩陣賦給B ；步驟504 :計算矩陣A中各點的均值賦給mA,通過公式計算
權(quán)利要求
1.一種基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，包括 系統(tǒng)支撐模塊(110)，用于支撐和連接各部件； 光源模塊(120)，用于提供近紅外光和可見光； 光學信號采集模塊(130)，用于采集熒光和可見光圖像；以及 計算機模塊(140)，用于控制光學信號采集模塊(130)采集圖像，處理采集到的圖像，并顯示處理后的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)支撐模塊(110)包括光源支架(111)、光學平臺支架(112)和系統(tǒng)支架(113)，其中 光源支架(111)，用于支撐光源模塊(120)； 光學平臺支架(112)，用于支撐光學信號采集模塊(130)； 系統(tǒng)支架(113)，用于支撐起光學平臺支架(112)以及光源支架(111)，并且保證可以移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光源支架(111)是支撐光源模塊(120)中的LED近紅外光源(121)，連接方式是將LED近紅外光源(121)的手柄插入光源支架(111)的前端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光學平臺支架(112)掛接在系統(tǒng)支架(113)的上端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)支架(113)縱向可調(diào)節(jié)，整體高度范圍是1500mm-1800mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光源模塊(120)包括LED近紅外光源(121)、鹵素燈白光光源(123)、第一濾光片(122)和第四濾光片(125)，其中 LED近紅外光源(121)，用于提供近紅外光信號； 第一濾光片(122)，連接于LED近紅外光源(121)，LED近紅外光源(121)提供的近紅外光透過第一濾光片(122)照射到探測區(qū)域； 齒素燈白光光源(123),用于提供可見光光信號； 第四濾光片(125)，連接于鹵素燈白光光源(123)，鹵素燈白光光源(123)提供的可見光光信號透過第四濾光片(125)照射到探測區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述LED近紅外光源(121)由47個LED燈焊接在一塊圓形電路板上，電路板外套有金屬套筒，焊接好的電路板放置在金屬套筒底部，頂部有內(nèi)螺紋，能夠與第一濾光片(122)的金屬圈旋緊固定；電源線由底部小孔引出，外接電源適配器，電壓24V，功率20W。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一濾光片(122)是帶通濾光片，光譜范圍是710nm-770nm;第一濾光片(122)套有金屬圈，圈上有一圈外螺紋。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第四濾光片(125)是帶通濾光片，光譜范圍是400nm-650nm;第四濾光片(125)放置在鹵素燈白光光源(123)的濾光片槽(104)內(nèi)素燈白光光源(123)產(chǎn)生的光信號通過光纖(105)引出。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光學信號采集模塊(130)包括鏡頭(131)、分光棱鏡(132)、第二濾光片(133)、第三濾光片(124)、近紅外C⑶相機(101)和彩色C⑶相機(102)，其中第二濾光片(133)置于彩色C⑶相機(102)的進光孔處，第三濾光片(124)置于近紅外C⑶相機(101)的進光孔處，鏡頭(131)、分光棱鏡(132)、近紅外CCD相機(101)和彩色CCD相機(102)按照中軸線對齊原則固定在同一光學平臺上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述鏡頭(131)用于調(diào)節(jié)圖像清晰度，保證視野范圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述分光棱鏡(132)是由一塊經(jīng)過鍍膜的立方體玻璃(1324)、基座(1325)和金屬外殼(1326)所組成，用于將同一束光線等分成兩束，其中經(jīng)過鍍膜的立方體玻璃(1324)放置在基座(1325)上，基座(1325)上方套有金屬外殼(1326)，與基座(1325)由螺絲固定。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬外殼(1326)上有4個圓孔，將第一孔(1321)與鏡頭(131)對接，第二孔(1322)與彩色CCD相機(102)對接，第三孔(1323)與近紅外CCD相機(101)對接。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第二濾光片(133)是帶通濾光片，光譜范圍是810nm-870nm;第三濾光片(124)是帶通濾光片，光譜范圍是400nm-650nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機模塊(140)包括軟件控制模塊(141)、圖像處理模塊(142)和顯示模塊(143)，其中軟件控制模塊(141)控制光學信號采集模塊(130)采集圖像，圖像處理模塊(142)處理采集到的圖像，顯示模塊(143)用于顯示處理后的圖像。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述軟件控制模塊(141)是通過光學信號采集模塊(130)中近紅外CCD相機(101)和彩色CCD相機(102)的數(shù)據(jù)線(106)與計算機模塊(140)相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理模塊(142)用于處理光學信號采集模塊(130)中近紅外CCD相機(101)和彩色CCD相機(102)拍攝的圖像數(shù)據(jù)，完成分割點運算和圖像疊加功能。
18.一種基于雙相機的多光譜成像方法，應(yīng)用于權(quán)利要求I至17中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括 鹵素燈白光光源(123)對探測區(qū)域(103)進行照射； 系統(tǒng)支撐模塊(110)調(diào)整系統(tǒng)支架(113)至合適高度，光學信號采集模塊(130)調(diào)節(jié)鏡頭(131)焦距，軟件控制模塊(141)采集彩色CCD相機(102)視頻圖像，計算機模塊(140)中顯示模塊(141)進行實時顯示，調(diào)整為清晰成像； LED近紅外光源(121)對探測區(qū)域(103)進行照射，計算機模塊(140)中軟件控制模塊(141)切換到拍照模式，獲取一組校準圖像； 計算機模塊(140)中軟件控制模塊(141)采集近紅外CCD相機(101)視頻圖像，進行實時觀測； 計算機模塊(140)中軟件控制模塊(141)切換到拍照模式，獲取一組圖像，進行存檔；以及圖像處理模塊(142)對存檔的圖像進行運算，計算分割點，圖像處理模塊(142)根據(jù)計算出的分割點進行圖像拼合，顯示模塊(143)將處理后的圖像顯示到計算機顯示器上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的基于雙相機的多光譜成像方法，其特征在于，所述LED近紅外光源(121)對探測區(qū)域(103)進行照射，計算機模塊(140)中軟件控制模塊(141)切換到拍照模式，獲取一組校準圖像的步驟中，獲取一組校準圖像是為圖像處理模塊(142)計算分割點做準備。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的基于雙相機的多光譜成像方法，其特征在于，所述圖像處 理模塊(142)對存檔的圖像進行運算，計算分割點的步驟中，圖像處理模塊(142)計算分割點具體包括 步驟501 =MATLAB讀取兩臺相機拍照所得圖像灰度值矩陣； 步驟502 :為尋找分割點，設(shè)置變量i，j均為0 ; 步驟503 :通過硬件信息得知近紅外CXD相機(101)芯片面積為I. 3英寸，圖片分辨率為1024X1024，彩色CCD相機(102)芯片面積為2/3英寸，分辨率為2136X 2548 ;通過MATLAB軟件的工具包插值運算，將圖像分辨率轉(zhuǎn)化為534X 637，近紅外CXD相機(101)取得圖像中以i，j為基點選擇一塊534X637的數(shù)據(jù)矩陣賦給A，插值后彩色C⑶相機(102)圖像矩陣賦給B ； 步驟504 :計算矩陣A中各點的均值賦給mA,通過公式計算
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙相機的多光譜成像系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括系統(tǒng)支撐模塊，用于支撐和連接各部件；光源模塊，用于提供近紅外光和可見光；光學信號采集模塊，用于采集熒光和可見光圖像；以及計算機模塊，用于控制光學信號采集模塊采集圖像，處理采集到的圖像，并顯示處理后的圖像。本發(fā)明采用光學分光棱鏡將通過鏡頭的光線一分為二，用兩臺CCD相機同時進行實時采集，有效的解決了該問題，同時也打破了國外公司在華的技術(shù)壟斷狀況，降低了多光譜視頻成像研究的門檻，拓展了光學分子影像探針可供選擇的空間，延伸了光學分子影像研究與應(yīng)用的范圍。
文檔編號G01J3/10GK102809429SQ20121026300
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月26日
發(fā)明者田捷, 遲崇巍, 秦承虎, 楊鑫 申請人:中國科學院自動化研究所