专利名称：基于双相机的多光谱成像系统和方法
技术领域：
本发明涉及光学成像技术领域，特别是关于ー种基于双相机的多光谱成像系统和方法。
背景技术：
近年来，由于分子影像学技术的不断发展，继放射性核素成像、正电子发射断层扫描、单光子发射计算机断层和磁共振成像之后，出现了高分辨率的光学成像，其中近红外荧光成像倍受关注。由于光穿透组织的能力与组织吸收光的強弱、光波的特性、生物组织结构及其物理化学特性均有关系。650 900nm的近红外光(Near-Infrared，NIR)被称为“组织光窗(Tissue Optical Window) ”,与可见光相比具有(I)生物组织对此波段近红外光的 吸收和散射效应最小，与可见光相比近红外光可穿透更深层的组织；(2)由于生物组织对此波段近红外光的自体突光较小，信背比(Signal-to-background ratio,SBR)相对高等优点。目前市场上有关探测近红外光线的产品均是采用单台相机进行实时成像，由于近红外光线肉眼不可见，所以一般采集到的图像和肉眼看到的图像有所不同。根据《NatureMedicine》2011年9月报道的国际最新进展,荷兰科学家Gooitzen M van Dam等人采用三台相机协同工作的方法进行拍摄，可以同时看到荧光图像、彩色图像以及拼合图像。其中三台相机主要由三个CXD组成，分别用来拍摄彩色图像(光谱范围400nm-650nm)，荧光图像(光谱范围745nm-845nm)以及背景图像(光谱范围740nm-760nm)。通过两台计算机进行协同工作，同步处理拍摄到的图像，达到荧光、彩色以及拼合三幅图像显示的目的。由于该技术在具体实现时需要利用三台相机和两台计算机进行协同工作，其处理难度大，实现成本也较高。

发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明根据近红外光线的特点，并基于长期在近红外成像领域的研究经验，提供了一种基于双相机的多光谱成像系统和方法，采用两台相机和一台计算机来实现荧光、彩色以及拼合图像的获取功能，同样达到三幅图像显示的目的。( ニ )技术方案根据本发明的ー个方面，本发明提供了一种基于双相机的多光谱成像系统，包括系统支撑模块110，用干支撑和连接各部件；光源模块120，用于提供近红外光和可见光；光学信号采集模块130，用于采集荧光和可见光图像；以及计算机模块140，用于控制光学信号采集模块130采集图像，处理采集到的图像，并显示处理后的图像。上述方案中，所述系统支撑模块110包括光源支架111、光学平台支架112和系统支架113，其中光源支架111，用于支撑光源模块120 ;光学平台支架112，用于支撑光学信号采集模块130 ;系统支架113，用于支撑起光学平台支架112以及光源支架111，并且保证可以移动。上述方案中，所述光源支架111是支撑光源模块120中的LED近红外光源121，连接方式是将LED近红外光源121的手柄插入光源支架111的前端。所述光学平台支架112挂接在系统支架113的上端。所述系统支架113纵向可调节，整体高度范围是1500mm-1800mm。上述方案中，所述光源模块120包括LED近红外光源121、卤素灯白光光源123、第一滤光片122和第四滤光片125,其中LED近红外光源121,用于提供近红外光信号；第一滤光片122，连接于LED近红外光源121，LED近红外光源121提供的近红外光透过第一滤光片122照射到探測区域；卤素灯白光光源123，用于提供可见光光信号；第四滤光片125，连接于齒素灯白光光源123,齒素灯白光光源123提供的可见光光信号透过第四滤光片125照射到探測区域。上述方案中，所述LED近红外光源121由47个LED灯焊接在一块圆形电路板上，电路板外套有金属套筒，焊接好的电路板放置在金属套筒底部，顶部有内螺纹，能够与第一滤 光片122的金属圈旋紧固定；电源线由底部小孔弓I出，外接电源适配器，电压24V，功率20W。上述方案中，所述第一滤光片122是带通滤光片，光谱范围是710nm-770nm ;第一滤光片122套有金属圈，圈上有一圏外螺纹。所述第四滤光片125是带通滤光片，光谱范围是400nm-650nm ;第四滤光片125放置在卤素灯白光光源123的滤光片槽104内，卤素灯白光光源123产生的光信号通过光纤105引出。上述方案中，所述光学信号米集模块130包括镜头131、分光棱镜132、第二滤光片133、第三滤光片124、近红外CXD相机101和彩色CXD相机102，其中第二滤光片133置于彩色CXD相机102的进光孔处，第三滤光片124置于近红外CXD相机101的进光孔处，镜头131、分光棱镜132、近红外CXD相机101和彩色CXD相机102按照中轴线对齐原则固定在同
一光学平台上。上述方案中，所述镜头131用于调节图像清晰度，保证视野范围。所述分光棱镜132是由ー块经过镀膜的立方体玻璃1324、基座1325和金属外壳1326所组成,用于将同一束光线等分成两束，其中经过镀膜的立方体玻璃1324放置在基座1325上，基座1325上方套有金属外壳1326，与基座1325由螺丝固定。所述金属外壳1326上有4个圆孔，将第一孔1321与镜头131对接，第二孔1322与彩色CXD相机102对接，第三孔1323与近红外CXD相机101对接。上述方案中，所述第二滤光片133是带通滤光片，光谱范围是810nm-870nm ;第三滤光片124是带通滤光片，光谱范围是400nm-650nm。上述方案中，所述计算机模块140包括软件控制模块141、图像处理模块142和显示模块143，其中软件控制模块141控制光学信号采集模块130采集图像，图像处理模块142处理采集到的图像，显示模块143用于显示处理后的图像。上述方案中，所述软件控制模块141是通过光学信号采集模块130中近红外CXD相机101和彩色CXD相机102的数据线106与计算机模块140相连。所述图像处理模块142用于处理光学信号采集模块130中近红外CXD相机101和彩色CXD相机102拍摄的图像数据，完成分割点运算和图像叠加功能。根据本发明的另ー个方面，本发明提供了一种基于双相机的多光谱成像方法，应用于所述的基于双相机的多光谱成像系统，包括卤素灯白光光源123对探测区域103进行照射；系统支撑模块Iio调整系统支架113至合适高度，光学信号采集模块130调节镜头131焦距，软件控制模块141采集彩色CXD相机102视频图像，计算机模块140中显示模块141进行实时显示，调整为清晰成像；LED近红外光源121对探测区域103进行照射，计算机模块140中软件控制模块141切換到拍照模式，获取ー组校准图像；计算机模块140中软件控制模块141采集近红外CCD相机101视频图像，进行实时观测；计算机模块140中软件控制模块141切換到拍照模式，获取ー组图像，进行存档；以及图像处理模块142对存档的图像进行运算，计算分割点，图像处理模块142根据计算出的分割点进行图像拼合，显示模块143将处理后的图像显示到计算机显示器上。上述方案中，所述LED近红外光源121对探测区域103进行照射，计算机模块140中软件控制模块141切換到拍照模式，获取ー组校准图像的步骤中，获取ー组校准图像是为图像处理模块142计算分割点做准备。上述方案中，所述图像处理模块142对存档的图像进行运算，计算分割点的步骤中，图像处理模块142计算分割点具体包括步骤501 =MATLAB读取两台相机拍照所得图像灰度值矩阵；步骤502 :为寻找分割点，设置变量i，j均为0 ;步骤503 :通过硬件信息得知近红外CXD相机101芯片面积为I. 3英寸，图片分辨率为1024X1024，彩色CCD相机102芯片面积为2/3英寸，分辨率为2136X2548 ;通过MATLAB软件的工具包插值运算，将图像分辨率转化为534 X 637，近红外CXD相机101取得图像中以i，j为基点选择ー块534X637的数据矩阵赋给A，插值后彩色CXD相机102图像矩阵赋给B ；步骤504 :计算矩阵A中各点的均值赋给mA,通过公式计算
权利要求
1.一种基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，包括 系统支撑模块(110)，用于支撑和连接各部件； 光源模块(120)，用于提供近红外光和可见光； 光学信号采集模块(130)，用于采集荧光和可见光图像；以及 计算机模块(140)，用于控制光学信号采集模块(130)采集图像，处理采集到的图像，并显示处理后的图像。
2.根据权利要求I所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述系统支撑模块(110)包括光源支架(111)、光学平台支架(112)和系统支架(113)，其中 光源支架(111)，用于支撑光源模块(120)； 光学平台支架(112)，用于支撑光学信号采集模块(130)； 系统支架(113)，用于支撑起光学平台支架(112)以及光源支架(111)，并且保证可以移动。
3.根据权利要求2所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述光源支架(111)是支撑光源模块(120)中的LED近红外光源(121)，连接方式是将LED近红外光源(121)的手柄插入光源支架(111)的前端。
4.根据权利要求2所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述光学平台支架(112)挂接在系统支架(113)的上端。
5.根据权利要求2所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述系统支架(113)纵向可调节，整体高度范围是1500mm-1800mm。
6.根据权利要求I所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述光源模块(120)包括LED近红外光源(121)、卤素灯白光光源(123)、第一滤光片(122)和第四滤光片(125)，其中 LED近红外光源(121)，用于提供近红外光信号； 第一滤光片(122)，连接于LED近红外光源(121)，LED近红外光源(121)提供的近红外光透过第一滤光片(122)照射到探测区域； 齒素灯白光光源(123),用于提供可见光光信号； 第四滤光片(125)，连接于卤素灯白光光源(123)，卤素灯白光光源(123)提供的可见光光信号透过第四滤光片(125)照射到探测区域。
7.根据权利要求6所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述LED近红外光源(121)由47个LED灯焊接在一块圆形电路板上，电路板外套有金属套筒，焊接好的电路板放置在金属套筒底部，顶部有内螺纹，能够与第一滤光片(122)的金属圈旋紧固定；电源线由底部小孔引出，外接电源适配器，电压24V，功率20W。
8.根据权利要求6所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述第一滤光片(122)是带通滤光片，光谱范围是710nm-770nm;第一滤光片(122)套有金属圈，圈上有一圈外螺纹。
9.根据权利要求6所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述第四滤光片(125)是带通滤光片，光谱范围是400nm-650nm;第四滤光片(125)放置在卤素灯白光光源(123)的滤光片槽(104)内素灯白光光源(123)产生的光信号通过光纤(105)引出。
10.根据权利要求I所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述光学信号采集模块(130)包括镜头(131)、分光棱镜(132)、第二滤光片(133)、第三滤光片(124)、近红外C⑶相机(101)和彩色C⑶相机(102)，其中第二滤光片(133)置于彩色C⑶相机(102)的进光孔处，第三滤光片(124)置于近红外C⑶相机(101)的进光孔处，镜头(131)、分光棱镜(132)、近红外CCD相机(101)和彩色CCD相机(102)按照中轴线对齐原则固定在同一光学平台上。
11.根据权利要求10所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述镜头(131)用于调节图像清晰度，保证视野范围。
12.根据权利要求10所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述分光棱镜(132)是由一块经过镀膜的立方体玻璃(1324)、基座(1325)和金属外壳(1326)所组成，用于将同一束光线等分成两束，其中经过镀膜的立方体玻璃(1324)放置在基座(1325)上，基座(1325)上方套有金属外壳(1326)，与基座(1325)由螺丝固定。
13.根据权利要求12所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述金属外壳(1326)上有4个圆孔，将第一孔(1321)与镜头(131)对接，第二孔(1322)与彩色CCD相机(102)对接，第三孔(1323)与近红外CCD相机(101)对接。
14.根据权利要求10所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述第二滤光片(133)是带通滤光片，光谱范围是810nm-870nm;第三滤光片(124)是带通滤光片，光谱范围是400nm-650nm。
15.根据权利要求I所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述计算机模块(140)包括软件控制模块(141)、图像处理模块(142)和显示模块(143)，其中软件控制模块(141)控制光学信号采集模块(130)采集图像，图像处理模块(142)处理采集到的图像，显示模块(143)用于显示处理后的图像。
16.根据权利要求15所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述软件控制模块(141)是通过光学信号采集模块(130)中近红外CCD相机(101)和彩色CCD相机(102)的数据线(106)与计算机模块(140)相连。
17.根据权利要求15所述的基于双相机的多光谱成像系统，其特征在于，所述图像处理模块(142)用于处理光学信号采集模块(130)中近红外CCD相机(101)和彩色CCD相机(102)拍摄的图像数据，完成分割点运算和图像叠加功能。
18.一种基于双相机的多光谱成像方法，应用于权利要求I至17中任一项所述的系统，其特征在于，包括 卤素灯白光光源(123)对探测区域(103)进行照射； 系统支撑模块(110)调整系统支架(113)至合适高度，光学信号采集模块(130)调节镜头(131)焦距，软件控制模块(141)采集彩色CCD相机(102)视频图像，计算机模块(140)中显示模块(141)进行实时显示，调整为清晰成像； LED近红外光源(121)对探测区域(103)进行照射，计算机模块(140)中软件控制模块(141)切换到拍照模式，获取一组校准图像； 计算机模块(140)中软件控制模块(141)采集近红外CCD相机(101)视频图像，进行实时观测； 计算机模块(140)中软件控制模块(141)切换到拍照模式，获取一组图像，进行存档；以及图像处理模块(142)对存档的图像进行运算，计算分割点，图像处理模块(142)根据计算出的分割点进行图像拼合，显示模块(143)将处理后的图像显示到计算机显示器上。
19.根据权利要求18所述的基于双相机的多光谱成像方法，其特征在于，所述LED近红外光源(121)对探测区域(103)进行照射，计算机模块(140)中软件控制模块(141)切换到拍照模式，获取一组校准图像的步骤中，获取一组校准图像是为图像处理模块(142)计算分割点做准备。
20.根据权利要求18所述的基于双相机的多光谱成像方法，其特征在于，所述图像处 理模块(142)对存档的图像进行运算，计算分割点的步骤中，图像处理模块(142)计算分割点具体包括 步骤501 =MATLAB读取两台相机拍照所得图像灰度值矩阵； 步骤502 :为寻找分割点，设置变量i，j均为0 ; 步骤503 :通过硬件信息得知近红外CXD相机(101)芯片面积为I. 3英寸，图片分辨率为1024X1024，彩色CCD相机(102)芯片面积为2/3英寸，分辨率为2136X 2548 ;通过MATLAB软件的工具包插值运算，将图像分辨率转化为534X 637，近红外CXD相机(101)取得图像中以i，j为基点选择一块534X637的数据矩阵赋给A，插值后彩色C⑶相机(102)图像矩阵赋给B ； 步骤504 :计算矩阵A中各点的均值赋给mA,通过公式计算
全文摘要
本发明公开了一种基于双相机的多光谱成像系统和方法，该系统包括系统支撑模块，用于支撑和连接各部件；光源模块，用于提供近红外光和可见光；光学信号采集模块，用于采集荧光和可见光图像；以及计算机模块，用于控制光学信号采集模块采集图像，处理采集到的图像，并显示处理后的图像。本发明采用光学分光棱镜将通过镜头的光线一分为二，用两台CCD相机同时进行实时采集，有效的解决了该问题，同时也打破了国外公司在华的技术垄断状况，降低了多光谱视频成像研究的门槛，拓展了光学分子影像探针可供选择的空间，延伸了光学分子影像研究与应用的范围。
文档编号G01J3/10GK102809429SQ20121026300
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月26日 优先权日2012年7月26日
发明者田捷, 迟崇巍, 秦承虎, 杨鑫 申请人:中国科学院自动化研究所