体表组织内高谱图%3a成分信息和结构信息同步检测新技术.pdf

第3 1 卷，第1 期2011 年1 月光谱学与光谱分析S p e c t r o s c o p ya n dS p e c t r a lA n a l y s i sV 0 1 3 1，N o 1。p p 2 0 1 2 0 4J a n u a r y，2 0 11体表组织内高谱图：成分信息和结构信息同步检测新技术林凌，吴红杰，吴晓爽，李刚天津大学，精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津3 0 0 0 7 2摘要利用光学手段对体表组织信息的检测主要有光谱技术(O S T)和光学相干层析技术(O C T)，O S T 以元创、快速和灵敏的特点用于化学成分分析；o C T 因其高分辨率、断层成像的特点，在组织结构探测上研究广泛。但两种技术只注莺单一光谱或图像信息的获取和分析，缺乏多元性和系统性，对组织成分和位置的探测不足，使得l 临床应用具有局限性。基于此，该文提出体表组织内高谱图技术，得到组织光谱和图像的多元信息，对组织的成分和结构同时系统分析；采用数据挖掘手段，对数据和病症直接分析建模，挖掘出组织的光谱、图像以及二者交互项与疾病的关系。该技术为临床体表疾病的检测提供更多的信息，能够更准确地反应体表组织生理、生化和病理的状况和改变，同时也降低了系统设备成本和简化了操作步骤。关键词高光谱；成分信息；结构信息；数据挖掘中图分类号：R 3 1 8；T P 3 9 1文献标识码：AD O I：1 0 3 9 6 4 j i s s r L1 0 0 0-0 5 9 3(2 0 1 1)0 1-0 2 0 1-0 4引言皮肤作为人体内部与外部环境的屏障，保护机体免受外界机械损伤、有毒物质或微牛物的入侵和辐射的伤害等【1 。皮肤一旦受到伤害，机体的健康乃至牛命也将受到威胁。随着人口老龄化，老年医疗保健成为国际问题，皮肤病在中老年人群中患病概率比较高，而对老年皮肤病的研究数据较少口一。据调查，美国每年平均有7 0 万人患上皮肤癌，黄种人虽然患病概率比白种人低，但也不能忽略皮肤癌的危险性。光学技术以其安全、廉价、无创等优点，在皮肤病的无创诊断和治疗中发挥着重要作用。目前采用光学技术进行皮肤疾病诊断主要分为两个方向：光谱技术O S T(o p t i c a ls p e c-t r a lt e c h n i q u e)和光学相干层析技术O C T(o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y)。其中O S T 技术主要是基于组织对光特定的吸收、反射、散射等作用，由探测到的光谱信息对组织的异常或病变情况进行判断。在皮肤疾病的检测中，已通过探测皮肤的反射光谱 4 、吸收光谱 引、荧光光谱及反射光谱 6 实现了白癜风、黑色素沉着病，恶性黑色素瘤，和由组织血液引起的鲜红斑痣、银屑病、红斑狼疮等疾病的成分信息检测分析。)C T 技术则利用生物组织对近红外光的弱吸收性和强散射性，从牛物组织的背向散射光中通过相干法实现对被测生物组织的结构成像 7 ，初步实现了良恶性黑色素皮肤损伤 8 9|、基底细胞癌【l0 1 1。、大疱性皮肤病L 1 2 J 等皮肤组织疾病的图像信息诊断。但目前临床上尚未有较完善的光学技术应用于皮肤病的无创诊断，O S T 因其仅得到组织成分的光谱信息，在组织深度探测和结构信息的获得上存在明显的不足；()C T 则仅在体表组织深度上达到r 较满意的图像探测但对组织成分的光谱信息却没有涉及。由于生物组织的复杂性以及光与组织作用的多样性和不确定性，使得这两种方法在特征提取的过程中都造成某种程度的信息鼍丢失，对疾病的准确诊断和治疗造成一定的阻碍。为弥补o S T 和()C T 技术的不足，本文提出体表组织内部高谱图技术，该技术将同时探测到皮肤组织的成分光谱信息和位置结构信息。体表组织内部高谱图技术体表组织内部高谱图技术结合了0 趼无创和快速、灵敏的成分检测特点和0 C T 高分辨率、特定层深度的横断面成像的特点，同时探测到组织的光谱信息和图像信息以及二者的交互信息，为疾病的检测提供更全面的组织成分和结构信息，实现更为准确的诊断。1 1 技术的原理对入射光I l i 言，皮肤组织可以看作是致密、非均匀、高散射的浑浊光学介质，当光入射到皮肤组织时，光能主要分为兰部分：反射光(镜面反射、漫反射以及皮肤组织内的后向散射)透射光(弹道直射光、蛇形散射光、前向散射光)；收稿日期：2 0 1 0-0 3 2 2。修订日期：2 0 1 0-0 6 2 8基金项目：国家自然科学基金项目(6 0 6 7 4 1 1 1，3 0 9 7 3 9 6 4)资助作者简介：林凌。女，1 9 6 1 年生。天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授e-n m i l：l i n l i n g t j t l-e d u 万方数据光I*学一j 光懈分析帮3 1 卷暇收兜3。光r 在虚腔绷g l 中的f 输叮m 罔l 柬击#mf 4。”5：；：_“m n Jlm 9 十肓可自*9 t t”m A”F _ 4 1I r b m 酷妯p a l l lo fp h o t o n i ns k i n t 瞄饿错皮肤的组织光学特性m 干皮肚组织内的成仆对小渡长舯光打小同的暇收，n 射光I 1 f _ l 探删得到的后向艘射光r -便携带r 自j 纵成分的吸收*息；(x 1 帕成像原理叮知框特定波长光的 日t F，十旧深度惶嚣所反射舶光谱十蚓，从l 膨成组织横断面肭成像州此t 自十光问删探删到褂光卅衍g H 携4 K 组织的成仆佑息和结掏信息。J 皮肤维$I 的宴骑目!魍模型町去求如崩2 所永。n B2I d e a le x p e r i 眦n t a lm r 吐I“p h o l t m st i s s i o np a t hi nI x、d ys u r f m 从f t 摊 日十宽带光源在位铿1 址椅渊刮光 过较为挂洼的采皮自i 织随着捡删位设向忸鞋i 帕移动心光F经过体表组织的摊度不|t d】I 导致“：射光位嚣小同+所椅剐到的圯始址的椿廑也越来越探。将椅测褂到的 射光斛可“构成-难的光谱自【织高光谱，一通过幽3 束矗说l 组织岛光谱既乜插纽织的结构信息(类似额域(x 1j，R 古4】组$舯成分信息(2 7 此醉成分分析娄似)】儿在踬始1 二息聃的筱 l+叫娃忧r(】吼和(Y C I 技术撩测剑亚当舳自1 0【信q 为酸病的诊断提供更多型全面的侬崩。I2 数据采豢分析系统域数据采氍系统由光源，光许仪、计算机，光纤探头肚控制器纽戚。光酥采用从r u n 光到垃虬外的宽带光源光滑倥川来采据探铡数据井传送到计算机梧薪处理，托制器牲制输出光纤帕穆动目一离目谴度。嘲，I 所m 为体在g l#-内辫高辞图的数据秉架系统“意刚。*f 临床j，确诊的各种皮肤拍t T t常的健胀志愿扦等进 r 椅测和数女i 秉艇。拒数据仆析坪1 小问T 常规的信口址理于段为搿到粜教粜较叫的f；息向进行滤波分离，或分娄出多种信息衍m 进行线性综分析，而是将所得数拊怍为惟伴俯息处理。将采雄剑的病症教据随机分为两部分第一部分数据在接病痛信息蔓联，通过偏最小=乘、神经网络土持m 鞋机等数据挖掘手段进行建模再经过模型柏交z 骑厦不断训练挖拙|：射光与病症信息线性或非线性的曼系，睦市组织成分、结构“殷二者笠台交q 坝疾病曲复矧映射盖系模型 然后通过瓣=部分散姑进行横型敢皋预测和分折井对所建模剐册捌删精度进行评价模型预测相盖性较九精噬较d*时垭吖宴现由搽测 S 到的兜潜数据直接进行病n 诊断分析。f J 前U 打学打栗神经嘲络的数据挖抛手段埘现打的皮肤病例确定可能的城病H 索井进行数据分析H l 测精睦r 4 逃到9 26 2。n f 见，采州数据挖掘处理方式-能够交脱较l 皮肤痰辅的诊斯，奉文将纽纵，q 聍P,t 技术和数据挖批方法结台使用既避免T O S T 和O C T 在数据分类枘址程小情息竹的苫煲R 4 到光黹和恤代C i 也“段=秆帕史n 息，挖掘出型多的病理辅|N，M 时坯町以将摘的数据郸一常人的数据进行比较分析，发脱异常为疾病的口J W 渗断提供依据。1 3 技术分析泼技术方法刨新忭在f 突破r，t 物俯息性洲r -单”碰垛论”的惯性思维对于盖系复杂的q 物K 学信号f 进行剿意、卡碰的丹高和分娄而根据生物的整体复杂特性采取系缆哈拍打浊采络计分析具冉多信息盘义忭舯堑台信启此 汝H 计“F 的优点。万方数据第1 期光谱学与光谱分析2 0 3(1)获得更多的检测信息。优于单一信息的获取；不同于多种单一信息的线性组合。在小进行分离的前提下，往往能挖掘出多种信息的非线性关系。同时检测得到组织的卒间位置信息和成分的光谱信息，为病症的诊断提供更准确的依据。(2)系统操作简单，易实现，低成本。操作系统在设计中，由于跳过对信号的分类、滤波等环节，直接对所得的信号与病症信息进行关联，省去了信号的处理装置。可以方便地探测列更多的人体部位，比如0(汀技术不易实现的面部检测。(3)高精度。该技术对光源要求较小，选用的人射光源波长范l 钧比()C T 的波长范嗣较宽；探测深度将高于0 C T 技术，町探测剑皮下组织乃至m 管等部位，探测到复杂的牛物组织更多的生理特性，挖掘f i；更多的有用信息，提高诊断精度。(4)对病源模糊的病症具有指向性。对于一些在图像或者光谱中特征不明最而导致病源模糊的病症，可以通过该技术分析数据与病症，近一步推出该病症在图像或光谱中的直观反映，发展新的诊断原理和手段。(5)有助于疾病早期发现。该技术町对于一些例如皮肤癌的早期诊断提供帮助。在体表外在特征并不明显的情况下，通过探测分析组织内部的成分或结构的变化，早发现，早治疗，防止病情的恶化。但是，该技术也存在点不足。由于对数据尽可能的多信息的保留，相当数壁的病人不同波长下、不M 位置处、不同病症及j 严苇程度的超光谱信息，使得待处理的数据疑会很巨大，所需的处理时间将会较长。但随着所建寺模璎的不断完善以及计算机处理速度的提高，这一不足将会得到解决。2 结论组织高光谱技术凭借j 系统结构简单、易实现、易操作等优点；以及该技术在信息获取、信息分析上体现出的大信息量的优越性，将成分和结构骼体分析并充分利用二者的交互信息，将会达到较高的诊断精度和准确度，有望应用于临床皮肤病的快速准确诊断，并为一些皮肤病的早期发现提供依据。而且，随着技术的发展和理论的成熟，该技术和方法将有希望应用于体内更深层组织乃至其他生物组织的检测，并为生物l 爰学信息检测开辟了新的途径。1 B o e l s m aE s t h e r，H e n d r i k sH e n kFJ，R o z aL e n A m e r i c a nJ o u m a lo fC i n i c a lN u t r i t i o n，2 0 0 1。7 3(5)：8 5 3 2 S o u i s s iA，Z e g l a o u iF，E IF e k i hN，a ta LA n n a l e sd eD e r m a t o l o g i ee td eV e n e r e o l o g i e，2 0 0 6 1 3 3(3)：2 3 1 3 Y a l c i nB，T a m e rE，T o yGG，e ta LI n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fD e r m a t o l o g y 2 0 0 6。4 5(6)：6 7 2 4 C H E N R o n g，Z E N G H a l s h a n，H U A N GB a o-h u a，e ta I(陈荣，曾海山。黄宝华，等)C h i n e s eJ o u r n a lo f B i o m e d i c a I E n g i n e e r i n g(中国生物氏学工程学报)，2 0 0 7，2 6(1)：9 4 5 Z o n i o sG e o r g e，D i m o l lA i k a t e r i n i，B a s s u k a sl o a n n i s。e ta LJ o u r n a lo fB i o m e d i e a lO p t i c s，2 0 0 8，1 3(1)：0 1 4 6 L i a oX i a o h u a W a n gY i n g，C h e nR o n g，e ta 1 A c t aP h o t o n i c aS i n i c a，2 0 0 9，3 8(5)：1 2 5 4 7 J u n gW o o n g g y u，K a oB u n s h o。K e l l yK r i s t e nM，e ta LI E E EJ o u r n a lo fS e l e c t e dT o p i c si nQ u a n t u mE l e c t r o n i c s。2 0 0 3，9(2)：2 2 2 8 G a m b i c h l e rT h i l o，R e g e n i t e rP h i l i p p。B e c h a r aF a l kG，a ta 1 J o u r n a lo ft h eA m e r i c a nA c a d e m yo fD e r m a t o l o g y，2 0 0 7 5 7：6 2 9 9 M o g e n s e nM e t t e，T h r a n eL a r s，J o r g e n s e nT h o m a sM，e ta 1 J o u r n a lo fB i o p h o t o n i c s，2 0 0 9，2(6-7)：4 2 2 r 1 0 3G a m b i c h l e rT h i l o，O r l i k o vA l e x e j。V a s aR e l Y l u s。a ta 1 J o u r n a lo fD e r m a t o l o g i c a lS c i e n c e。2 0 0 7，4 5(3)：1 6 7 1 1-1M o g e n s e nM，M o r s yHA。F o r m a nJI。e ta t B r i t i s hJ o u r n a lo fD e r m a t o l o g，2 0 0 9，1 6 0(5)：1 0 2 6 1 2-1M o g e n s e nM，M o r s yHA，N u m b e r gBM e ta 1 J o u r n a lO fE u r o p e a nA c a d e m yo fD e r m a t o l o g ya n dV e n e r e o l o g y，2 0 0 8 2 2(1 2)：1 4 5 8 1 3 Y UW e n l i n，Z E N GD o n g，Y U A NK a i-h u a。e ta l(余文林，曾东，苑凯华，等)A p p l i e dL a s e r(应用激光)，2 0 0 7，2 7(I)：6 5 1 4 3C h a n gC h u n l a n g，C h e nC h i h h a o E x p e r tS y s t e m sw i t hA p p l i c a t i o n s，2 0 0 9，3 6(2)：4 0 3 5 万方数据光谱学与光谱分析第3 1 卷H y p e r s p e c t r a lo ft h eB o d yS u r f a c eT i s s u e s：aN e wS y n c h r o n o u sD e t e c t i o nT e c h n o l o g yo ft h eC o m p o s i t i o n a lI n f o r m a t i o na n dS t r u c t u r a lI n f o r m a t i o nL i b L i n g，W UH o n g-j i e，W UX i a o-s h u a n g。L IG a n gS t a t eK e yL a b o r a t o r yo fP r e c i s i o nM e a s u r e m e n tT e c h n o l o g ya n dI n s t r u m e n t s，T i a n j i nU n i v e r s i t y，T i a n j i n3 0 0 0 7 2，C h i n aA b s t r a c tT h ep r e s e n tp a p e ri n n o v a t i v e l yp r o p o s e dt h et e c h n o l o g yu s i n gh y p e r s p e c t r a lt od e t e c tt h eb o d ys u r f a c et i s s u e st h a tc a na c h i e v et h es y s t e m i ca n a l y s i so fc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eb yo b t a i n i n gt h em u l t i p l es p e c t r u ma n di m a g ei n f o r m a t i o ns i m u l t a n e-o u s l y B e s i d e s，b yt h em e t h o do fd a t am i n i n g，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd i s e a s e sa n dt h ed a t ai n c l u d i n gt h es p e c t r u m，i m a g eo rs y n e n t r o p yw e r ee s t a b l i s h e d T h i st e c h n o l o g yp r o v i d e dm o r ei n f o r m a t i o nf o rt h ed i s e a s ed e t e c t i o nc l i n i c a l l yw h i c hc a nr e f l e c ta c-c u r a t e l yt h ep h y s i o l o g i c a l，b i o c h e m i c a la n dp a t h o l o g i c a ls t a t u sa n dt h ev a r i a t i o no ft h eb o d ys u r f a c et i s s u e s，b yw h i c hb o t ht h ec o s to ft h ee q u i p m e n ta n dt h eo p e r a t i o ns t e p sc a nb er e d u c e d K e y w o r d sH y p e r s p e c t r a l；C o m p o s i t i o n a li r r f o r m a t i o n；S t r u c t u r a li n f o r m a t i o n；D a t am i n i n g(R e c e i v e dM 虬2 2，2 0 1 0；a c c e p t e dJ 帆2 8，2 0 1 0)万方数据体表组织内高谱图:成分信息和结构信息同步检测新技术体表组织内高谱图:成分信息和结构信息同步检测新技术作者：林凌，吴红杰，吴晓爽，李刚，LIN Ling，WU Hong-jie，WU Xiao-shuang，LIGang作者单位天津大学,精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,300072刊名：光谱学与光谱分析英文刊名：SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS年，卷(期)：2011,31(1)参考文献(14条)参考文献(14条)1.Mogensen Mette;Thrane Lars;J()rgensen Thomas M 查看详情外文期刊 2009(6-7)2.Gambichler Thilo;Regeniter Philipp;Bechara Falk G In vivo optical coherence tomography of basalcell carcinoma.外文期刊 2007(3)3.Jung Woonggyu;Kao Bunsho;Kelly Kristen M Optical coherence tomography for in vitro monitoring ofwound healing after laser irradiation外文期刊 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