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活體熒光的光譜解混探測方法與流程

文檔序號:11217359閱讀:778來源:國知局
活體熒光的光譜解混探測方法與流程

本發(fā)明涉及一種活體熒光的光譜解混探測方法,g06計算;推算;計數(shù)g06t一般的圖像數(shù)據(jù)處理或產(chǎn)生g06t7/00圖像分析,例如從位像到非位像。



背景技術(shù):

活體熒光技術(shù)可以模擬生物醫(yī)學(xué)上,靶向藥物對特定腫瘤的定位效果,從而分析藥物的性能并幫助進行實時的手術(shù)指導(dǎo)。該功能的實現(xiàn)依賴于活體熒光的準確分解和探測。

在本領(lǐng)域中,還處于探索階段,沒有形成業(yè)內(nèi)共識的既行之有效,又具備合理計算量的方法。

高光譜遙感現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,因為高空間分辨率和光譜分辨率使得它為事物提供更多的信息。目標檢測和光譜解混是高光譜技術(shù)中最重要的主題,它使我們可以精確地分析混合像素中目標的存在和的比重情況。

圖1給出了光譜混合的不同方式,圖1(a)為線性混合方式,就地物反射面而言,入射的電磁波僅與地表的一種成分相互作用。如果可以將單個像素面積內(nèi)地面區(qū)域根據(jù)地物的面積比例進行劃分,則反射的電磁波也可以認為是由地物光譜曲線按照相應(yīng)的比例線性混合而成,豐度則對應(yīng)于端元在混合像元中的面積比。

圖1(b)對應(yīng)于非線性光譜混合方式,其中的各種地物成分互相作用,在小于光子路徑長度的空間尺度內(nèi),不同組分之間的相互作用產(chǎn)生了復(fù)雜的散射影響,使得混合像元光譜由各端元光譜非線性方式混合而成。

在活體熒光探測中,活體自發(fā)熒光與目標熒光在宏觀上屬于線性混合,但是微觀上目標熒光與自發(fā)熒光互相作用,且目標熒光區(qū)域周圍的自發(fā)熒光作為環(huán)境光也對感知器探測到的光譜起到一定的作用。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明提出的一種活體熒光的光譜解混探測方法,包括如下步驟:

—獲取待分析的活體熒光圖像,分析該活體熒光圖像的混合熒光光譜,根據(jù)自發(fā)熒光光譜和目標熒光光譜,建立當(dāng)前熒光圖像的線性光譜混合模型;

—建立所述線性光譜混合模型的正交子空間投影,結(jié)合最小二乘算法消除所述線性光譜混合模型中的自發(fā)熒光光譜,進而非分離得出感興趣光譜,即目標熒光光譜。

作為優(yōu)選的實施方式,所述建立當(dāng)前熒光圖像的線性光譜混合模型的過程如下:

—將所述熒光圖像中的混合像元視為由多個不同的端元組成,得到所述的線性光譜混合模型如下:

其中:p為端元數(shù),r是圖像中l(wèi)維光譜向量,即r∈r1×l,l為圖像波段數(shù),m是l×p矩陣,即端元矩陣,其中的每一列mi均為一個端元(信號)向量,α=(α1,α2,…,αp)t是一個p×1的豐度向量,e為誤差項,α為豐度向量;

—將所述的端元矩陣m分解為感興趣端元t=mp和其余端元的光譜矩陣u,相應(yīng)的,豐度向量α也分為αp和γ兩部分,其中αp表示感興趣端元的豐度,而γ表示其余端元的豐度,e是噪聲;

相應(yīng)的所述的混合模型表達式r=mα+e,改寫為如下形式:

r=tαp+uγ+e

非期望光譜矩陣,即所述的自發(fā)熒光光譜u所決定的正交投影空間用表示,則

其中,i是單位矩陣,u#表示矩陣u的偽逆,ut表示矩陣u的轉(zhuǎn)置;

將所述的正交投影空間作用于所述的感興趣光譜,即目標熒光光譜t,得到目標熒光光譜t區(qū)別于自發(fā)熒光光譜u,完全消除u并能夠代表當(dāng)前的目標熒光光譜/向量t的殘余向量t';

該目標熒光光譜的殘余向量單位向量如下:

利用正交子空間投影方法得到t′,由此得到每個目標光譜的殘余向量ti′或殘余單位向量di,i=1,…,n。

利用正交子空間投影方法得到t′,由此得到每個目標光譜的殘余向量ti′或殘余單位向量di,i=1,…,n。

更進一步的,以所述的殘余向量作為目標熒光光譜的在所述的線性光譜混合模型中的權(quán)重;

設(shè)二維光譜ti表示第i個目標熒光光譜,i=1,…,n,二維光譜b表示自發(fā)熒光光譜,設(shè)定二者之間為線性疊加,則消除自發(fā)熒光后的目標光譜為

ti′=ti-b

如果考慮自發(fā)熒光周圍環(huán)境光的影響,以及目標光譜與自發(fā)熒光之間的作用影響,則可以對自發(fā)熒光進行加權(quán),消除自發(fā)熒光后的目標光譜為

ti′=ti-βb

其中β表示自發(fā)熒光的加權(quán)值,根據(jù)用戶的需求進行調(diào)整,值的大小代表自發(fā)熒光的作用大小;

在線性疊加作用之外,如果目標熒光光譜對其有削弱作用,則取值小于1;若考慮環(huán)境自發(fā)熒光的附加影響,則取值大于1。

更進一步的,目標熒光光譜的含量,根據(jù)所述的殘余單位向量按照下式計算。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明的實施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案,下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的光譜混合方式示意圖

圖2為本發(fā)明帶權(quán)重的自發(fā)熒光消除原理示意圖

圖3為本發(fā)明正交子空間投影的自發(fā)熒光消除原理示意圖

圖4為本發(fā)明條帶測試圖像

圖5為本發(fā)明白鼠活體熒光圖像

圖6為本發(fā)明色帶1的光譜夾角結(jié)果示意圖

圖7為本發(fā)明色帶2的光譜夾角結(jié)果示意圖

圖8為本發(fā)明色帶3的光譜夾角結(jié)果示意圖

圖9為本發(fā)明色帶1的光譜解混結(jié)果示意圖

圖10為本發(fā)明色帶2的光譜解混結(jié)果示意圖

圖11為本發(fā)明色帶3的光譜解混結(jié)果示意圖

圖12為本發(fā)明實施例1中采用lse方法,即直接采用目標熒光解混的效果示意圖,圖12(a)為1號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖12(b)為本發(fā)明實施例中2號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖12(c)為本發(fā)明實施例中3號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖12(d)為自發(fā)熒光探測結(jié)構(gòu)示意圖

圖13為本發(fā)明實施例1中,采用加權(quán)消除自發(fā)熒光后(β=1)解混的效果示意圖,圖13(a)為1號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖13(b)本發(fā)明實施例中2號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖13(c)為本發(fā)明實施例3號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖13(d)為本發(fā)明實施例中自發(fā)熒光探測結(jié)果示意圖

圖14為本發(fā)明實施例1,采用正交子空間投影消除自發(fā)熒光后解混的效果,圖14(a)為本發(fā)明實施例中1號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖14(b)為本發(fā)明實施例中2號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖14(c)為本發(fā)明實施例中3號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖14(c)為本發(fā)明實施例中自發(fā)熒光探測結(jié)果示意圖

圖15為本發(fā)明實施例1,正交子空間投影效果的同數(shù)值尺度顯示效果示意圖,圖15(a)為1號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖15(b)為2號目標熒光探測結(jié)果示意圖,圖15(c)為本發(fā)明3號目標熒光探測結(jié)果示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚,下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖,對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚完整的描述:

本發(fā)明提供兩種對活體自發(fā)熒光的處理方式,并基于此處理分別利用檢測和解混的方式進行目標熒光的分析。

為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案如下:

基于正交子空間投影的自發(fā)熒光消除方法

正交子空間投影是一種有效的目標檢測方法,可以完全消除非期望信號對感興趣信號的影響。

在線性光譜混合模型中,混合像元可以看作是圖像中的端元線性混合而成,即

其中:p為端元數(shù),r是圖像中l(wèi)維光譜向量(l為圖像波段數(shù)),m是l×p矩陣,其中的每一列mi均為一個端元(信號)向量,α=(α1,α2,…,αp)t是一個p×1的豐度向量,e為誤差項。

不失一般性,將線性模型中的端元矩陣m分解為感興趣端元t=mp和其余(非期望)端元的光譜矩陣u,相應(yīng)的豐度向量α也分為αp和γ兩部分,e是噪聲。

線性混合模型表達式:r=mα+e,改寫為如下形式:

r=tαp+uγ+e(2)

設(shè)u(非期望光譜矩陣,即這里的自發(fā)熒光光譜)所決定的正交投影空間用表示,則

i是單位矩陣。

作用于t(感興趣光譜,即目標熒光光譜),得到t區(qū)別于u(自發(fā)熒光光譜)、完全消除u并能夠代表當(dāng)前向量t的殘余向量,即目標熒光區(qū)別于自體熒光的部分為:

其所對應(yīng)的方法1中的自發(fā)熒光權(quán)值為該方法相當(dāng)于自動確定一種自發(fā)熒光消除的加權(quán)值,使其適用于目標熒光和自發(fā)熒光完全非線性相關(guān)的情況。得到該目標熒光光譜的殘余向量單位向量如下:

利用正交子空間投影方法得到t′的工作原理如圖3,由此可以得到每個目標光譜的殘余向量ti′或殘余單位向量di,i=1,…,n。

活體自發(fā)熒光光譜的線性加權(quán)消除方法

考慮到在實際應(yīng)用過程中,對目標熒光光譜的分解有著不同的應(yīng)用,采用上述基于正交子空間的解法,將完全剔除自發(fā)熒光光譜的影響,故提出了一種可人工選擇權(quán)重的線性加權(quán)消除方法

更一般性的考慮,如圖2所示,設(shè)二維光譜ti表示第i個目標熒光光譜,i=1,…,n,二維光譜b表示自發(fā)熒光光譜,如果二者之間是線性疊加的方式,則消除自發(fā)熒光后的目標光譜為

ti′=ti-b(6)

如果考慮自發(fā)熒光周圍環(huán)境光的影響,以及目標光譜與自發(fā)熒光之間的作用影響,則可以對自發(fā)熒光進行加權(quán),消除自發(fā)熒光后的目標光譜為

ti′=ti-βb(7)

其中β表示自發(fā)熒光的加權(quán)值,其取值可以根據(jù)用戶的需求進行調(diào)整,值的大小代表自發(fā)熒光的作用大小。在線性疊加作用之外,如果目標熒光光譜對其有削弱作用,則取值小于1;若考慮環(huán)境自發(fā)熒光的附加影響,則取值大于1。β的取值范圍可以根據(jù)需求設(shè)置為0到3之間的實數(shù),以此來簡化模擬光譜間的影響。

基于線性光譜解混的目標熒光探測和分析

最小二乘算法是目前基于線性解混模型應(yīng)用最廣泛的解混算法,通過使誤差平方最小化的方法來尋找函數(shù)的最佳匹配數(shù)據(jù)。

根據(jù)線性解混模型的表達式(3)可以得到誤差值e=r-mα,則尋找最優(yōu)解的表達式即公式(8)

min{(r-mα)t(r-mα)}(8)

可以計算得到無約束解混豐度αls。

αls=(mtm)-1mtr(9)

利用自發(fā)熒光b和目標熒光t′1,′2,…t′n構(gòu)成端元矩陣,對整張活體熒光圖像進行解混,得到n+1個豐度圖,分別對應(yīng)n種目標熒光和活體自發(fā)熒光的探測和分布情況。

除此之外,按照正交子空間投影原理,根據(jù)式(7)各目標熒光光譜的含量可以按照下式計算

實施例1

本實驗采用兩組圖像數(shù)據(jù),其大小分別為1040×1392×11和520×696×27,分別為色帶測試圖像和白鼠熒光圖像。色帶測試圖像如圖3所示,白鼠熒光圖像如圖4所示。

本發(fā)明研究和設(shè)計了利用高光譜解混技術(shù)探測和分析熒光分布的方法,分別按照2種不同的方式對活體自發(fā)熒光的影響進行消除,利用加權(quán)和自動確定權(quán)重系數(shù)的方式,借助2種探測和解混方法lse、lsosp,用條帶測試數(shù)據(jù)和活體白鼠熒光數(shù)據(jù)分別進行了實驗,驗證了本發(fā)明所提出方法的有效性。

如果按照光譜夾角匹配的方式,可以得到各色帶的探測情況如圖6、7、8所示。

其中,灰度值的大小對應(yīng)于光譜夾角的大小,故灰度值越小,目標光譜與參考光譜越相似。圖6-7中的3個黑色條帶即利用光譜角方法得到的各色帶分布情況。

利用lse對上述條帶測試圖像進行光譜解混,得到的各色帶分布情況如圖9-11所示。

圖9-11中,灰度值表示各色帶成分的含量,灰度值越大,表示光譜的存在程度越高。從圖9-11和圖6-8中可以明顯看出,lse的解混方法在分析熒光成分組成時,準確度明顯高于光譜夾角方法。后續(xù)將此方法應(yīng)用于活體熒光探測。

在活體熒光圖像上,上面的三個熒光部分表示3種純度較高的熒光,分別為1、2、3號熒光,左下區(qū)域是3種熒光的混合,右下區(qū)域是2種熒光1、2號的混合。直接選擇3種純度較高的熒光光譜作為端元,與自發(fā)熒光光譜構(gòu)成端元集,進行l(wèi)se解混,得到的結(jié)果如圖12所示。

從結(jié)果中可以看出,自發(fā)熒光的探測結(jié)果有較大錯誤,尤其是在5個目標熒光區(qū)域。

利用加權(quán)背景消去(β=1)的自發(fā)熒光消除法,獲得新的端元集,進行l(wèi)se解混得到的結(jié)果如圖13所示。

從結(jié)果中可以看出,該方法有效地分解了3種目標光譜和白鼠的自發(fā)熒光,尤其是圖13(d)效果明顯好于圖12(d)。

利用正交子空間投影對自發(fā)熒光進行消除,并利用lsosp進行解混,得到的結(jié)果如圖14所示。

從結(jié)果中可以看出,該方法同樣能夠有效地分解3種目標光譜和白鼠的自發(fā)熒光,圖14(c)中檢測結(jié)果受到干擾亮斑影響,檢測結(jié)果不明顯。將目標光譜分離結(jié)果按照統(tǒng)一尺度顯示,結(jié)果如圖15所示,且尺度比色如圖15(d)所示。

以上所述,僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式,但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi),根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

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