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论文翻译
题 目 皮下中远红外图像的对比度增强
作者：Carlos Villasentilde;or-Mora , Francisco J. Sanchez-Marin *, Maria E. Garay-Sevilla
摘要
本文提出一种简单的工序来提高皮下静脉红外图像的对比度：在采集图像的过程中，在需要采集的部位涂上一种特殊物质。在这种方式下，图像对比度可以增强到原始值的400%。通过一系列受试者的手，脚和颈部的红外图像测试，该效果可持续超过十一分钟，有足够的实际运用价值。相关现象可以由所应用物质的红外光谱给出解释。该工序具有无害、简单、有时效性以及低成本的特点。2007 Elsevier公司保留所有权利。
目 录
1介绍
近几年，红外成像在医学方面的应用得到越来越多的关注。因为红外辐射是属于非电离辐射，它的应用也意味着发展非侵入性技术这个重要的主题。然而，红外成像在医学方面的应用受到两个方面的限制。第一，与X射线相比，红外辐射在人体组织里的渗透率较低。第二，在医疗感兴趣区域的热度对比较低，表现为图像的对比度较低。由于红外辐射本身的性质，这些限制难以克服，但是可以对采集的红外图像进行对比度增强。
显然，低对比度的图像很难对病人的身体状况进行分析。最常用的提高对比度方法是利用数字图像处理。然而，考虑到医学图像线性流程的建议，数字图像处理的作用通常有限[1]。
另一方面，在红外图像采集过程中增强对比度的方式还没有得到充分的研究。事实上，很少有发表相关主题的研究。这方面的第一次尝试是由Ontikova等人利用一台红外热像显示仪[2]即时显示浅静脉。Gostout和Jacques研究使用红外感应内窥镜及近红外照明对腹部血管的红外视频成像[3]的可行性。徐等[4]在最近一次研究中使用提高近红外光学相干对比度的染料层析成像。在研究人员使用染料时实验结果相对较好。
Zeman和他的同事发表了一系列关于皮下静脉[5-9]红外图像对比度增强的文章。他们利用皮肤在近红外区（NIR)的属性来提高图像对比度。在第一个研究中[5]，他们利用近红外辐射源对手臂进行照射，然后使用CCD红外探测器采集初始图像。经过数字增强对比度后，再将这张图像投影到同一区域的手臂图像上。通过这样的方式增强了皮下静脉图像的清晰度。在后来一个研究中[6]，他们试图减少皮下脂肪在其中的影响。为此，他们使用不同波长和偏振的红外光，但是实验结果并没有太显著的优化。因此，他们决定集中精力整合他们的软件以及硬件创建一个系统来处理实际情况[7-9]。在一个类似的研究中，Zharov等利用CCD和不同的光源照明，通过对一定波长函数的红外图像质量的评估，发现最优的光源是波长在可见光范围内（570—590nm)的发光二极管阵列。Morgan等组织光学成像纳米晶体作为近红外荧光对比剂[ 12 ]。Niederhauser等利用光声成像和Q开关翠绿宝石激光发射短波近红外激光脉冲[ 13 ]实现血管活体成像的高对比。Miyake等研制出一种非侵入性静脉捕捉近红外静脉图像的成像装置，将其投射到相应的皮肤上并进行处理。
在这次研究中，我们提出了一个通过光学方法提高皮下静脉红外图像对比度的工序。虽然我们的工作目标和上面提到的实际上相同，但是过程大部分不一样，包括感兴趣波长范围。我们进行对比度增强的工序是安全且高效的。
2原理
红外辐射随温度变化的特点是它在医学成像上的优势。因为当人出现炎症反应或癌症等病变，人体内的温度会普遍发生变化。红外相机可以有效地检测到这种温度的变化。
要了解如何增强皮下静脉红外图像的对比度，有必要了解能量如何从血管传送到红外传感器；首先展示在能量正常传输情况下红外图像的对比度，然后分别介绍它在修改条件后实现增强的对比度。
人体的热平衡60%通过辐射，25%通过蒸发，12%通过对流，3%通过传导[15]。我们研究中主要调查的影响与辐射有关，为了更好地解释，我们简要地描述热能如何从静脉传输到皮肤。
热量随血液流动在皮下血管壁组织发生对流。这个过程可以通过牛顿的冷却定律[16]进行建模：
其中表示传热系数，表示血液温度，表示皮下静脉壁温度。
热能由静脉壁传导到邻近组织。这最后一个过程是最重要的，在传热下的皮肤，可以模拟为
其中表示皮肤温度，热敏电阻（）可以计算使用的方程：
,
其中k是导热系数，A是面积，L是流路长度。其中k依赖于几个因素，如脂肪，湿度，皮肤厚度，并且随时间变化。
另一方面，热能以辐射[17-20]的形式从皮肤表面到红外传感器。在我们这个例子中，这个过程对于增强红外相机检测到的场景的对比度是最关键的。
通过辐射进行能量传递的过程中，是以普朗克理论作为出发点[17,18,20 ] 。根据这一理论，能量转移的量可以用相关波长和温度的函数来表示。在我们的例子中，温度是最主要的因素。这模型涉及到能量从皮肤转移到红外探测器的方程：
其中M表示皮肤的出射率，h代表普朗克常数，c表示光速， 表示波长，T表示皮肤温度，k表示波尔兹曼常数。
根据基尔霍夫定律，皮肤发出的总能量是皮下组织发出的能量与皮肤本身发出的能量之和。在我们的测试中，反射能量在研究范围内不受到任何外在能源的影响，因此，反射能量被忽略。所以我们可以得到皮肤的发射率，皮肤的透过率。
根据基尔霍夫定律，可得。因为在我们的情况下的反射率实际上为零，所以表示为。
为了解释皮肤和皮下静脉之间发生了什么，将红外照相机收到的皮肤场景分为两个部分，源皮肤和背景皮肤。
没有直接位于皮下静脉之上的皮肤，被认为是源皮肤的背景皮肤，如结构化的噪音(图一)。
图一
皮肤发出的能量来源于滋养它的小血管（e）。然而，大部分的发射能量来自皮下静脉（s）。这两个能量在符合出射率的下列方程为表示为（M），作为波长的函数和温度（T）:
其中表示发射率，表示透光率；表示皮肤温度，表示静脉温度。
类似的过程发生在背景皮肤，皮肤也受小血管（SBV）的滋养，但是一些热量会通过皮下静脉传导到这部分皮肤。需要注意的是，皮肤的热对比度（DMS）是正确检测检测皮下静脉最重要的变量。因为热对比度是和相应的红外图像的图像对比度相关的。估测热对比，公式（6）可用于系统的各个部分。公式如下
其中表示从SBV的皮肤转移的能量，表示从SBV的背景皮肤转移的能量，表示从皮下静脉转移的能量，表示从背景皮肤的静脉扩散的发射能量。表示皮肤温度，表示静脉温度，表示背景皮肤温度，表示小血管的温度。
因此，热对比度可以有公式（7）减去公式（8）。得：
现在，当一个附加层被引入到系统中，静脉传输到红外相机的能量发生变化，在这种情况，为了提高图像对比度，最简单安全地修改系统的方式是通过在表皮和空气之间引入隔层。有了隔层，就能对主要的能量转移方式(传导和辐射)进行修改。通过增加皮肤的热阻来改变能量的传导，通过改变皮肤的温度来改变红外辐射的大小。同时，当引入附加层时，系统温度下降约2℃，最终有助于增强对比度。
这是测估数字图像[21，22]对比度的几种方法。根据这次研究中所使用的图像特点，可以使用迈克尔逊公式来评估所得到的对比度增强的红外图像。公式表示为：
其中表示最大亮度值，表示最小亮度值。要计算的对比度平均亮度值使用5*5像素窗口，首先在区域静脉（源皮肤），然后在相邻区域（背景皮肤）。
3材料与方法
红外图像被FLIRThermacam E2收购（FLIR系统公司，威尔逊维尔，俄勒冈）。7.5~13是最敏感的波长范围。这台相机的发射率为0.92，温度范围20~40℃，反射温度在22℃，采用Agema470相机（Agema红外系统公司，Dander，瑞典），1.8~5.6是最敏感的波长范围。使用该相机，发射率设定为0.92，温度设定在22.4℃到38.7℃范围内，以29.9℃为中心温度，22℃为室温。
源皮肤和背景皮肤的温度由福禄克52二号温度计测量，K型thermopar（福禄克公司，埃弗雷特，华盛顿），并与福禄克68红外测温仪（福禄克公司，埃弗雷特，华盛顿），均为非接触红外测温仪，发射率设置为0.92，精度为0.1℃。
使用控制变量法进行温度和光照条件下的对比度增强实验。实验室平均温度为22℃，实验室没有窗户，所以没有太阳辐射，所有的照明源，在感兴趣的范围内发射的照明都被排除。测试的皮肤温度范围在29.4~35.2℃。
为了测试我们的实验条件，我们使用一个木箱来隔离受试者的手，以排除可能的外来红外辐射的干扰。在这些隔离条件下，将获得的图像与之前没有木箱的图像相比。由于没有发现明显的差异，所以决定在图像采集过程中不使用木箱。
在初步测试中，一些无害的物质被应用到人类的皮肤上。其中，我们测试了水、酒精、凡士林、青霉素霜、保湿霜、婴儿油、滑石粉、梅洛克斯，超声成像凝胶，太阳晒黑的产品和太阳阻滞剂对图像对比度的影响（低温，室温，高温）。其中表现最好的是阳光阻滞剂（先进的聚合物系统，前带和太阳制药香蕉船）。这些阳光阻滞剂主要的成分是水，甲氧基肉桂酸辛酯和benzofenone-3。
为了研究我们测试中所用的物质的情况，在室温下对散播在皮肤区域的不同物质进行分析。我们测试的室温下，从20到25℃，得到的结果相同。应用物质量要足够覆盖皮肤；保湿霜或乳液也应用于生活之中。我们观察到的变化只发生散播每种物质后的一至十分钟之间。只有产生最好结果的物质（即太阳阻滞剂）特别使用红外珀金–埃尔默谱–BX FT IR系统（Perkin–Elmer Life And Analytical Sciences,Inc. Wellesley, MA, USA）。为此，采用ZnSe样品池。分光分度计分析的范围调整在1.28~28.57，4.16~5.26的盲区并不会严重影响我们研究结果。
图二
4研究结果
得到的一系列红外图像如图二所示，在超过11分钟里，显示了使用一层防晒剂的对比度的变化。可以看出，约1分钟时间后会获得一个相当大的对比度增强。
根据公式（10），我们利用红外图像的亮度值来计算出图像的对比度，得到的对比度值如图3 所示。从这一组数据中可以看出，对比度达到最大值出现在应用防晒霜约一分钟后。这正好与防晒霜被皮肤吸收的时间相吻合，此时也呈现出最佳视觉效果的图像。从应用物质一分钟到十一分钟之间，图像的对比度会相当高，但热量通过皮肤扩散，图像质量依然缓慢的下降。但是，在许多应用中，比如在皮下静脉的位置接种或手术，增强十分钟的对比度是不够的。在图二的图像中，对比度最大增强到原来的453%，在应用六分钟后对比度保持在原来对比度的约300%。
图三
另一种评估所获得对象对比度增强的方式是考虑热对比，可以从the software Therma-Cam QuickView 2.0（FLIR Systems, Inc. Wilsonville, Oregon）得到的来自源皮肤和背景皮肤温度值来计算。这些温度值由一个温度计和红外温度计测量。经过计算，我们认为在0.92的发射率和3~5.6的波长范围内，摄像机采集的灵敏度最高。式（7）和式（8）分别用来计算源皮肤和背景皮肤的发射率。然后将所得的对比度代入公式（9）来计算热对比。计算结果如图四所示。可以看出，热对比图的变化与对比度的变化（图三）保持一致，和预期一样。
为了显示该方法在身体的不同部位具有同样的效应，我们选择在志愿者的颈部和脚步涂上防晒霜。增强对比的结果显示在图五和图六中。在这些情况下，对比度增强在原始图像300%以上。
关于我们的研究中使用的防晒剂样品的分析，相应的结果如图7所示。从分析中可以明显看到，太阳阻滞剂允许红外传输在感兴趣的范围内（即2~5），同时，在这个范围内吸收率很低。如上所述，这解释了防晒霜的一个重要作用，即改变皮下静脉到摄像头传感器的能量流向。
注意在感兴趣的波长范围内，防晒霜是不会阻碍能量透过覆盖的皮肤。此外皮肤温度和出射率相关，只能被局部和暂时地改变。这是因为人体内的机制会保持温度恒定，最终，这些机制限制了对比度增强的时间。
5讨论 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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