宽间隔二阶导数光谱分析方法用于体内检测宫颈癌前病变

摘要

高光谱成像技术由于其高效准确性和无创性的优点，对于改善宫颈癌前病变的检测现状具有很大的潜力。近年来，高光谱成像技术的这一应用也吸引了国内外很多课题组对此展开了研究。本文研究了高光谱成像技术运用于宫颈癌前病变的体内检测。通过开展严谨规范的临床实验，利用高光谱影像系统对整个宫颈进行反射光成像，再运用宽间隔的二阶导数光谱分析方法对宫颈组织的反射光谱进行分析处理。最后，结合最小距离图像分割算法将整个宫颈按照病变程度划分为正常，炎症和高度宫颈上皮内瘤变(CIN)三个部分，这里的高度宫颈上皮内瘤变主要针对的是第二阶段和第三阶段(CIN2和CIN3)的较深度病变。具体研究内容包括:
　　(1)本课题旨在直观快速地获得宫颈组织的病变情况，所以采取了对整个宫颈组织在波长为600nm到800nm范围内成像的方法，波长间隔为2nm。在宽视场成像方法中，光照的不均匀性成为了不可避免的问题。这极大地影响了研究人员观察和获取宫颈组织反射光谱的光谱特征。因此我们提出了采用宽间隔的二阶导数方法对宫颈组织反射光谱进行分析。因为导数光谱有一个显著的优点就是相比于其他分析方法，它对光照的不均匀性比较不敏感。它能够有效地优化背景噪声，从而更好地对光谱特征进行匹配，提高数据之间的分离性。
　　(2)高光谱影像系统不仅笨重昂贵，而且整个成像过程比较耗时。这些不仅会阻碍这套仪器设备的推广，而且相对耗时的高光谱成像过程有可能使影像质量受到干扰，例如组织和相机的相对位置发生改变。因此，我们希望通过寻找有效的光谱特征来尽可能减少所使用的波段。本文中提出的宽间隔二阶导数光谱分析方法在其计算过程中，每个特定间隔的二阶导数值的计算仅仅需要三个特定的波长。所以，我们希望能获得一个最佳的二阶导数值，这个导数值能够快速准确地将宫颈组织划分为与活检病理结果相符合的组织分类结果。在二阶导数光谱分析方法的基础上，实验中所用到的600nm到800nm的波段按照不同的波段间隔能够组成数量庞大的波段组合。因此，我们设计了一个波段组合筛选器，对这些波段组合按照类的可分离性进行筛选。最终获得了能够快速将宫颈组织准确分类的三个波长，分别为620nm，696nm和772nm，波长间隔为76nm。
　　(3)运用所选择的三个特征波长（分别为620nm、696nm和772nm，波长间隔为76nm）结合基于欧几里得距离的最小距离图像分割算法，将宫颈组织划分为正常，炎症和高度CIN病变三种组织类型。分类结果与活检病理结果对照，并由病理科医生和门诊医生进行审查。
　　(4)从生物病理学角度分析所选择的三个特征波长（分别为620nm、696nm和772nm，波长间隔为76nm）是如何影响宫颈组织的反射光谱。我们查找了大量现有的文献和数据，在600nm到800nm之间，对宫颈组织反射光谱随着病变的发展而发生的变化进行深入研究分析。通过深入地了解宫颈组织构造和在病变过程中宫颈组织成分含量的变化，结合所选择的特征波长分析这些变化对宫颈组织整体的光谱响应的影响。
　　(5)在350nm和650nm之间对宫颈组织进行光学建模，实现了宫颈组织反射光谱的快速准确重构。通过宫颈组织的光学建模研究来分析宫颈组织在其病变过程中是如何改变其整体的光学特性，通过定量的结果来理解组织的生理病变如何影响其整体的光谱响应。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景

1．2．1 光谱技术在生物医学工程中的应用分类

1．2．2 富颈组织介绍及其病变演进

1．2．3 光谱技术运用于宫颈组织癌前病变检测的研究现状

1．3 课题意义和主要研究内容

1．3．1 课题意义

1．3．2 课题主要研究内容

1．3．3 论文的结构组织

第2章 高光谱影像系统的搭建与临床实验

2．1 引言

2．2 高光谱相机的选择

2．3 材料和方法

2．3．1 临床数据采集

2．3．2 临床试验步骤

2．4 本章小结

第3章 算法研究

3．1 引言

3．2 数据校正

3．3 光谱分析

3．4 图像分割

3．5 本章小结

第4章 试验结果分析

4．1 引言

4．2 图像分割结果

4．3 分类结果分析

4．4 光学建模

4．5 本章小结

第5章 工作总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的论文