一種拉曼成像信號提取與后處理方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及拉曼信號處理領域，特別是一種拉曼成像信號提取與后處理方法。
【背景技術】
[0002] 作為一種分子振動光譜技術，拉曼光譜的指紋圖譜特點使得其成為鑒別物質的一 種重要工具。近年來，因無需標記、非侵入等優(yōu)點，拉曼成像在生物和醫(yī)學診斷領域受到廣 泛關注。借助于拉曼光譜儀器的改進（如多點同時掃描的線聚焦模式等），拉曼成像質量和 成像速度都有了質的改善和提高，能夠在數(shù)分鐘內(nèi)實現(xiàn)成像分析而用于活體成像。
[0003] 通常，獲得高質量拉曼成像圖的前提是提供低噪聲水平的拉曼譜圖。對于大部分 樣品，延長采譜時間，可有效降低儀器的隨機背景噪聲的同時有效保留樣品的拉曼信號。然 而，采譜時間的延長，會降低拉曼成像的實時性，使得對被測目標的在線跟蹤變得十分困 難。即便對于一些能夠在短時間里獲得低噪聲水平的拉曼譜圖，由于需要先對單個譜圖數(shù) 據(jù)進行去噪、背景扣除和譜峰選取及強度測量等步驟，因此，通常情況下，拉曼成像結果的 獲得需要一定的處理時間，很難進行實時在線跟蹤的拉曼成像分析，進而無法對感興趣區(qū) 域進行準確定位以深入研究。
[0004] 目前，在拉曼成像信號處理中普遍采用的算法有Savitzky-Golay(SG)、有限長單 位沖擊響應濾波、小波轉換、因子分析和維納濾波等。這些算法各有優(yōu)缺點和適用范圍，但 一個共同的不足在于，這些方法均需要較多的計算量和計算時間，難以實現(xiàn)拉曼成像的實 時在線分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術中的上述缺陷，提出一種拉曼成像信號的提 取與后處理方法，能夠在有效抑制噪聲并成像的同時，保證計算的速度。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術方案：
[0007] -種拉曼成像信號提取與后處理方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0008] 1)從拉曼成像儀器中獲得拉曼光譜信號，其包含mXn個光譜譜圖 Iyii』，1彡i彡m, 1彡j彡η組成，i為行數(shù)，j為列數(shù)，m為成像的行數(shù)，η為成像的列數(shù)， yi,.j為向量；
[0009] 2)對所有的光譜譜圖求平均譜圖，，并選擇待觀察物質的特征譜峰范圍，從平均 譜圖中截取特定區(qū)域；
[0010] 3)根據(jù)步驟2)選出的特定區(qū)域，從所有拉曼光譜Yii 中截取帶觀察物質的特征譜 峰？Il圍；
[0011] 4)將每個拉曼光譜截取的譜峰數(shù)據(jù)（步驟3)所得）依次與平均譜圖截取的譜峰 數(shù)據(jù)（步驟2)所得）做相關運算，并取相關函數(shù)R1,, ( τ )的最大值ai,
[0012] 5)對所有的ay進行后處理，獲得{b I J ;
[0013] 6)將Ib1J歸一化到0-255之間，并平均分為若干份，每一份采用不同的顏色表 征，根據(jù)Ib1J的坐標畫出拉曼成像色彩圖。
[0014] 優(yōu)選的，在步驟5)中，所述的后處理為采用公式：
式 中，u，V分別代表行數(shù)和列數(shù)；i，j分別代表行數(shù)和列數(shù)；d[g]為兩點的歐式距離；r[g]為 兩點之間的相對強度，Ω-α，j)表示除（i，j)外所有的成像點的集合。
[0015] 優(yōu)選的，在步驟4)中，所述的相關運算為
，其中，N表示 Y1J(X)肺副勺維數(shù)，丁表示延時序號，X為拉曼位移。
[0016] 由上述對本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0017] 本發(fā)明可用于處理經(jīng)由拉曼成像儀器獲取的拉曼成像信號，可以從中提取有用信 息，并進行后處理以提高成像清晰度，其采用相關法作為有用信息的提取方法，具有一定的 噪聲抑制作用。此外，以歐式距離為依據(jù)，考慮成像點之間的相互關系，進行進一步的后處 理，能提高成像清晰度。本方法與拉曼成像的硬件相配合，可以實現(xiàn)快速拉曼成像，具有 較強的噪聲抑制和清晰成像能力，對于采用拉曼成像技術觀察快速變化過程具有重大的意 義。
【附圖說明】
[0018] 圖1為對某物質進行拉曼成像時，某一個點的拉曼譜圖。
[0019] 圖2為對某物質進行拉曼成像時，所有點拉曼譜圖的平均譜圖。
[0020] 圖3為Saturation函數(shù)圖形。
[0021] 圖4為某物質的拉曼成像圖。
[0022] 圖5為本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0023] 以下通過【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的描述。
[0024] 參照圖5, 一種拉曼成像信號提取與后處理方法，不需要進行消噪和基線校正，直 接獲取實現(xiàn)拉曼成像的方法，包括如下步驟：
[0025] 1)從拉曼成像儀器中獲得拉曼光譜譜圖{yj，1彡i彡m，1彡j彡n，i為行數(shù)， j為列數(shù)，m為成像的行數(shù)，η為成像的列數(shù)，^ ,為向量，光譜譜圖由被測物決定，參照圖1 的某種物質的拉曼光譜譜圖。
[0026] 2)對所有的拉曼光譜求平均譜圖y，并選取待觀察物質的特征譜峰范圍，從平均 譜圖中截取，如圖2放大圖內(nèi)的矩形框所示。顯然，平均譜圖j的噪聲水平低于任意一個 光譜yu。
[0027] 3)根據(jù)步驟2選出的區(qū)域，從所有拉曼光譜yii]中截取待觀察物質的特征譜峰范 圍，如圖1放大圖內(nèi)的矩形框所示。
[0028] 4)將每個拉曼光譜截取的譜峰數(shù)據(jù)（步驟3)所得）依次與平均譜圖截取的譜峰 數(shù)據(jù)（步驟2)所得）做相關運算，并取相關函數(shù)U τ)的最大值ai ]。相關函數(shù)基于信 號和噪聲的統(tǒng)計特性，是兩個時域信號相似性的一種度量，被廣泛應用于檢測數(shù)據(jù)處理和 微弱信號檢測等領域。對于幅值在一定范圍內(nèi)的兩個拉曼信號，其相似度越高，則它們的相 關函數(shù)的最大值越大。對于在Iy1J中帶有噪聲的拉曼信號yu(X)和平均譜圖黃相關 運算是一個累加平均的過程，如式（1)所示：
[0030] 式中，N表示yu (X)和yu)的維數(shù)，τ表示延時序號，X為拉曼位移，Rii j ( τ )為 L(X)和J7W的相關函數(shù)。
[0031] 將yi，.j(x)和歹(丨)表示為純拉曼信號和噪聲的開多式，即yi，.j(x) = 8?」（χ)+η;」(χ)和 貝λ·)=死?) +可λ·)。這里，Si，』(X)和只λ·)為不帶噪聲的拉曼信號，叫，』(X)和_)為零均值白噪 聲。若用符號E[g]表示相關運算，由于相關運算是線性運算，因此式（1)可以寫為：
[0033] 這里，尺,./，&.分別為 Siij(X)和私\)，Siij(X)和 ji(A·)，IliJ(X)和Τ(Λ·), Illi j(X)和可t)的相關函數(shù)。顯然，隨機噪聲ni，J(x)和珂Λ-)互不相關，且ni，J(X)和珂為分別 與Sli j(X)和只X)也互不相關，從而式（2)中的7均等于零。因此，相關運算可 以有效的削弱噪聲的影響。取相關函數(shù)R^(T)的最大值作為物質的濃度信息，BP:
[0034] j= maxCR^ j( τ )) (3)
[0035] 式⑶中，max[g]表示取最大值。
[0036] 5)獲得{aij后，可直接以不同顏色表征的大小，獲得拉曼成像圖。如果該成 像圖的清晰度仍不滿足要求，可對Ia1 j利用式（4)進行后處理，以進一步提高成像的清晰 度，后處理的公式如下：
[0038] 式中，u，V和i，j 一樣，分別代表行數(shù)和列數(shù)；d[g]為兩點的歐式距離；r[g]為兩 點之間的相對強度，以au-a^為輸入，其函數(shù)圖形為Saturation函數(shù)，如圖3所示，其斜線 的傾角可根據(jù)實際情況調(diào)整，一般為60-90度；表示除（i，j)外所有的成像點的 集合經(jīng)過后處理，獲得了 Ib1,,}，I < i < m，I < j < η。
[0039] 6)將Ib1,』歸一化到0-255之間（最小值為0,最大值為255)，并平均分為若干份 或區(qū)間（平分的分數(shù)越多，則圖像越細致），每一份或每一區(qū)間采用不同的顏色表征（比如 等分為五個區(qū)間，則每個區(qū)間內(nèi)的點分別用紅、橙、黃、綠、藍色表示），最后按照Ib1J的坐 標，即坐標（i，j)的位置畫出拉曼成像彩色圖，如圖4所示。
[0040] 本發(fā)明所提出的方法，僅涉及簡單的加乘運算，計算速度較快，適合用于快速拉曼 成像信號處理上。
[0041] 上述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的設計構思并不局限于此，凡利用此 構思對本發(fā)明進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本發(fā)明保護范圍的行為。
【主權項】
1. 一種拉曼成像信號提取與后處理方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 從拉曼成像儀器中獲得拉曼光譜信號，其包含mXn個光譜譜圖 Iyii』，1彡i彡m, 1彡j彡η組成，i為行數(shù)，j為列數(shù)，m為成像的行數(shù)，η為成像的列數(shù)， yi,.j為向量； 2) 對所有的光譜譜圖求平均譜圖y，并選擇待觀察物質的特征譜峰范圍，從平均譜圖 中截取特定區(qū)域； 3) 根據(jù)步驟2)選出的特定區(qū)域，從所有拉曼光譜Yii 中截取待觀察物質的特征譜峰范 圍； 4) 將每個拉曼光譜截取的譜峰數(shù)據(jù)（步驟3)所得）依次與平均譜圖截取的譜峰數(shù)據(jù) (步驟2)所得）做相關運算，并取相關函數(shù)R 1, j ( τ )的最大值ai, j; 5) 對所有的進行后處理，獲得Ib1J ; 6) 將Ib1J歸一化到0-255之間，并平均分為若干份，每一份采用不同的顏色表征，根 據(jù)Ib1J的坐標畫出拉曼成像色彩圖。2. 如權利要求1所述的一種拉曼成像信號提取與后處理方法，其特征在于，在步驟 5)中，所述的后處理為采用公式：< 式中，u，v分別代表行數(shù)和 列數(shù)；i，j分別代表行數(shù)和列數(shù)；d[g]為兩點的歐式距離，；r[g]為兩點之間的相對強度， Ω_(：?，j)表示除（i，j)外所有的成像點的集合。3. 如權利要求1所述的一種拉曼成像信號提取與后處理方法，其特征在于：在步驟4) 中，所述的相關運算為，其中，N表示yii](x)和7(.τ)的維數(shù)，τ表 示延時序號，X為拉曼位移。
【專利摘要】一種拉曼成像信號提取與后處理方法，包括如下步驟：1)從拉曼成像儀器中獲得拉曼光譜信號；2)對所有的光譜譜圖求平均譜圖，并選擇待觀察物質的特征譜峰范圍，從平均譜圖中截取特定區(qū)域；3)根據(jù)步驟2)選出的特定區(qū)域，從所有拉曼光譜yi,j中截取待觀察物質的特征譜峰范圍；4)將每個拉曼光譜截取的譜峰數(shù)據(jù)(步驟3)所得)依次與平均譜圖截取的譜峰數(shù)據(jù)(步驟2)所得)做相關運算，并取相關函數(shù)Ri,j(τ)的最大值ai,j；5)對所有的ai,j進行后處理，獲得{bi,j}；6)將{bi,j}歸一化到0-255之間，并平均分為若干份，每一份采用不同的顏色表征，根據(jù){bi,j}的坐標畫出拉曼成像色彩圖。本發(fā)明所提出的方法，僅涉及簡單的加乘運算，計算速度較快，適合用于快速拉曼成像信號處理上。
【IPC分類】G06K9/00
【公開號】CN105184223
【申請?zhí)枴緾N201510486300
【發(fā)明人】王昕 , 劉國坤, 范賢光, 許英杰, 何浩, 王秀芬
【申請人】廈門大學
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月10日