308nm準(zhǔn)分子激光皮膚治療儀患病區(qū)域自動(dòng)識(shí)別算法研究

吳南壽，王 磊，毛文健，關(guān)財(cái)忠，王茗祎，韓定安，曾亞光*

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院光電信息科學(xué)與工程系，廣東佛山528000）

308nm準(zhǔn)分子激光皮膚治療儀患病區(qū)域自動(dòng)識(shí)別算法研究

吳南壽，王 磊，毛文健，關(guān)財(cái)忠，王茗祎，韓定安，曾亞光*

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院光電信息科學(xué)與工程系，廣東佛山528000）

研究一種用于308nm準(zhǔn)分子激光皮膚治療儀的患病區(qū)域自動(dòng)識(shí)別算法，主要用于治療白癜風(fēng)疾病，能夠快速準(zhǔn)確對(duì)患者的患病區(qū)域進(jìn)行處理?？蓪?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療，具有快速、安全、無(wú)副作用等優(yōu)點(diǎn)。彌補(bǔ)大范圍普照式和小范圍點(diǎn)照式治療方法的不足，為白癜風(fēng)疾病提供了一種高效的治療手段。

白癜風(fēng)；自動(dòng)識(shí)別；患病區(qū)域

白癜風(fēng)是一種常見(jiàn)的皮膚色素脫失病，目前我國(guó)白癜風(fēng)患者高達(dá)2 000萬(wàn)人以上，該疾病易診斷而難治療。雖然不會(huì)給患者帶來(lái)癢、痛等不適感，亦不會(huì)威脅生命，但是卻會(huì)嚴(yán)重影響患者形象。因此，會(huì)限制患者的職業(yè)范圍，也會(huì)給患者帶來(lái)心理負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響患者日常的工作與生活。該疾病主要通過(guò)光化學(xué)療法和免疫療法進(jìn)行治療［1-5］。其中，免疫療法含外用皮質(zhì)類固醇激素、內(nèi)用皮質(zhì)類固醇激素、免疫調(diào)節(jié)劑等。免疫療法雖然可以抑制白癜風(fēng)的的復(fù)發(fā)，但其治療速度緩慢，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。光化學(xué)療法包括補(bǔ)骨脂素聯(lián)合長(zhǎng)波紫外線照射（PUVA）、L-苯丙氨酸（L-phenylalanine）聯(lián)合 UVA、卡泊三醇（Calcipotriol）聯(lián)合PUVA等，其治療效果較好，白斑消失相對(duì)較快，但光化學(xué)療法的治療光源多為紫光燈，治療后會(huì)有不良反應(yīng)，如有瘙癢、惡心、頭痛等［6-8］，該療法存在一定的副作用，長(zhǎng)期照射治療有可能導(dǎo)致產(chǎn)生皮膚癌。

近年來(lái)，據(jù)實(shí)驗(yàn)及臨床研究發(fā)現(xiàn)，308nm準(zhǔn)分子激光可誘導(dǎo)白癜風(fēng)皮損中病理性的T淋巴細(xì)胞凋亡,可使皮膚黑色素細(xì)胞體積增大，樹(shù)突延長(zhǎng)，酪氨酸酶的活性增加，黑素細(xì)胞合成黑色素的能力加強(qiáng)，從而達(dá)到治療的目的［9-10］。利用這一特性，本文在308nm準(zhǔn)分子激光自動(dòng)皮膚治療儀平臺(tái)的基礎(chǔ)上研究出一種患病區(qū)域自動(dòng)識(shí)別算法，通過(guò)圖像識(shí)別算法可以自主分辨患病白斑處，通過(guò)不規(guī)則圖形掃描技術(shù)能有針對(duì)性地對(duì)患病白斑區(qū)域進(jìn)行治療，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療，具有快速、安全、無(wú)副作用等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的原理

308nm準(zhǔn)激光皮膚治療儀是利用機(jī)器視覺(jué)的方法控制激光，使激光直接照射患病處，使白癜風(fēng)和銀屑病患病處的T淋巴細(xì)胞產(chǎn)生相關(guān)的生物和化學(xué)變化，從而促進(jìn)皮膚色素的合成，達(dá)到治療的目的。

在對(duì)患病處進(jìn)行照射之前需對(duì)患病處的圖像進(jìn)行處理，尋找出患病區(qū)域邊緣，尋找出圖像的邊緣之后，還需將圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成振鏡的掃描電壓。

本文運(yùn)用的圖像處理算法流程如圖1所示，先將彩色圖像灰度化，降低數(shù)據(jù)的處理量，根據(jù)公式（1）對(duì)圖像進(jìn)行灰度化，即

其中，R、G、B分別代表圖像的紅綠藍(lán)3個(gè)分量。再對(duì)其進(jìn)行中值濾波，消除噪聲影響的同時(shí)，保持圖像的邊緣。中值濾波基本原理就是選擇每個(gè)像素的鄰域像素中的中值作為輸出，或者說(shuō)中值濾波將每一像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)的所有像素點(diǎn)灰度值的中值。濾波之后需對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割，將目標(biāo)區(qū)域與背景隔離開(kāi)來(lái)。

圖1 圖像處理流程

閾值分割就是輸入圖像F到輸出二值圖像G的變換，變換公式如下

其中，T1、T2為閾值，目標(biāo)圖像元素為G（i，j）=1,背景區(qū)域圖像元素為G（i，j）=0。閾值化后的圖像有些非目標(biāo)區(qū)域可能同時(shí)被分割出來(lái)，此時(shí)還需將其去除，因此還需對(duì)圖像進(jìn)行去除孤立點(diǎn)處理。以上步驟完成之后，進(jìn)行邊緣提取，將目標(biāo)區(qū)域的輪廓提取出來(lái)。

本文用Sobel算子對(duì)圖像邊緣進(jìn)行提取，Sobel水平和垂直方向的內(nèi)核分別為Gx、Gy，即

然而，提取出來(lái)的邊緣圖像可能出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，還需進(jìn)行形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算。至此，圖像目標(biāo)區(qū)域的邊界就可以被成功檢測(cè)出來(lái)。

通過(guò)以上算法圖像邊緣之后，需將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成振鏡的控制電壓。一般情況下，圖像的橫軸（u軸）的正方向?qū)?yīng)著振鏡的x軸的正方向，圖像的縱軸（v軸）的正方向?qū)?yīng)著振鏡的y軸正方向。令點(diǎn)（u0，v0）為振鏡在圖像中對(duì)應(yīng)的零電壓點(diǎn)。振鏡x、y軸的實(shí)際偏轉(zhuǎn)電壓可由公式求得，即

可給定一個(gè)偏轉(zhuǎn)電壓，求出激光兩點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)，根據(jù)式（4）、（5）即可算出dx與dy。將圖像中的目標(biāo)區(qū)域的邊緣按式（4）、（5）轉(zhuǎn)換成振鏡電壓，于是，根據(jù)不規(guī)則掃描技術(shù)即可對(duì)不規(guī)則患病區(qū)域進(jìn)行掃描。

2 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)的組成如圖2所示。由圖2可知，308nm準(zhǔn)分子激光首先通過(guò)液體透鏡，改變液體透鏡兩端的電壓可改變激光聚焦的位置從而改變光斑能量的大小。通過(guò)液體透鏡之后，激光照射在二維振鏡上，通過(guò)改變振鏡的偏轉(zhuǎn)電壓就可改變激光掃描的位置。通過(guò)振鏡之后，激光將經(jīng)過(guò)高分比分光鏡，一部分激光直接透過(guò)分光鏡被激光能量檢測(cè)計(jì)接收到，另一部分通過(guò)折射照射到二色鏡上，經(jīng)二色鏡反射之后照射到患病區(qū)域，隨后患病區(qū)域的光通過(guò)二色鏡傳入高速相機(jī)。通過(guò)對(duì)高速相機(jī)反饋回來(lái)的信息對(duì)振鏡進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患病區(qū)域的掃描。因患處的大小、形狀各異，邊緣位置治療過(guò)程如果稍有不慎就會(huì)損傷正常皮膚。該系統(tǒng)通過(guò)液體透鏡改變激光光斑大小，使用更小的光斑點(diǎn)填充邊緣位置不規(guī)則區(qū)域，保證能夠準(zhǔn)確、快速、均勻掃描到患病區(qū)域。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

為實(shí)時(shí)監(jiān)控振鏡掃描系統(tǒng)照射設(shè)定區(qū)域的均勻性，首先通過(guò)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別視場(chǎng)中的患病區(qū)域并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集患病區(qū)域的位置信號(hào)。然后經(jīng)過(guò)計(jì)算將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成實(shí)際電壓。最后將電壓輸出給振鏡掃描系統(tǒng)，使308準(zhǔn)分子激光按照所設(shè)定的患病區(qū)域照射。安全功率檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)記錄設(shè)定區(qū)域每個(gè)細(xì)分面積的照射時(shí)間。在治療過(guò)程中，為了保證照射到病人身上激光的功率在安全治療范圍之內(nèi)，需要對(duì)308準(zhǔn)分子激光輸入功率實(shí)時(shí)監(jiān)控。運(yùn)用308nm波長(zhǎng)激光功率探測(cè)器，測(cè)量出分路上的激光功率，并結(jié)合分路和輸出光路上光功率的比值，可以準(zhǔn)確得到將輸出到皮膚的光功率。如圖2所示的激光能量計(jì)，它就是用于實(shí)時(shí)檢測(cè)激光功率強(qiáng)度的探測(cè)設(shè)備，計(jì)算機(jī)通過(guò)它反饋的信息對(duì)激光功率強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，從而改變治療的劑量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

患病區(qū)域的邊緣提取如圖3所示。其中圖3a為患病區(qū)域的灰度圖，圖3b為患病區(qū)域的邊緣圖，圖3c為圖3a和3b的疊加效果圖。由圖3可以看出，本文用到的圖像處理算法成功地識(shí)別出了白癜風(fēng)患病區(qū)域。因掃描時(shí)光斑有一定的大小，即使識(shí)別出的目標(biāo)區(qū)域的圖像邊緣與實(shí)際的患病區(qū)域邊緣有一微小偏差，激光也能準(zhǔn)確掃描到患病區(qū)域，如圖3c箭頭部位所示。

圖3 患病區(qū)域的邊緣提取

圖4是用650nm的激光模擬308nm準(zhǔn)激光分子自動(dòng)皮膚治療儀治療病人的場(chǎng)景。從圖4可以看出，激光自上而下掃描時(shí)，在不同時(shí)刻，激光都能準(zhǔn)確掃描到患病區(qū)域，避免了對(duì)非患病區(qū)域的照射，而且掃描時(shí)間快，整個(gè)掃描時(shí)間不超過(guò)3 s。

圖4 不同時(shí)刻激光掃過(guò)的不同位置

4 小結(jié)

本文研究的308準(zhǔn)分子激光皮膚治療儀患病區(qū)域自動(dòng)識(shí)別算法可以準(zhǔn)確識(shí)別到白癜風(fēng)患者的患病區(qū)域，不僅實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)醫(yī)療，而且自動(dòng)化程度高。具有快速、安全、無(wú)副作用等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作更加方便，彌補(bǔ)大范圍普照式和小范圍點(diǎn)照式治療方法的不足，為治療白癜風(fēng)疾病提供了一種高效的治療手段。

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【責(zé)任編輯：任小平 renxp90@163.com】

308nm excimer laser automatic skin treatment system

WUNan-shou,WANGLei,MAOWen-jian,GUANCai-zhong, WANGMing-yi,HANDing-an,ZENGYa-guang *
（Department ofOptoelectronic Information Science and Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

This paper mainly studies a 308nm excimer laser skin treatment equipment for the diseased area automatic identification algorithm,mainly used to treat vitiligo disease,can cure quickly and accurately the patient’s sick area,and provide accurate,fast and safe diagnosis without side effects.It can also cover the disadvantages ofarea and spot lightingtreatments for vitiligodisease,and provide an effective treatment.

vitiligo;automatic identification;diseased area

R751.05

A

1008-0171（2017）02-0042-04

2016-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11474053，61605026，61601534）；廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016A020220021）

吳南壽（1993-），男，廣東湛江人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士研究生。

*通信作者：曾亞光（1975-），男，湖南湘潭人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授，博士。