用于皮膚疾病的光學(xué)檢測(cè)的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】
[0001 ] 本申請(qǐng)要求于2013年7月22日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 14/051,053和于2013年7月 22日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No .61/857,143的權(quán)益，這些申請(qǐng)通過(guò)引用被結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明針對(duì)用于皮膚疾病的光學(xué)檢測(cè)的系統(tǒng)和方法，并且特別地適于利用從來(lái)自 受試者的皮膚病變獲得的圖像數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)分析得到的度量和分類器檢測(cè)黑色素瘤的存在 并且區(qū)分例如惡性黑色素瘤與非惡性發(fā)育不良痣和/或共同痣的設(shè)備和方法。所獲得的數(shù) 據(jù)可以被一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器處理，并且所處理的數(shù)據(jù)、診斷或有無(wú)皮膚疾病的指示 可以被輸出到一個(gè)或多個(gè)顯示模塊并且被該一個(gè)或多個(gè)顯示模塊顯示。
【背景技術(shù)】
[0003] 最致命的皮膚癌黑色素瘤會(huì)帶來(lái)巨大的人力和財(cái)力成本。早期檢測(cè)通過(guò)去除原發(fā) 性腫瘤對(duì)防止轉(zhuǎn)移是至關(guān)重要的。早期的橫向生長(zhǎng)階段是遠(yuǎn)優(yōu)于后續(xù)轉(zhuǎn)移性啟動(dòng)階段的檢 測(cè)窗口。用于自動(dòng)量化惡性腫瘤的度量的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)是所需要的，以便更準(zhǔn)確地指導(dǎo)關(guān) 于需要活檢的決定以及為手術(shù)切除做出具有足夠邊際的術(shù)前確定。在微創(chuàng)活檢或切除之 后，通過(guò)病理評(píng)估所獲得的診斷幾乎是100%準(zhǔn)確的；但是，決定哪些病變要活檢是具有挑 戰(zhàn)性的。只有3%至25%被外科手術(shù)切除的色素病變被診斷為黑色素瘤。因此，需要有既廣 泛又更準(zhǔn)確的非侵入性篩查機(jī)制。
[0004] 皮膚鏡是評(píng)估皮膚病變的常見(jiàn)皮膚病學(xué)技術(shù)，其中皮膚病變可以是或者可以不是 色素病變。皮膚鏡通常包括發(fā)光二極管(LED)照明器、低倍率顯微鏡、和對(duì)著皮膚使其變平 的透明窗口表面。使用偏振使得能夠部分地排斥深穿透光，這可以提高感興趣的特定診斷 的表面特征。也可以將數(shù)字成像相機(jī)附連到皮膚鏡。
[0005] 美國(guó)專利號(hào)7，006，223、7，027，153、7，167，243和7，167，244描述了手持皮膚鏡的 皮表透光顯微鏡(epi luminescence)設(shè)備。
[0006] 用于評(píng)估從受試者身體上的皮膚病變獲得的光學(xué)圖像數(shù)據(jù)的方法和裝置在受讓 給Mela Sciences公司的美國(guó)專利號(hào)6，208，749和7，894，651中進(jìn)行了示教。
[0007] 美國(guó)專利號(hào)7，603,031針對(duì)適于醫(yī)療或化妝性面部攝影的多閃光燈寬場(chǎng)攝影系 統(tǒng)。美國(guó)專利號(hào)8,218,862描述了用于利用相關(guān)的寬場(chǎng)攝影技巧進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助皮膚分析 的特征檢測(cè)。美國(guó)專利號(hào)8，498，460描述了寬場(chǎng)成像方法和裝置，用于估計(jì)諸如皮膚之類的 組織的圖像的漫反射成分，其然后可以被進(jìn)一步處理，以獲得指示血紅蛋白的分布和皮膚 中的黑色素的紅色和褐色色素沉著圖像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的之一是利用執(zhí)行具有較高靈敏度、特異性和總的診斷準(zhǔn)確性的、從 皮膚病變的反射光獲得的圖像數(shù)據(jù)的評(píng)估的算法，并且其可以用來(lái)實(shí)時(shí)地產(chǎn)生診斷有關(guān)的 定量度量，在一些情況下不用對(duì)病變進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。（應(yīng)當(dāng)理解，本申請(qǐng)有時(shí)互換地引用 病變的圖像和病變本身）。
[0009] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)組合皮膚鏡、數(shù)碼相機(jī)和自動(dòng)篩選，以 彌合侵襲性和非侵襲性病理分析之間的診斷準(zhǔn)確性差距。雖然人腦的復(fù)雜性可能永遠(yuǎn)不會(huì) 被計(jì)算機(jī)匹配，但是本發(fā)明提供了至少三個(gè)益處優(yōu)于傳統(tǒng)的皮膚科醫(yī)生篩選:標(biāo)準(zhǔn)化、量化 和增強(qiáng)的執(zhí)行蠻力計(jì)算的能力。如在以下描述和權(quán)利要求中所概述的，客觀的分析診斷技 術(shù)能夠潛在地顯著提高廣泛黑色素瘤篩選的診斷準(zhǔn)確性。
[0010] 尤其，利用從皮膚病變獲得的圖像數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)分析與現(xiàn)有技術(shù)相比產(chǎn)生提高的診 斷準(zhǔn)確性。由圖像數(shù)據(jù)的極性變換產(chǎn)生的新穎的數(shù)學(xué)描述符可以在一組已知病理的皮膚病 變上進(jìn)行訓(xùn)練，以產(chǎn)生分類器，其提供給定病變是惡性黑色素瘤的百分比可能性，它與對(duì)該 預(yù)測(cè)的不確定性百分比配對(duì)。本發(fā)明也提供增強(qiáng)的機(jī)會(huì)來(lái)可視化所獲得的數(shù)據(jù)。除了病變 的標(biāo)準(zhǔn)紅綠藍(lán)(RGB)圖像之外，本發(fā)明還向用戶（醫(yī)生或病人)提供具有可疑區(qū)域被突出顯 示的版本的圖像，并且用戶可以在這些顯示模式之間進(jìn)行切換。用戶可以循環(huán)通過(guò)一組在 不同波長(zhǎng)獲得的灰度圖像。顯示可以在x-y坐標(biāo)和在極坐標(biāo)(r，? )亮度地圖之間切換。此 外，旋轉(zhuǎn)分析可以利用集成有在連續(xù)較精細(xì)的分辨率成像的時(shí)鐘掃描臂來(lái)執(zhí)行，諸如共焦 顯微鏡和拉曼光譜儀。
[0011] 本發(fā)明還有的另一個(gè)目的是使用寬場(chǎng)成像系統(tǒng)來(lái)給一大部分的皮膚成像并且識(shí) 別用于進(jìn)一步分析的一個(gè)或多個(gè)皮膚病變，并且然后使用具有較窄視場(chǎng)的第二成像系統(tǒng)來(lái) 進(jìn)行這種分析。
[0012] 在一個(gè)方面中，本發(fā)明是用于在受試者皮膚上的病變中檢測(cè)皮膚疾病的裝置，包 括:機(jī)械夾具，其具有平坦表面，以對(duì)著受試者皮膚放置或按壓來(lái)限定包含所述病變的遠(yuǎn)端 成像平面;相機(jī)，其適于從病變獲得圖像數(shù)據(jù);處理器，其適于利用類時(shí)鐘掃描算法處理圖 像數(shù)據(jù)，以獲得定義色素性病變的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的度量和/或一個(gè)或多個(gè)分類器；以及輸出設(shè) 備，其指示從度量和/或一個(gè)或多個(gè)分類器中獲得的受試者存在或不存在皮膚疾病的可能 性。在這種背景下，"度量和/或一個(gè)或多個(gè)分類器"意味著可能性可以從度量、從一個(gè)或多 個(gè)分類器或者從度量和一個(gè)或多個(gè)分類器的組合中獲得。
[0013] 例如，類時(shí)鐘掃描算法評(píng)估當(dāng)在病變圖像的中心和病變圖像的邊界之間的線段繞 病變的中心旋轉(zhuǎn)時(shí)在該線段上的像素的亮度，其中線段的一個(gè)端固定在病變圖像的中心。 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性指在不同角位置處在線段上獲得的不同信息。此類信息可能與圖像直接相關(guān)， 諸如圖像亮度，或者可能是與圖像間接相關(guān)的信息，諸如用于由線段遇到的色素網(wǎng)絡(luò)分支 的平均色素網(wǎng)絡(luò)分支長(zhǎng)度。在間接信息的情況下，完成圖像的預(yù)處理來(lái)為圖像的每個(gè)部分 定義此類信息。繼續(xù)該例子，整個(gè)具有均勻亮度的圓展現(xiàn)了完美的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。但是，如果 從病變的邊界到病變的中心的距離在不同的角位置是不同的，或者如果像素的亮度在線段 上不同的位置處或者在線段的不同角位置處不同，則病變不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，而是不對(duì)稱的。 這種不對(duì)稱性可以被量化并且用來(lái)產(chǎn)生與診斷有關(guān)的度量和/或一個(gè)或多個(gè)分類器。
[0014] 在本發(fā)明的另一個(gè)方面，相機(jī)適于獲得多光譜圖像。例如，皮膚病變利用發(fā)射不同 光譜范圍的光的LED陣列進(jìn)行照明（重要的是，包括在不可見(jiàn)UV范圍內(nèi)，諸如300nm至400nm 的范圍內(nèi)發(fā)射光的一個(gè)或多個(gè)LED)。相機(jī)獲取M個(gè)圖像，在圖像中將每個(gè)像素存儲(chǔ)為形成光 譜測(cè)量的一組M個(gè)數(shù)字，其然后被擬合作為N個(gè)發(fā)色團(tuán)的加權(quán)和。
[0015] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明是用于獲得在受試者皮膚上的病變中存在或不存在皮膚疾 病的可能性的指示的方法，包括以下步驟:照明包括病變的受試者皮膚(優(yōu)地被壓平）；利用 相機(jī)從被照明的受試者皮膚的光反射中獲得的圖像數(shù)據(jù)；以及利用適于實(shí)現(xiàn)類時(shí)鐘掃描算 法的計(jì)算機(jī)處理器處理該圖像數(shù)據(jù)，以獲得定義受試者皮膚上的病變的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的診斷 有關(guān)的度量和/或一個(gè)或多個(gè)分類器。在該方法中，至少一個(gè)處理器將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為定義 選自包括以下的組的一個(gè)或多個(gè)屬性的旋轉(zhuǎn)分布的診斷有關(guān)的度量和/或一個(gè)或多個(gè)分類 器：[a]空間紋理特征；[b]亮度特征；[c]邊緣/邊界的特征；[d]顏色變化；[e]在包括在網(wǎng)絡(luò) 中的色素網(wǎng)絡(luò)段的長(zhǎng)度、形狀、亮度和組織的色素網(wǎng)絡(luò)的特征中的變化；以及[f ]如由氧合 血紅蛋白和去氧血紅蛋白的量和比率定義的組織的氧飽和度。這組屬性也可以包括[g]色 素種類的異質(zhì)性，諸如真黑素、褐黑素以及其它色素的種類。
[0016] 在還有的另一個(gè)方面，本發(fā)明體現(xiàn)為用于利用商業(yè)上廣泛使用的成像設(shè)備，諸如 具有集成處理器和相機(jī)的蜂窩電話，來(lái)檢測(cè)在受試者皮膚上的皮膚病變中的皮膚疾病的系 統(tǒng)。在這種實(shí)施例中，圖像數(shù)據(jù)可以利用選自外部照明系統(tǒng)或內(nèi)置閃光燈的照明系統(tǒng)來(lái)獲 得。如本文所使用的，"蜂窩電話"包括，例如，具有圖像捕獲能力的智能電話并且也可以具 有內(nèi)置閃光燈(其在圖像采集期間可以或可以不被禁用）、圖像處理能力、下載數(shù)據(jù)處理應(yīng) 用的能力和/或發(fā)送圖像用于遠(yuǎn)程處理。蜂窩電話處理器適于（例如，通過(guò)利用下載到蜂窩 電話的應(yīng)用)來(lái)處理利用放置在病變的邊界和病變的中心之間并且利用類時(shí)鐘掃描繞病變 旋轉(zhuǎn)的掃描臂獲得的圖像數(shù)據(jù)，以獲得定義病變的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的度量和/或一個(gè)或多個(gè)分 類器并且產(chǎn)生描繪受試者皮膚中感興趣的區(qū)域的顯示和/或受試者存在或不存在皮膚疾病 的可能性的指示。
[0017] 以診斷指示或受試者皮膚上感興趣區(qū)域的表示形式的、利用蜂窩電話應(yīng)用獲得的 處理的數(shù)據(jù)可以被發(fā)送到遠(yuǎn)程處理器。例如，患者可以拍攝他或她的病變并且將圖像發(fā)送 到醫(yī)生的辦公室、數(shù)據(jù)庫(kù)或其它設(shè)施用于進(jìn)一步處理。如本文所使用的，"描繪受試者皮膚 中感興趣區(qū)域的顯示和/或受試者存在或不存在皮膚疾病的可能性的指示"可能意味著顯 示i)只提供具有區(qū)域被突出顯示的病變的處理的圖像，或ii)只有皮膚疾病或多或少可能 存在的指示(例如以數(shù)字或文本的形式），或iii)顯示可以同時(shí)提供處理的圖像和皮膚疾病 或多或少可能存在的指示(其顯示格式可來(lái)回切換）。其它形式的顯示也在本發(fā)明的范圍之 內(nèi)。
[0018] 在仍然還有的另一個(gè)方面中，本發(fā)明是對(duì)受試者皮膚上的一個(gè)或多個(gè)皮膚病變?cè)\ 斷成像的方法，包括以下步驟:利用第一照明系統(tǒng)照明受試者皮膚上的第一區(qū)域;利用具有 寬視場(chǎng)的相機(jī)從被照明皮膚獲得寬場(chǎng)圖像數(shù)據(jù);處理寬場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)，以識(shí)別包括至少一個(gè) 皮膚病變的第一區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域;利用第二照明系統(tǒng)照明目標(biāo)區(qū)域，并且利用具有窄視 場(chǎng)的相機(jī)從被照明的目標(biāo)區(qū)域獲得窄場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)；以及處理窄場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)，以獲得關(guān)于至 少一個(gè)皮膚病變的診斷信息。
[0019] 本發(fā)明的這些和其它方面在以下示出和描述。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的臨床裝置的分解圖。
[0021]圖1B繪出了圖1A的組裝裝置。
[0022]圖2繪出了根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施例的具有集成處理器和相機(jī)以及用于將相機(jī) 對(duì)著受試者皮膚安裝的附連夾具的蜂窩電話。
[0023]圖3A和圖3B繪出了用于痣的圖像數(shù)據(jù)的極性轉(zhuǎn)換。
[0024]圖3C和3D繪出了用于惡性黑色素瘤的圖像數(shù)據(jù)的極性變換。
[0025]圖4是根據(jù)在本發(fā)明的一種實(shí)施例中的顯示模塊的在從掩模圖像構(gòu)造的病變中的 色素的深度分布的地形圖。
[0026]圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施例中的顯示模塊的實(shí)體假色顯示的示意圖。
[0027]圖6繪出了相對(duì)于平分軸獲得的非對(duì)稱性測(cè)量，其中平分軸相對(duì)于圖像旋轉(zhuǎn)，其中 圓點(diǎn)以如下角度被繪制在病變的中心，即，其中如由不匹配區(qū)域的最小值所指示的，對(duì)稱性 是最大的（A = 0.1955)，并且對(duì)稱性在從這個(gè)角度與第二圓點(diǎn)的90度處進(jìn)行評(píng)估（A = 0.2880)。
[0028]圖7繪出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)顯示模塊，其中病變邊界在左側(cè)為顏色通道中的 每種顏色通道指示，并且在右側(cè)，繪制了用于顏色通道的角亮度函數(shù)。
[0029] 圖8是在本發(fā)明的方法中使用的度量的鑒別力的可視化表示。
[0030] 圖9是利用根據(jù)本發(fā)明的方法的分類器建立的受試者工作特征曲線（"R0C曲線"） 的例子。
[0031] 圖10是繪出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的控制圖像采集和數(shù)據(jù)分析過(guò)程的服務(wù)器應(yīng) 用的操作的流程圖。
[0032] 圖11繪出了在來(lái)自皮膚病變的圖像數(shù)據(jù)上執(zhí)行的以獲得與皮膚病變中的色素網(wǎng) 絡(luò)規(guī)則性有關(guān)的度量的轉(zhuǎn)變過(guò)程。
[0033] 圖12繪出了機(jī)械夾具，其適于附連到蜂窩電話并且限定用于相對(duì)于相機(jī)放置受試 者皮膚上的病變的遠(yuǎn)端成像平面并且附連反射鏡，以在受試者皮膚上的皮膚病變處以斜角 引導(dǎo)光。
[0034]圖13是繪出用于用于根據(jù)本發(fā)明的裝置的輻射校準(zhǔn)的光功率函數(shù)的采集的流程 圖。
[0035] 圖14是繪出與校準(zhǔn)根據(jù)本發(fā)明的裝置有關(guān)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程的流程圖。
[0036] 圖15繪出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的用于輻射校準(zhǔn)的過(guò)程。
[0037]圖16是本發(fā)明的圖像采集、圖像處理和診斷顯示組件的概述。
[0038]圖17是繪出根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施例的服務(wù)器應(yīng)用的操作的流程圖。
【具體實(shí)施方式】 [0039]系統(tǒng)和裝置
[0040] 本發(fā)明的一種實(shí)施例針對(duì)一種系統(tǒng)，其包括相機(jī)、用于照明受試者皮膚和固定地 對(duì)著受試者皮膚放置相機(jī)的機(jī)械夾具、適于執(zhí)行時(shí)鐘掃描算法的至少一個(gè)處理器、以及至 少一個(gè)輸出設(shè)備。
[0041] 相機(jī)優(yōu)選地是數(shù)碼相機(jī)并且可以包括電荷耦合器件(CCD)傳感器或互補(bǔ)金屬氧化 物半導(dǎo)體(CMOS)，如本領(lǐng)域已知的。相機(jī)可以是具有集成照明系統(tǒng)或閃光燈以及檢測(cè)紅綠 和藍(lán)(RGB)光的傳感器陣列的市售便攜式相機(jī)。備選地，可以提供外部照明系統(tǒng)并且相機(jī)傳 感器陣列可以適于接收"高光譜"光，這意味著光被劃分為比常規(guī)RGB帶更多的光譜波長(zhǎng)帶， 其可以是在可見(jiàn)光和非可見(jiàn)光兩者的范圍內(nèi)。高光譜成像在下面更詳細(xì)地描述。
[0042] 在圖1A繪出的臨床實(shí)施例中，相機(jī)是安裝在可對(duì)著受試者皮膚放置或按壓的夾具 上的電路板水平電荷耦合器件(CCD)探測(cè)器成像陣列。在這種實(shí)施例中，機(jī)械夾具100包括 玻璃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、紫外線熔融石英等的平坦透明板12,其可以對(duì) 著受試者皮膚來(lái)放置和按壓，使得當(dāng)獲得圖像時(shí)，病變保持在一個(gè)平面中（遠(yuǎn)端成像平面）。 板12可以安裝在間隔件上，諸如鼻錐體14,它保護(hù)相機(jī)透鏡光圈并且提供照明和成像裝置 與病變之間的最佳距離。
[0043] 諸如LED安裝環(huán)15的照明裝置包括繞相機(jī)的光軸放置的LED，其可以位于框住皮膚 病變的遠(yuǎn)端成像平面的近側(cè)，但是仍然朝著成像裝置。照明裝置包括發(fā)射不同光譜廓線的 光以利用在期望波長(zhǎng)的光照亮皮膚病變的一組設(shè)備。在圖1A中，LED安裝裝置包括一組環(huán)形 的發(fā)光二極管(LED) 16，其中每個(gè)都能夠在300nm至950nm的范圍內(nèi)以特定波長(zhǎng)發(fā)射光，優(yōu)選 地包括在300至400nm的范圍內(nèi)的至少一個(gè)LED，而相機(jī)在指定的波長(zhǎng)順序地獲取圖像。該裝 置可以利用廉價(jià)的并且廣泛可以得到的具有各種光譜特性的市售LED。但是，如果期望更精 確和窄譜，則也可以使用放置在前面以銳化LED發(fā)射光譜的激光照明元件或?yàn)V波器。
[0044] LED波長(zhǎng)基于用來(lái)從圖像數(shù)據(jù)中提取相關(guān)信息以識(shí)別病變中診斷有關(guān)的圖案的方 法來(lái)選擇。例如，本領(lǐng)域已知藍(lán)色光被黑色素吸收(在皮膚中的N個(gè)生色團(tuán)之一）。但是，在陣 列中的至少一個(gè)LED，并且優(yōu)選地多個(gè)LED在400-500nm的紫靛藍(lán)波長(zhǎng)范圍發(fā)射光。血液吸收 綠色，使得陣列中的至少一個(gè)LED并且優(yōu)選地多個(gè)LED在500-600的波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射光。在相 對(duì)深的病變中，在病變的最深部分處的色素具有轉(zhuǎn)移到紅色的吸收能力，使得一個(gè)或多個(gè) LED在600nm至750nm的范圍內(nèi)發(fā)射光，并且甚至進(jìn)入到紅外（IR) (780nm及以上）范圍，這會(huì) 有助于例如確定要被切除的病變的最深部分。在非可見(jiàn)紫外(UV)范圍中照明以獲得關(guān)于皮 膚病變信息是本發(fā)明的另一個(gè)新穎方面。因此，陣列中的至少一個(gè)，并且優(yōu)選地多個(gè)LED適 于在300nm至400nm的波長(zhǎng)照明皮膚。至少一個(gè)，并且優(yōu)選地多個(gè)LED適于根據(jù)如與褐黑素的 吸收曲線不同的真黑素的吸收曲線照亮皮膚。以這種方式，在掃描臂的每個(gè)角位置處，隨著 相機(jī)以不同波長(zhǎng)獲取M個(gè)圖像，圖像中的每個(gè)像素被存儲(chǔ)為構(gòu)成光譜測(cè)量的一組M個(gè)數(shù)字， 其可以被擬合作為在皮膚病變中的N個(gè)生色團(tuán)的加權(quán)和。
[0045] 在實(shí)施例中，尤其在使用現(xiàn)成LED時(shí)，照明系統(tǒng)可以包括具有重疊的照明光譜的一 組LED。在這種情況下，只要處理器適于去除光譜的重疊區(qū)域，就可以數(shù)字地做出校正，從而 提高光譜的分辨率。例如，一組LED可以具有重疊的光譜LI 5L2，L3…Ln并且在一個(gè)照明中 獲得的圖像數(shù)據(jù)I_Li可以被用來(lái)通過(guò)從I_(Li_i)中減去C*(I_L)在I_(Li_i)處校正照明， 其中C是與兩個(gè)光譜之間的重疊的量相關(guān)的常數(shù)。
[0046] 可替代地，在其中N個(gè)生色團(tuán)通過(guò)擬合在M個(gè)波長(zhǎng)處的M個(gè)反射率值來(lái)指定的擬合 過(guò)程期間，發(fā)色團(tuán)的已知吸收光譜可以在M個(gè)LED發(fā)射光譜中的每一個(gè)發(fā)射光譜上被集成， 使得在每個(gè)波長(zhǎng)來(lái)自每個(gè)發(fā)色團(tuán)的吸收率被唯一指定。
[0047]對(duì)重疊光譜的校正可以預(yù)先基于來(lái)自LED制造商的說(shuō)明書(shū)進(jìn)行編程。可替代地，根 據(jù)本發(fā)明的裝置可以具有內(nèi)部分光計(jì)來(lái)測(cè)量LED或在皮膚成像期間或在校準(zhǔn)過(guò)程期間其它 照明設(shè)備的發(fā)射光譜，并且那個(gè)測(cè)量可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重疊光譜的校正。位于照明設(shè)備遠(yuǎn) 側(cè)的光纖元件引導(dǎo)每個(gè)照明設(shè)備的實(shí)際發(fā)射光譜到內(nèi)置分光計(jì)，該分光計(jì)向處理器提供光 譜，以執(zhí)行上述用于解決重疊光譜的步驟。
[0048]因此，用于照明系統(tǒng)的LED的適當(dāng)陣列可以通過(guò)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從市售LED中 進(jìn)行選擇，注意匹配用于不同LED的輸入要求和輸出電平，以及在制造商的說(shuō)明書(shū)中提供的 輸出波長(zhǎng)和測(cè)得的波長(zhǎng)之間的差異。在陣列中，優(yōu)選地包括3至50個(gè)，并且更優(yōu)選地包括10 至30個(gè)LED。
[0049] 具有通過(guò)眼睛或通過(guò)常規(guī)數(shù)碼相機(jī)成像的常規(guī)皮膚鏡利用白色光照明并且在其 中三種視錐細(xì)胞在人視網(wǎng)膜中是敏感的紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)波長(zhǎng)范圍處獲得三個(gè)強(qiáng)度 圖像。在常規(guī)數(shù)碼相機(jī)中的RGB成像技術(shù)是為了模仿在視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)的三個(gè)錐體而開(kāi)發(fā)的。 此外，RGB相機(jī)的傳感器通過(guò)輕微放大鏡(〈10X)光學(xué)地耦合到目標(biāo)皮膚，并且產(chǎn)生具有8位 位深度的圖像。這意味著，只能檢測(cè)到2〈8>(256)種不同的亮度級(jí)別。
[0050] 但是，根據(jù)本發(fā)明的高光譜圖像皮膚鏡是通過(guò)利用發(fā)光二極管(LED)在多個(gè)不同 波長(zhǎng)順序地短時(shí)(在100ms的數(shù)量級(jí)）照明皮膚獲得的。結(jié)果產(chǎn)生的這組圖像產(chǎn)生比RGB波長(zhǎng) 關(guān)于皮膚中的不同功能的更多信息，因?yàn)楦吖庾V光與在皮膚中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)以獨(dú)特 的方式交互。
[0051]此外，利用高光譜圖像可以獲得更多信息，因?yàn)閳D像用增加的"位深度"被存儲(chǔ)。高 光譜皮膚鏡在優(yōu)選地4-50波長(zhǎng)獲取圖像(在本文所描述的實(shí)施例使用在不同波長(zhǎng)的21個(gè) LED)并且每個(gè)圖像具有至少12位的位深度。這意味著，至少2〈12>(4096)個(gè)不同亮度級(jí)別可 以被獲得-比常規(guī)相機(jī)高16倍。該增加的位深度導(dǎo)致更高的能力來(lái)解決諸如色素病變的黑 暗區(qū)域內(nèi)的亮度差異。
[0052] 通過(guò)在例如21個(gè)波長(zhǎng)而不是3個(gè)波長(zhǎng)獲取圖像可用的增強(qiáng)頻譜內(nèi)容具有兩個(gè)優(yōu) 點(diǎn)：設(shè)備可以"看見(jiàn)"在可見(jiàn)光譜之外的顏色，諸如UVA和近紅外(nIR)范圍，并且還區(qū)分對(duì)眼 睛或常規(guī)RGB成像傳感器太相似而不能被解析的顏色。因此，高光譜皮膚鏡既具有更寬光譜 范圍的成像又具有更好的光譜分辨率，這會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)的黑色素瘤檢測(cè)。
[0053] -種覆蓋高光譜范圍的示例性陣列是從具有下列如由（一個(gè)或多個(gè))制造商指定 的（"Aspec"）的波長(zhǎng)的市售LED構(gòu)建的。此外，測(cè)得的LED的波長(zhǎng)（"Ameas"）是利用內(nèi)置光譜 儀獲得的，其具有將測(cè)得的信息饋送到處理器的能力。雖然在表1中提供了峰值測(cè)得的LED 發(fā)射波長(zhǎng)，但是光譜儀能夠測(cè)量也被反饋到處理器的整個(gè)光譜發(fā)射曲線，以優(yōu)化操作和數(shù) 據(jù)收集。
[0054] 表 1
[0056] 用于超光譜成像的相機(jī)可以是灰度相機(jī)或RGB相機(jī)，其中三個(gè)顏色通道被加在一 起以形成一個(gè)灰度圖像。輻射校準(zhǔn)使得能夠在成像平面中的任何特定位置處規(guī)范分值反射 率。這種校準(zhǔn)通過(guò)獲得具有校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)（例如，Labsphere Spectralon漫反射標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)目標(biāo)） 的圖像并且利用所述圖像與皮膚圖像和有關(guān)的曝光信息組合來(lái)執(zhí)行。
[0057] 如在圖13中所示出的，裝置的輻射校準(zhǔn)可以通過(guò)在打開(kāi)LED之后測(cè)量和存儲(chǔ)每個(gè) LED的光照明功率作為時(shí)間的函數(shù)來(lái)獲得。系統(tǒng)性能包括照明的光功率，其在打開(kāi)LED之后 略微減小。通過(guò)單獨(dú)曝光時(shí)間正?；蛔阋孕?zhǔn)，因?yàn)闀?huì)發(fā)生利用特定LED波長(zhǎng)對(duì)特定圖像 的完全相同的曝光時(shí)間，這或者在LED被打開(kāi)后立即發(fā)生或者在稍后的時(shí)間當(dāng)LED已被打開(kāi) 一段時(shí)間并且功率已降低時(shí)發(fā)生。
[0058]為了校準(zhǔn)裝置，如在圖14中所示出的，發(fā)生連續(xù)的皮膚成像，直到圖像既不飽和也 沒(méi)有曝光不足。如果曝光不足，則積分時(shí)間增加并且拍攝另一個(gè)圖像。如果飽和，則積分時(shí) 間降低并且拍攝另一個(gè)圖像。重復(fù)這一過(guò)程，直到既沒(méi)有曝光不足也沒(méi)有過(guò)度曝光的最終 圖像被拍攝，從而利用成像系統(tǒng)的全動(dòng)態(tài)范圍。此時(shí)，當(dāng)最終圖像被保存時(shí)，用于最終圖像 的開(kāi)始時(shí)間(A或C)和停止時(shí)間(B或D)相對(duì)于當(dāng)照明的LED被打開(kāi)時(shí)的時(shí)間被記錄。
[0059] 如在圖15中所繪出的，這一過(guò)程產(chǎn)生光功率校準(zhǔn)量度，這是光照明功率函數(shù)在從A 到C(在標(biāo)準(zhǔn)圖像的情況下，導(dǎo)致校準(zhǔn)度量Cl)或者從B至D(在皮膚圖像的情況下，導(dǎo)致校準(zhǔn) 度量C2)的實(shí)際圖像曝光時(shí)間上的積分。
[0060] 在圖1A和圖1B的實(shí)施例中，殼體101包括安裝在相機(jī)13和遠(yuǎn)端成像平面12之間的 機(jī)械夾具122中的一個(gè)或多個(gè)透鏡121，以將相機(jī)聚焦在遠(yuǎn)端成像平面上，并且可以包括一 個(gè)或多個(gè)濾波器，諸如偏振濾波器或彩色濾波器，以調(diào)節(jié)由LED發(fā)射的光或由病變反射的并 被相機(jī)捕獲的光。透鏡被設(shè)計(jì)為最小化在照明光的波長(zhǎng)的光學(xué)像差并且最大化在照明光的 波長(zhǎng)的光傳輸吞吐量。透鏡還被設(shè)計(jì)為調(diào)整光學(xué)成像的放大倍數(shù)，使得視場(chǎng)涵蓋大約兩倍 的病變尺寸。以這種方式，圍繞疑似皮膚病的足夠的正常皮膚被成像，但是放大倍數(shù)被盡可 能地增加，以獲得在疑似皮膚病內(nèi)的細(xì)節(jié)。
[0061]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，提供了器件，以調(diào)整透鏡系統(tǒng)在照明光的不同波長(zhǎng)的焦 距，從而調(diào)整透鏡在不同波長(zhǎng)的不同焦距。透鏡通常在光的不同波長(zhǎng)具有不同的折射率?？?以在傳感器陣列和皮膚病變之間的夾具中提供電機(jī)，以根據(jù)照明光的波長(zhǎng)來(lái)移動(dòng)透鏡系 統(tǒng)。在特定波長(zhǎng)的照明下，圖像可以被處理，以獲得測(cè)量焦度的度量。這個(gè)度量可以被最大 化，以便或者當(dāng)相機(jī)對(duì)焦時(shí)實(shí)時(shí)地或者在后處理中優(yōu)化在特定度量處的聚焦，以計(jì)算透鏡 的最佳位置，從而獲得在特定波長(zhǎng)的聚焦。這個(gè)過(guò)程可以為每個(gè)波長(zhǎng)和焦點(diǎn)位置重復(fù)，從而 所確定的可以被存儲(chǔ)，以在皮膚成像期間指示透鏡移動(dòng)。在實(shí)施例中，電機(jī)可以接收編程的 指令，以根據(jù)由LED的制造商指定的LED波長(zhǎng)調(diào)整透鏡的位置?？商娲?，電機(jī)可以被編程， 以根據(jù)在病變部位利用分光計(jì)測(cè)得的光的波長(zhǎng)放置透鏡系統(tǒng)。分光計(jì)可以是放置在皮膚病 變的部位附近的光纖元件。
[0062] 處理功能可以在第一和第二處理器之間進(jìn)行共享。第一處理器通常是內(nèi)置處理 器，諸如適于驅(qū)動(dòng)相機(jī)和照明系統(tǒng)以獲取圖像數(shù)據(jù)并向用戶提供實(shí)時(shí)信息顯示的電路板 11。第一處理器可以發(fā)送圖像數(shù)據(jù)到第二處理器，第二處理器適于執(zhí)行不能容易地作為實(shí) 時(shí)顯示提供的數(shù)據(jù)密集處理功能。第二處理器可以將消息遞送回到第一處理器用于顯示。 第二處理器，如果存在的話，通常是遠(yuǎn)程處理器。第二處理器可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件、圖像文件 等，以備后用。
[0063]在圖1A和圖1B的實(shí)施例中，其中元素被示意性示出，第一處理器是適于驅(qū)動(dòng)相機(jī) 的電路板11，聚集電機(jī)和LED的照明，而相機(jī)以選定的波長(zhǎng)順序地獲得M個(gè)圖像。第一處理器 可以處理如此獲得的圖像數(shù)據(jù)，以在液晶顯示器（"LCD"）查看屏幕19上產(chǎn)生顯示。外部殼體 191封裝LED屏和電路板。電纜17用來(lái)將第二處理器和其它組件附連到裝置。可替代地，可以 使用根據(jù)本發(fā)明的裝置的內(nèi)置電池和天線使裝置無(wú)線通信。
[0064] 如在圖1A中所示出的，夾具100具有通過(guò)間隔器103附連到鼻錐的透鏡支架102,其 大小被調(diào)整到提供能夠用一只手操縱并且對(duì)著受試者皮膚病變放置的自包含組件。
[0065] 所提供的充分的圖像數(shù)據(jù)是在不同波長(zhǎng)獲得的，在皮膚病變上感興趣的診斷有關(guān) 區(qū)域可以利用各種顯示模塊被識(shí)別和區(qū)分。因此，與病變邊界內(nèi)的血管有關(guān)的顏色或高光 譜特征;與病變中的藍(lán)色和藍(lán)白色結(jié)構(gòu)相關(guān)的顏色；與可能是規(guī)則的或不規(guī)則的色素網(wǎng)絡(luò) 相關(guān)的顏色；與陰性色素網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的顏色;氧飽和度的圖案；以及真黑素和褐黑素(其具有 不同的吸收曲線）的圖案都可以利用下面描述的顯示模塊被突出顯示并且單獨(dú)顯示。
[0066](一個(gè)或多個(gè))處理器適于通過(guò)定義選自包括以下的組中的一個(gè)或多個(gè)屬性將圖 像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指示皮膚疾病在病變中存在的可能性的診斷有關(guān)的度量和/或一個(gè)或多個(gè)分 類器：[a]空間紋理特征；[b]亮度特征；[c]邊緣/邊界的特征；[d]受試者皮膚上病變的顏色 變化；[e]在包括色素網(wǎng)絡(luò)片段的長(zhǎng)度、形狀、亮度和組織的色素網(wǎng)絡(luò)的特征中的變化；以及 [f]由氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的量和比率定義的組織的氧飽和度。這些特征可以被 顯示在一個(gè)或多個(gè)顯示模塊中，以呈現(xiàn)繪出病變或病變的片段的病變圖像的版本，其中感 興趣的這些特征中的一個(gè)或多個(gè)特征被突出顯示在用于用戶的顯示器上。在圖4繪出的一 個(gè)顯示模塊中，N個(gè)光譜圖像被處理，以從在多個(gè)指定波長(zhǎng)中的每個(gè)波長(zhǎng)獲得的掩模圖像中 形成病變色素的地形圖。掩模圖像被定義為在圖像邊界內(nèi)部具有像素亮度1并且在圖像邊 界外部具有像素亮度〇的圖像。在多個(gè)波長(zhǎng)中的每個(gè)波長(zhǎng)獲得的圖像數(shù)據(jù)將產(chǎn)生不同掩模 圖像，其中紅/紅外圖像的掩模通常比較深色素的中心區(qū)域更小。在不同波長(zhǎng)添加掩模圖像 允許顯示皮膚內(nèi)的病變深度的地形圖的構(gòu)建。圖4是原始顏色圖像的黑白呈現(xiàn)。近似三維顯 示的這種顯示模塊對(duì)為皮膚病變識(shí)別適當(dāng)?shù)那谐吔缁蚧顧z的理想位置以最可能地捕獲 病變的惡性部分可能是有用的。
[0067]在圖5中示意性繪出的另一個(gè)顯示模塊中，通過(guò)相機(jī)獲得的N個(gè)序列圖像被處理， 以呈現(xiàn)病變的顯示，其中在病變中感興趣的區(qū)域用實(shí)體"假色"顯示。在顯示中的實(shí)體假色， 例如，淺棕色、深褐色、紅色、黑色、藍(lán)色/灰色和白色可以被計(jì)數(shù)并且可以顯示顏色的數(shù)量。 實(shí)體假色可以對(duì)應(yīng)于檢測(cè)到的病變中感興趣的區(qū)域，諸如包括以下的區(qū)域:病變邊界內(nèi)的 血管；其色素網(wǎng)絡(luò)被標(biāo)記為規(guī)則或不規(guī)則的藍(lán)色或藍(lán)-白色皮膚結(jié)構(gòu)；陰性色素網(wǎng)絡(luò)(病變 邊界內(nèi)輕微色素皮膚的連接圖案）；和如由利用照明的M個(gè)波長(zhǎng)光譜擬合定義的氧飽和度的 異常圖案。顯示器可以在從M個(gè)光譜圖像創(chuàng)建的等同于用眼睛看到的彩色圖像和在用戶的 選擇處具有指示的感興趣的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的相同圖像之間切換。突出顯示的特征R1、R2、 R3…Rn在圖5中示意性地繪為矩形。在實(shí)際的實(shí)施例中，這些突出顯示的特征的形狀對(duì)應(yīng)于 皮膚病變中的底層特征的形狀。在這個(gè)顯示模塊中的"假顏色"沒(méi)有繪出感興趣區(qū)域的實(shí)際 顏色，而是由用戶選擇來(lái)突出顯示感興趣的區(qū)域。
[0068]圖3A至3D的的顯示模塊繪出了根據(jù)本發(fā)明的從皮膚病變中獲得的可視數(shù)據(jù)的極 性變換的分析優(yōu)勢(shì)。圖3A繪出了在給定波長(zhǎng)的非惡性皮膚病變的常規(guī)圖像數(shù)據(jù)。圖3B繪出 了來(lái)自圖3A的圖像數(shù)據(jù)的極性變換，其中x-軸表示掃描臂的角位置，并且y-軸表示在每個(gè) 角位置處沿掃描臂的亮度值。圖3D繪出了來(lái)自圖3C的圖像數(shù)據(jù)的相同變換，其中底層圖像 數(shù)據(jù)是來(lái)自惡性黑