高光谱成像技术对人体面部和手掌的成像及光谱分析

彩谱

2024/08/28 09:26

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高光谱成像技术是近十几年来兴起的一种新型影像数据技术。起初主要应用于军事和遥感探测等领域，如今在众多民用领域不断拓展，涵盖材料科学、地球物理、环境减灾、植被物种、农作物与食品以及生物医药等方面。在医学领域，该技术涉及疾病诊断、生物医药研究和基础研究等，在中医研究中也有初步探索，如中医辨证和舌诊方面。然而，由于高光谱成像技术在医学领域的应用尚处于起步阶段，人体正常值的研究仍为空白。本文旨在通过应用该技术对人体重要部位进行显示和分析，为高光谱成像人体研究、疾病诊断以及中医面手诊提供正常生理数据，对人体面部和手掌进行了高光谱成像的图像显示及面手部位光谱分析，结果如下。

1、资料与方法

受试对象及实验分组：本次研究的受试者共有 10 例，其中女性 5 例，男性 5 例，年龄在 25 至 55 岁之间，平均年龄为 33.1 岁。采集他们面部和手掌的高光谱图像。

本研究应用了400-1000nm的高光谱相机，可采用杭州彩谱科技有限公司产品FS13进行相关研究。光谱范围在400-1000nm，波长分辨率优于2.5nm，可达1200个光谱通道。采集速度全谱段可达128FPS，波段选择后最高3300Hz（支持多区域波段选择）。

二、光谱分析

1. 高光谱图像直观分析
（1）面部
①面部高光谱图像特点：面部高光谱图像能够呈现全面部轮廓，口、鼻、眼、眉等器官清晰可辨，但耳和头发较难分辨。面部双侧基本对称，双侧器官形状和大小大致相同。面部高反光区域主要在颧、颊、额头和鼻梁等部位，低反光部位则为眼、眉和嘴唇等。与可见光图像不同，高光谱图像无法看出人的相貌。
②不同光谱段面部图像的特点：在 450 - 900nm 各光谱段记录的图像中，面部轮廓均可见，其中 580 - 830nm 段图像更为清晰。530nm 以下图像反光强度减弱，各部位趋于均匀，图像变虚且杂波增加，500nm 以下背景噪声逐渐增强；830nm 以上图像在原高反光较强部位有所减弱，各部位也渐趋均匀，且与 530nm 以下不同的是图像上杂波未增加。

（2）手掌
①手掌整体光强度分布特点：手掌高光谱图像涵盖全部手掌轮廓，可分辨各个部位和手指，指、大小鱼际、掌指纹均清晰可见。手掌双侧基本对称，但不同部位和个体之间存在差异。手掌高反光部位在四指的指丘和大小鱼际部位，五指末端反光较弱。通过高光谱图像可以看出手掌的形态。

②不同光谱段面部图像的特点：与面部高光谱图像相似，在 450 - 900nm 各光谱段记录的图像中，手掌轮廓全部可见，580 - 830nm 段图像更为清晰。530nm 以下图像反光强度减弱，各部位趋于均匀，图像变虚且杂波增加，500nm 以下背景噪声渐强；830nm 以上图像在原高反光较强部位有所减弱，各部位也渐趋均匀，且杂波未增加。

2.面部和手掌部位不同检测波长段的反光强度分析
（1）面部：对面部各部位光强度均值进行统计发现，无论哪个面部部位，在 450nm 和 730 - 880nm 区域光强度值较高，530 和 580nm 光强度值较低。从部位分析，下额光强度值稍高，其余部位较为接近。正常人面部双侧对称性良好，多数部位和器官双侧光强度差值不大；左右颧部在 450 - 630nm、左右嘴角在 450nm 差值稍大。
（2）手掌：在不同波长下对手掌各部位光强度均值进行统计，结果与面部高光谱图像相近，在 450nm 和 730 - 880nm 区域光强度值较高，530 和 580nm 光强度值较低。对手掌各部位光强度均值进行右手减左手的统计，可见光强度值在手掌各部位均较接近，指根部位在不同光波波段时双侧差值稍大。

3.面部和手掌部位不同检测波长段分析部位的光谱分布特性
（1）面部光谱分布特点：通过 PhySpec1.9.2 高光谱控制与分析软件观察到，面部部位的光谱曲线类似，500 - 580nm 段光强度较低，不同部位的反光强度存在差异。在各部位光谱曲线上可看到某一或某些波长处光强度出现突变的细节。对样本均值所做的平均光谱曲线反映了群体特征，而不同个体的光谱曲线与群体和典型个体曲线在某些光谱段上有较大差异。
（2）手掌光谱分布特点：应用 Physpec1.9.2 高光谱控制与分析软件观察到手掌左右侧的光谱曲线类同。与面部一样，500 - 580nm 段光强度较低，不同部位的反光强度也有所差异，各光谱曲线上可看到某些波长处光强度出现突变的细节。对样本均值所做的平均光谱曲线反映了群体特征，不同个体的光谱曲线与群体和典型个体曲线在某些光谱段上差异较大。