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高光譜成像技術對人體面部和手掌的成像及光譜分析

訪問量：1308 發布時間：2024-08-28

高光譜成像技術是近十幾年來興起的一種新型影像數據技術。起初主要應用于軍事和遙感探測等領域，如今在眾多民用領域不斷拓展，涵蓋材料科學、地球物理、環境減災、植被物種、農作物與食品以及生物醫藥等方面。在醫學領域，該技術涉及疾病診斷、生物醫藥研究和基礎研究等，在中醫研究中也有初步探索，如中醫辨證和舌診方面。然而，由于高光譜成像技術在醫學領域的應用尚處于起步階段，人體正常值的研究仍為空白。本文旨在通過應用該技術對人體重要部位進行顯示和分析，為高光譜成像人體研究、疾病診斷以及中醫面手診提供正常生理數據，對人體面部和手掌進行了高光譜成像的圖像顯示及面手部位光譜分析，結果如下。

一、資料與方法

受試對象及實驗分組：本次研究的受試者共有 10 例，其中女性 5 例，男性 5 例，年齡在 25 至 55 歲之間，平均年齡為 33.1 歲。采集他們面部和手掌的高光譜圖像。

本研究應用了400-1000nm的高光譜相機，可采用杭州彩譜科技有限公司產品FS13進行相關研究。光譜范圍在400-1000nm，波長分辨率優于2.5nm，可達1200個光譜通道。采集速度全譜段可達128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區域波段選擇）。

二、光譜分析

1、高光譜圖像直觀分析

（1）面部
①面部高光譜圖像特點：面部高光譜圖像能夠呈現全面部輪廓，口、鼻、眼、眉等器官清晰可辨，但耳和頭發較難分辨。面部雙側基本對稱，雙側器官形狀和大小大致相同。面部高反光區域主要在顴、頰、額頭和鼻梁等部位，低反光部位則為眼、眉和嘴唇等。與可見光圖像不同，高光譜圖像無法看出人的相貌。
②不同光譜段面部圖像的特點：在 450 - 900nm 各光譜段記錄的圖像中，面部輪廓均可見，其中 580 - 830nm 段圖像更為清晰。530nm 以下圖像反光強度減弱，各部位趨于均勻，圖像變虛且雜波增加，500nm 以下背景噪聲逐漸增強；830nm 以上圖像在原高反光較強部位有所減弱，各部位也漸趨均勻，且與 530nm 以下不同的是圖像上雜波未增加。

（2）手掌
①手掌整體光強度分布特點：手掌高光譜圖像涵蓋全部手掌輪廓，可分辨各個部位和手指，指、大小魚際、掌指紋均清晰可見。手掌雙側基本對稱，但不同部位和個體之間存在差異。手掌高反光部位在四指的指丘和大小魚際部位，五指末端反光較弱。通過高光譜圖像可以看出手掌的形態。

②不同光譜段面部圖像的特點：與面部高光譜圖像相似，在 450 - 900nm 各光譜段記錄的圖像中，手掌輪廓全部可見，580 - 830nm 段圖像更為清晰。530nm 以下圖像反光強度減弱，各部位趨于均勻，圖像變虛且雜波增加，500nm 以下背景噪聲漸強；830nm 以上圖像在原高反光較強部位有所減弱，各部位也漸趨均勻，且雜波未增加。

2、面部和手掌部位不同檢測波長段的反光強度分析

（1）面部：對面部各部位光強度均值進行統計發現，無論哪個面部部位，在 450nm 和 730 - 880nm 區域光強度值較高，530 和 580nm 光強度值較低。從部位分析，下額光強度值稍高，其余部位較為接近。正常人面部雙側對稱性良好，多數部位和器官雙側光強度差值不大；左右顴部在 450 - 630nm、左右嘴角在 450nm 差值稍大。
（2）手掌：在不同波長下對手掌各部位光強度均值進行統計，結果與面部高光譜圖像相近，在 450nm 和 730 - 880nm 區域光強度值較高，530 和 580nm 光強度值較低。對手掌各部位光強度均值進行右手減左手的統計，可見光強度值在手掌各部位均較接近，指根部位在不同光波波段時雙側差值稍大。

3、面部和手掌部位不同檢測波長段分析部位的光譜分布特性

（1）面部光譜分布特點：通過 PhySpec1.9.2 高光譜控制與分析軟件觀察到，面部部位的光譜曲線類似，500 - 580nm 段光強度較低，不同部位的反光強度存在差異。在各部位光譜曲線上可看到某一或某些波長處光強度出現突變的細節。對樣本均值所做的平均光譜曲線反映了群體特征，而不同個體的光譜曲線與群體和典型個體曲線在某些光譜段上有較大差異。
（2）手掌光譜分布特點：應用 Physpec1.9.2 高光譜控制與分析軟件觀察到手掌左右側的光譜曲線類同。與面部一樣，500 - 580nm 段光強度較低，不同部位的反光強度也有所差異，各光譜曲線上可看到某些波長處光強度出現突變的細節。對樣本均值所做的平均光譜曲線反映了群體特征，不同個體的光譜曲線與群體和典型個體曲線在某些光譜段上差異較大。