308nm准分子激光皮肤治疗仪患病区域自动识别算法研究

吴南寿，王 磊，毛文健，关财忠，王茗祎，韩定安，曾亚光*

（佛山科学技术学院光电信息科学与工程系，广东佛山528000）

308nm准分子激光皮肤治疗仪患病区域自动识别算法研究

吴南寿，王 磊，毛文健，关财忠，王茗祎，韩定安，曾亚光*

（佛山科学技术学院光电信息科学与工程系，广东佛山528000）

研究一种用于308nm准分子激光皮肤治疗仪的患病区域自动识别算法，主要用于治疗白癜风疾病，能够快速准确对患者的患病区域进行处理。可实现精准医疗，具有快速、安全、无副作用等优点。弥补大范围普照式和小范围点照式治疗方法的不足，为白癜风疾病提供了一种高效的治疗手段。

白癜风；自动识别；患病区域

白癜风是一种常见的皮肤色素脱失病，目前我国白癜风患者高达2 000万人以上，该疾病易诊断而难治疗。虽然不会给患者带来痒、痛等不适感，亦不会威胁生命，但是却会严重影响患者形象。因此，会限制患者的职业范围，也会给患者带来心理负担，严重影响患者日常的工作与生活。该疾病主要通过光化学疗法和免疫疗法进行治疗［1-5］。其中，免疫疗法含外用皮质类固醇激素、内用皮质类固醇激素、免疫调节剂等。免疫疗法虽然可以抑制白癜风的的复发，但其治疗速度缓慢，花费时间较长。光化学疗法包括补骨脂素联合长波紫外线照射（PUVA）、L-苯丙氨酸（L-phenylalanine）联合 UVA、卡泊三醇（Calcipotriol）联合PUVA等，其治疗效果较好，白斑消失相对较快，但光化学疗法的治疗光源多为紫光灯，治疗后会有不良反应，如有瘙痒、恶心、头痛等［6-8］，该疗法存在一定的副作用，长期照射治疗有可能导致产生皮肤癌。

近年来，据实验及临床研究发现，308nm准分子激光可诱导白癜风皮损中病理性的T淋巴细胞凋亡,可使皮肤黑色素细胞体积增大，树突延长，酪氨酸酶的活性增加，黑素细胞合成黑色素的能力加强，从而达到治疗的目的［9-10］。利用这一特性，本文在308nm准分子激光自动皮肤治疗仪平台的基础上研究出一种患病区域自动识别算法，通过图像识别算法可以自主分辨患病白斑处，通过不规则图形扫描技术能有针对性地对患病白斑区域进行治疗，可实现精准医疗，具有快速、安全、无副作用等优点。

1 系统的原理

308nm准激光皮肤治疗仪是利用机器视觉的方法控制激光，使激光直接照射患病处，使白癜风和银屑病患病处的T淋巴细胞产生相关的生物和化学变化，从而促进皮肤色素的合成，达到治疗的目的。

在对患病处进行照射之前需对患病处的图像进行处理，寻找出患病区域边缘，寻找出图像的边缘之后，还需将图像的坐标转化成振镜的扫描电压。

本文运用的图像处理算法流程如图1所示，先将彩色图像灰度化，降低数据的处理量，根据公式（1）对图像进行灰度化，即

其中，R、G、B分别代表图像的红绿蓝3个分量。再对其进行中值滤波，消除噪声影响的同时，保持图像的边缘。中值滤波基本原理就是选择每个像素的邻域像素中的中值作为输出，或者说中值滤波将每一像素点的灰度值设置为该点某邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值。滤波之后需对图像进行阈值分割，将目标区域与背景隔离开来。

图1 图像处理流程

阈值分割就是输入图像F到输出二值图像G的变换，变换公式如下

其中，T1、T2为阈值，目标图像元素为G（i，j）=1,背景区域图像元素为G（i，j）=0。阈值化后的图像有些非目标区域可能同时被分割出来，此时还需将其去除，因此还需对图像进行去除孤立点处理。以上步骤完成之后，进行边缘提取，将目标区域的轮廓提取出来。

本文用Sobel算子对图像边缘进行提取，Sobel水平和垂直方向的内核分别为Gx、Gy，即

然而，提取出来的边缘图像可能出现断裂现象，还需进行形态学闭运算。至此，图像目标区域的边界就可以被成功检测出来。

通过以上算法图像边缘之后，需将像素坐标转化成振镜的控制电压。一般情况下，图像的横轴（u轴）的正方向对应着振镜的x轴的正方向，图像的纵轴（v轴）的正方向对应着振镜的y轴正方向。令点（u0，v0）为振镜在图像中对应的零电压点。振镜x、y轴的实际偏转电压可由公式求得，即

可给定一个偏转电压，求出激光两点在图像中的坐标，根据式（4）、（5）即可算出dx与dy。将图像中的目标区域的边缘按式（4）、（5）转换成振镜电压，于是，根据不规则扫描技术即可对不规则患病区域进行扫描。

2 系统的组成

系统的组成如图2所示。由图2可知，308nm准分子激光首先通过液体透镜，改变液体透镜两端的电压可改变激光聚焦的位置从而改变光斑能量的大小。通过液体透镜之后，激光照射在二维振镜上，通过改变振镜的偏转电压就可改变激光扫描的位置。通过振镜之后，激光将经过高分比分光镜，一部分激光直接透过分光镜被激光能量检测计接收到，另一部分通过折射照射到二色镜上，经二色镜反射之后照射到患病区域，随后患病区域的光通过二色镜传入高速相机。通过对高速相机反馈回来的信息对振镜进行控制，从而实现对患病区域的扫描。因患处的大小、形状各异，边缘位置治疗过程如果稍有不慎就会损伤正常皮肤。该系统通过液体透镜改变激光光斑大小，使用更小的光斑点填充边缘位置不规则区域，保证能够准确、快速、均匀扫描到患病区域。

图2 系统结构原理

为实时监控振镜扫描系统照射设定区域的均匀性，首先通过自动识别系统识别视场中的患病区域并通过数据采集卡采集患病区域的位置信号。然后经过计算将图像坐标转换成实际电压。最后将电压输出给振镜扫描系统，使308准分子激光按照所设定的患病区域照射。安全功率检测系统同时记录设定区域每个细分面积的照射时间。在治疗过程中，为了保证照射到病人身上激光的功率在安全治疗范围之内，需要对308准分子激光输入功率实时监控。运用308nm波长激光功率探测器，测量出分路上的激光功率，并结合分路和输出光路上光功率的比值，可以准确得到将输出到皮肤的光功率。如图2所示的激光能量计，它就是用于实时检测激光功率强度的探测设备，计算机通过它反馈的信息对激光功率强度进行调整，从而改变治疗的剂量。

3 实验结果与分析

患病区域的边缘提取如图3所示。其中图3a为患病区域的灰度图，图3b为患病区域的边缘图，图3c为图3a和3b的叠加效果图。由图3可以看出，本文用到的图像处理算法成功地识别出了白癜风患病区域。因扫描时光斑有一定的大小，即使识别出的目标区域的图像边缘与实际的患病区域边缘有一微小偏差，激光也能准确扫描到患病区域，如图3c箭头部位所示。

图3 患病区域的边缘提取

图4是用650nm的激光模拟308nm准激光分子自动皮肤治疗仪治疗病人的场景。从图4可以看出，激光自上而下扫描时，在不同时刻，激光都能准确扫描到患病区域，避免了对非患病区域的照射，而且扫描时间快，整个扫描时间不超过3 s。

图4 不同时刻激光扫过的不同位置

4 小结

本文研究的308准分子激光皮肤治疗仪患病区域自动识别算法可以准确识别到白癜风患者的患病区域，不仅实现了精准医疗，而且自动化程度高。具有快速、安全、无副作用等优点，可实时监控，操作更加方便，弥补大范围普照式和小范围点照式治疗方法的不足，为治疗白癜风疾病提供了一种高效的治疗手段。

［1］杨慧兰,李翠华,李雪梅,等.白癜风的治疗现状与进展［J］.中国美容医学,2006（1）:93-96.

［2］鲁功荣,许爱娥.白癜风的治疗现状与进展［J］.安徽医科大学学报,2016（11）:1713-1716.

［3］SPENCER J M,NOSSA R,AJMERIi J.Treatment of vitiligo with the 308nm excimer laser:a pilot study［J］.J Am Acad Dermatol,2002,46（5）:727-731.

［4］肖佳,郭爱元,曾庆海,等.308nm准分子激光治疗白癜风进展［J］.激光生物学报,2016（1）:63-70.

［5］刘毅,方晓东,梁勖,等.用于白癜风治疗的308nmXeCl准分子激光系统［J］.中国激光,2012（6）:6-11.

［6］杨慧兰,刘仲荣,李雪梅,等.308nm准分子激光治疗白癜风临床研究［J］.中华皮肤科杂志,2006（1）:35-37.

［7］王宏伟,左亚刚,晋红中,等.308nm准分子激光治疗白癜风的疗效及安全性［J］.中国医学科学院学报,2009（1）: 34-36.

［8］杨超,刘刚,龙卓宏.308nm准分子光治疗白癜风疗效与安全性观察［J］.实用医院临床杂志,2011（1）:68-70.

［9］董达科.NB-UVB/308nm准分子激光对皮肤毛囊部神经嵴干细胞向黑素细胞系定向分化的实验研究［D］.上海:复旦大学,2012.

［10］杨慧兰,黄小晏.308nm准分子激光诱导T淋巴细胞凋亡的研究［J］.临床皮肤科杂志,2008（10）:639-641.

【责任编辑：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

国家自然科学基金资助项目（11474053，61605026，61601534）；广东省科技计划资助项目（2016A020220021）

吴南寿（1993-），男，广东湛江人，佛山科学技术学院硕士研究生。

*通信作者：曾亚光（1975-），男，湖南湘潭人，佛山科学技术学院副教授，博士。