Obtención de imágenes y análisis espectral del rostro y la palma de la mano mediante tecnología de imágenes hiperespectrales

La tecnología de imágenes hiperespectrales es un nuevo tipo de tecnología de datos de imágenes que ha surgido en la última década. Inicialmente, se utilizaba sobre todo en la detección militar y por teledetección, entre otros campos. Ahora está en constante expansión en muchos campos civiles, que abarcan la ciencia de los materiales, la geofísica, la reducción de catástrofes medioambientales, las especies vegetales, los cultivos y los alimentos, y la biomedicina. En el campo médico, esta tecnología abarca el diagnóstico de enfermedades, la investigación biomédica y la investigación básica, y también hay exploraciones preliminares en la investigación de la medicina tradicional china, como la diferenciación del síndrome de la medicina tradicional china y el diagnóstico de la lengua. Sin embargo, dado que la aplicación de la tecnología de imágenes hiperespectrales en el campo de la medicina está aún en pañales, la investigación sobre los valores normales del cuerpo humano está aún en blanco. Este artículo pretende mostrar y analizar partes importantes del cuerpo humano mediante la aplicación de esta tecnología, y proporcionar datos fisiológicos normales para la investigación del cuerpo humano con imágenes hiperespectrales, el diagnóstico de enfermedades y el diagnóstico de la cara y la mano de la medicina tradicional china. Se realiza la visualización de imágenes hiperespectrales y el correspondiente análisis espectral de las partes de la cara y la mano del cuerpo humano, y los resultados son los siguientes.

Materiales y métodos

Sujetos y grupos experimentales: En este estudio participan 10 sujetos, 5 mujeres y 5 hombres, de edades comprendidas entre los 25 y los 55 años, con una media de 33,1 años. Se recogieron imágenes hiperespectrales de sus rostros y palmas.

En este estudio se aplicó una cámara hiperespectral de 400-1000 nm, y el producto FS13 de CHNSpec Technology Co., Ltd. puede utilizarse para investigaciones relacionadas. El rango espectral es de 400-1000 nm, la resolución de longitud de onda es mejor que 2,5 nm, y hasta 1200 canales espectrales. La velocidad de adquisición puede alcanzar 128FPS en el espectro completo, y la más alta después de la selección de banda es de 3300Hz (soporta selección de banda multi-región).

Análisis espectral

1. Análisis intuitivo de imágenes hiperespectrales

(1) Cara

① Características de las imágenes hiperespectrales faciales: Las imágenes hiperespectrales faciales pueden mostrar el contorno facial completo, y órganos como la boca, la nariz, los ojos y las cejas son claramente identificables, pero las orejas y el pelo son difíciles de distinguir. La cara es básicamente simétrica en ambos lados, y las formas y tamaños de los órganos de ambos lados son aproximadamente iguales. Las zonas de alta reflexión del rostro se encuentran principalmente en los pómulos, las mejillas, la frente y el puente de la nariz, mientras que las zonas de baja reflexión son los ojos, las cejas y los labios. A diferencia de las imágenes de luz visible, las imágenes hiperespectrales no pueden mostrar el aspecto de una persona. ② Características de las imágenes faciales en diferentes bandas espectrales: En las imágenes grabadas en las bandas espectrales de 450-900nm, los contornos faciales son visibles, y las imágenes en la banda de 580-830nm son más claras. Por debajo de 530nm, la intensidad de reflexión de la imagen se debilita, cada parte tiende a ser uniforme, la imagen se vuelve borrosa y el ruido aumenta, y por debajo de 500nm, el ruido de fondo aumenta gradualmente; por encima de 830nm, la imagen se debilita en las partes originales de alta reflexión, y cada parte también tiende a ser uniforme, y a diferencia de por debajo de 530nm, el ruido en la imagen no aumenta.

(2) Palma

① Características de la distribución global de la intensidad luminosa de la palma de la mano: La imagen hiperespectral de la palma abarca todo el contorno de la palma y permite distinguir varias partes y dedos. Las huellas de los dedos, del hipotenar y de la palma son claramente visibles. La palma es básicamente simétrica en ambos lados, pero existen diferencias entre las distintas partes e individuos. Las partes más reflectantes de la palma son los montículos de los dedos y las partes hipotenar de los cuatro dedos, y el reflejo en los extremos de los cinco dedos es débil. La forma de la palma puede verse a través de la imagen hiperespectral.

② Características de las imágenes faciales en diferentes bandas espectrales: De forma similar a las imágenes hiperespectrales faciales, en las imágenes grabadas en las bandas espectrales de 450-900nm, el contorno de la palma de la mano es totalmente visible, y las imágenes en la banda de 580-830nm son más claras. Por debajo de 530 nm, la intensidad de reflexión de la imagen se debilita, cada parte tiende a ser uniforme, la imagen se vuelve borrosa y aumenta el desorden, y el ruido de fondo por debajo de 500 nm aumenta gradualmente; por encima de 830 nm, la imagen se debilita en las partes con fuerte reflexión alta, cada parte también tiende a ser uniforme, y el desorden no aumenta.

2. Análisis de la intensidad luminosa reflejada de diferentes bandas de longitud de onda de detección en la cara y la palma de la mano.

(1) Rostro: El análisis estadístico de la intensidad luminosa media de cada parte de la cara muestra que, independientemente de la parte de la cara, el valor de intensidad luminosa es mayor en las regiones de 450 nm y 730-880 nm, y menor en las regiones de 530 y 580 nm. Del análisis de las partes, el valor de intensidad luminosa de la parte inferior de la frente es ligeramente superior, y las demás partes están relativamente próximas. La cara normal tiene una buena simetría bilateral, y la diferencia de intensidad luminosa bilateral de la mayoría de las partes y órganos no es grande; los pómulos izquierdo y derecho tienen una diferencia ligeramente mayor en 450-630nm y las comisuras izquierda y derecha de la boca tienen una diferencia ligeramente mayor en 450nm.

(2) Palma de la mano: El análisis estadístico de la intensidad luminosa media de cada parte de la palma de la mano en diferentes longitudes de onda muestra que los resultados son similares a los de la imagen hiperespectral facial, con valores de intensidad luminosa más altos en las regiones de 450nm y 730-880nm y valores de intensidad luminosa más bajos en las regiones de 530 y 580nm. La intensidad luminosa de cada parte de la palma se cuenta restando la mano derecha de la izquierda. Se observa que los valores de intensidad luminosa son próximos en cada parte de la palma. La diferencia entre los dos lados de la base del dedo es ligeramente mayor en las distintas bandas de ondas luminosas.

3. Características de la distribución espectral de las distintas bandas de longitud de onda de detección de la cara y la palma de la mano

(1) Características de la distribución espectral facial: Mediante el software de control y análisis hiperespectral PhySpec1.9.2, se observa que las curvas espectrales de las partes faciales son similares, la intensidad luminosa en la banda de 500-580 nm es baja y la intensidad de reflexión de las distintas partes es diferente. En las curvas espectrales de cada parte se aprecian detalles del cambio brusco de la intensidad luminosa en una o algunas longitudes de onda. La curva espectral media de la media de la muestra refleja las características del grupo, mientras que las curvas espectrales de los distintos individuos difieren bastante de las curvas del grupo y de las curvas individuales típicas en algunas bandas espectrales.

(2) Características de la distribución espectral de la palma: Se utiliza el software de control y análisis hiperespectral Physpec1.9.2 para observar que las curvas espectrales de los lados izquierdo y derecho de la palma son similares. Al igual que en la cara, la intensidad de la luz en la banda de 500-580 nm es baja, y la intensidad de la luz reflejada varía de una parte a otra. En cada curva espectral pueden apreciarse detalles de los cambios bruscos de intensidad luminosa en determinadas longitudes de onda. La curva espectral media de la media de la muestra refleja las características del grupo, y las curvas espectrales de los distintos individuos difieren mucho de las curvas del grupo y de las curvas individuales típicas en determinadas bandas espectrales.

III. Conclusión

1. Las imágenes hiperespectrales pueden mostrar claramente diferentes partes de los órganos faciales y las palmas, entre las cuales el segmento de 580-830nm es más claro. La intensidad de reflexión de las diferentes partes de la cara y las palmas es inconsistente, y el espectro es básicamente simétrico en ambos lados, y las características de las partes se pueden mostrar en la curva del espectro.

2. La tecnología de imágenes hiperespectrales puede mostrar claramente las características de distribución espectral de la superficie del cuerpo humano. La ley de distribución espectral de las personas normales proporcionará una referencia para el diagnóstico de enfermedades y la diferenciación del síndrome de MTC.