本文介绍的是北京理工大学胡晓明课题组对阵列光动力治疗仪的实现与均匀性校正方法，在光动力治疗中能够使皮损表面达到更高的均匀性和更大的有效治疗面积，论文发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2022年第4期。

Implementation and Uniformity Calibration of LED Array for Photodynamic Therapy

用于光动力治疗的LED阵列光源与均匀性校正

Xu Wang, Jiyuan Xiong, Xiaoming Hu and Qin Li

研究背景

光动力治疗以非侵入式治疗和低副作用优势已经成为一种有效的临床治疗技术，可用于治疗光化性角化病，早期黑色素瘤，鲜红斑痣，以及基底细胞癌等皮肤疾病。光剂量是光动力治疗的关键因素，但由于LED阵列治疗仪不可避免地存在安装误差以及镜头畸变导致光心位置偏移等原因，现有治疗设备在皮损表面形成的有效辐照度难以根据光源与患者皮损表面距离、夹角变化而调整各个照明单元辐射亮度，在皮损表面获得预期光剂量。因此，本文采用计算机视觉算法检测LED光学参数并进行校正，为实现曲面皮损表面有效辐照度调控提供了研究思路。

内容简介

本文提出一种LED阵列光源光学参数标定方法，标定装置包括一面半透明亚克力板和一台数字相机。首先，依次点亮阵列单元中的单颗LED单元，使其在半透明亚克力板上形成照明光斑，调整两者间距离后形成两次测量图像，然后利用计算机视觉算法确定每个LED的光心位置以及发散角；其次，建立LED阵列的驱动电流值矩阵与辐照平面的数学模型；最后，通过调节LED阵列的驱动电流值矩阵进行校正，提高其在平面上的辐照度均匀性并扩大辐照面积。

该校正方法通过如下实验进行验证：将光功率探测器固定于机械臂上，机械臂逐点测量LED阵列辐照平面的光功率值。统计分析表明：当辐照度设置为100 mW/cm2时，辐照度范围为91-100 mW/cm2为有效辐照度，在距离光源表面8-12 cm的距离范围内，所述算法可大幅提高满足治疗辐照度预期要求的治疗面积，并降低治疗区域内的辐照度变异系数。

图文导读

1.检测系统构成

图1：LED阵列面板校准系统示意图

图1展示了校正系统的工作原理，阵列光源逐个点亮LED，其在亚克力透明板上形成的光斑图像通过相机记录，将光斑与参考硬币进行比较，可以获得光斑尺寸。

2.计算机视觉算法检测光斑

图2：通过参考硬币尺寸测量光斑大小。(a)基础光斑。(b)LED移动后产生的光斑 (c)基本光斑在辐照度衰减50%时的轮廓。(d)LED移动后产生的光斑在辐照度衰减50%时的轮廓

图 2(a)为亚克力半透明板放置于距光源18 mm时相机拍摄的典型LED光斑与参考硬币图像，此后将亚克力透明板与光源间距增加50mm后得到第二个光斑，如图2(b) 所示；在光斑的辐照度衰减50%的位置处进行轮廓检测，并与参考硬币尺寸进行比较，得到光斑尺寸；根据先后两次测量结果确定LED光心位置以及发散角。

3.标定结果

图3：(a)校正后的实际光心分布图，以及 (b) 实际光心距离和(c) 发散角的直方图

在对所有 LED 进行测量后，构建了实际光心位置分布如图 3(a)所示。其中蓝色圆圈代表实际光中心，红色平面代表照射目标。校正后的实际光心距离和发散角的统计结果如图3(b)和(c)。实际光心距离平均值为78.6 mm，光心距离标准差为14.7 mm，发散角平均值为8.4°;，发散角标准差为1.6°。

4.测试评价

图4：(a) 8 cm、(b) 10 cm、(c) 12 cm深度辐照度测量示意图及(d) Zone1:5 cm * 12 cm和(e) Zone2: 3 cm * 10 cm的区域

在距离阵列光源表面8、10和12 cm深度的平面区域内，通过机械臂在水平和垂直方向以1 cm的间隔移动光功率计并对辐照度进行测量，每个平面记录98个点的辐照度，测试结果如图5(a)-(f) 所示。

图5：对照组和实验组在(a, d) 8 cm, (b, e) 10 cm, (c, f) 12 cm处的辐照度分布。 对照组的辐照度分布如(a)-(c) 所示，实验组的辐照度分布如(d)-(f) 所示

以具有恒定二极管电流的传统光源作为对照组，而通过非线性规划方法校准的光源作为实验组，可以看出实验组在8、10和12 cm处的平面辐照度分布图平坦，而对照组辐照度分布图则相对崎岖。

5.统计分析

对所有测量点的有效辐照度比例和变异系数进行分析，如图6所示。可以看出，在距离8 cm处辐照度的有效比例增加了50%。 此外，三个不同深度平面上的辐照度变异系数表明，Zone1最小变异系数为4.87%，Zone2最小变异系数为3.55%，该标定算法也可应用于曲面皮损表面辐照度的控制。

图6：辐照度统计分布的直方图

通讯作者简介

胡晓明，北京理工大学生命学院，讲师。长期从事光动力治疗技术及应用研究，发展了用于皮肤病及口腔疾病的光动力治疗设备，对治疗设备、光照优化均匀性控制与时间调制技术等提供了解决思路，在JBO、ANAL METHODS-UK、Comput Method Biomec等期刊发表SCI论文10余篇。获得国家自然科学基金及企业资助，主持各类国家、省部级项目4项，参与国家科技重大专项等项目4项，授权国际国内发明专利6件。