CN109770849A - 一种基于锁相光子计数和压缩感知的单像素sfdi系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于锁相光子计数和压缩感知的单像素SFDI系统，包括多路方波信号发生器、可调制LED激光器、空间光调制器、单像素相机和计算机，可调制LED激光器包括多个不同波长的LED激光器及其电流驱动器，电流驱动器接收多路方波信号发生器产生的相应频率的方波信号，使其工作在相应频率方波调制模式下，使对应波长的激光器输出相应频率的调制激光，其特征在于，各路调制激光通过同轴电缆接入空间光调制器，从同轴光纤输出的光束由扩束器扩束为宽场光，通过空间光调制器产生的具有特定空间频率的调制光源，通过透镜投射到组织体表面，单像素相机包括压缩编码模块和信号采集模块。

Description

一种基于锁相光子计数和压缩感知的单像素SFDI系统

技术领域

本发明属于空间频率域成像(Spatial Frequency Domain Imaging,SFDI)技术领域，具体涉及到一种锁相光子计数和压缩感知技术相结合的多波长单像素动态空间频率域成像系统。

技术背景

空间频率域成像是一种快速非接触式大视场的光学成像技术，其采用空间正弦调制光照射生物组织并用探测器捕捉漫反射图像。由于漫反射光信号是入射到组织体表面的空间光与组织体内部分子发生了复杂的相互作用后返回组织体表面的光，因而携带了组织体在特定光源激励下丰富的生理学信息。结合光学传输模型来重构出生物组织的的光学参数，进而可以得到与之关联的生理参数(脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白浓度，以及氧饱和度等)作为疾病诊断和测评的依据，非常适合于皮肤等薄层组织疾病的诊断及治疗监测，近年来受到了广泛关注^[1,2^,3]。

传统SFDI系统一般采用昂贵的EMCCD(Electron-Multiplying Charge-CoupledDevice)作为探测器采集组织体表面的漫反射图像，其采集速度快，分辨率高，但系统昂贵且无法实现多波长下漫反射图像的并行采集。利用SFD成像中采集图像为空间正弦波的特性，基于压缩感知理论^[4]，原始图像信号为稀疏信号，且选取正弦基或余弦基作为正交稀疏基时，采用少量次数的压缩编码测量便能有效的恢复漫反射图像，大大缩短单像素成像所需测量时间。因此在SFD成像中，采用单像素相机采集漫反射图像也可以实现动态测量，在降低系统成本的同时，也为实现多波长并行测量提供了可能。

对于人体检测成像而言，人体生理信息检测的一个突出特点就是待测信号强度微弱。这是因为检测所用的信号源强度必须限制在一个较低水平内，以免对组织体产生损伤和影响。锁相-光子计数技术是一种发展较为成熟的微弱信号检测技术，其将锁相检测技术^[5]的噪声抑制和多通道并行检测能力与光子计数^[6]的超高灵敏度相结合。光子计数测量可以大大降低照明功率，提高系统灵敏度。锁相检测通过对不同波长入射光进行特定时间频率调制，采用对应的锁相解调方法可以从多波长混合信号中分离出每个波长下的微弱光信号。单像素相机摆脱了面阵列成像的限制，可以灵活选择合适的光探测器，通过对不同波长光源进行不同频率的调制，运用锁相-光子计数技术检测并分离弱照明条件下组织体表面不同波长微弱的漫反射光信号，可以实现多波长并行的动态空间频率域成像。

[参考文献]

[1]N.Dognitz et al,“Determination of Tissue Optical Properties bySteady-State Spatial Frequency-Domain Reflectometry”,Lasers Med.Sci.,Vol.13,p.55-65，1998

[2]D.Cuccia et al,“Quantitation and mapping of tissue opticalproperties using modulated imaging”,J.Biomed.Opt.,Vol.14(2),p.024012,2009

[3]S.Gioux et al,“First-in-human pilot study ofa spatial frequencydomain oxygenation imaging system”,J.Biomed.Opt.,Vol.16(8),p.086015,2011

[4]EJ Candes et al,“Robust uncertainty principles:exact signalreconstruction from highly incomplete frequency information”,IEEE Press.,52(2),489-509,2006

[5]JM Masciotti et al,“Digital lock-in detection for discriminatingmultiple modulation frequencies with high accuracy and computationefficiency”,IEEE Trans Instrumentation and Measurement,57(1):182-189,2008

[6]BeckerW(屈军乐译),高级时间相关单光子计数技术,北京:科学出版社,2009

发明内容

为了克服传统的SFD成像系统无法实现多波长并行测量的不足，本发明提供一种锁相光子计数和压缩感知技术相结合的多波长单像素动态空间频率域成像系统，将传统的EMCCD采集方式替换为单像素成像方式，运用锁相-光子计数技术检测并分离多波长同时入射下不同波长的信号成分，利用SFD成像中被测图像为空间正弦波的特性，恢复每个波长下的漫反射图像，结合相应算法实现多波长并行的动态SFD成像。采用的技术方案如下：

一种基于锁相光子计数和压缩感知的单像素SFDI系统，包括多路方波信号发生器、可调制LED激光器、空间光调制器、单像素相机和计算机，可调制LED激光器包括多个不同波长的LED激光器及其电流驱动器，电流驱动器接收多路方波信号发生器产生的相应频率的方波信号，使其工作在相应频率方波调制模式下，使对应波长的激光器输出相应频率的调制激光，其特征在于，各路调制激光通过同轴电缆接入空间光调制器，从同轴光纤输出的光束由扩束器扩束为宽场光，通过空间光调制器产生的具有特定空间频率的调制光源，通过透镜投射到组织体表面，其特征在于，

所述的单像素相机包括压缩编码模块和信号采集模块，其中，

压缩编码模块，用以实现对组织体表面漫反射图像的压缩编码，包括数字微镜芯片DMD2及其驱动电路，选择0、1二值随机矩阵作为压缩编码所需的观测矩阵，每个观压缩编码过程中，控制DMD2使每个观测矩阵保持相等的时间，并顺序切换，单个观测矩阵保持时间与锁相光子计数模块的积分时间一致。每个观测矩阵下组织体表面漫反射光透过DMD2，经透镜及光纤输入信号采集模块检测，即实现对漫反射图像的压缩编码。

信号采集模块，包括光电倍增管PMT和锁相光子计数模块，多路方波信号发生器在产生控制各个LED激光器的方波信号的同时，产生各路方波信号的正交信号，用作锁相光子计数模块的参考信号；PMT接收多波长混合光压缩编码后的信号，并将其转化为电脉冲输入锁相光子计数模块；锁相光子计数模块：从多波长混合的压缩编码信号中检测并分离出每个波长独立的压缩编码信号。

附图说明

图1.本发明中SFD成像系统的结构框图；

图2.本发明中锁相光子计数模块工作原理图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。图1是本发明提出的基于锁相-光子计数测量的多波长单像素空间频率域成像系统结构框图，其中：

一、光源部分包括：多路方波信号发生器、可调制LED激光器和同轴光纤。

1、多路方波信号发生器：由现场可编程门阵列(FPGA)编程实现，产生3路频率分别为f₁、f₂和f₃，占空比为50％的方波信号，用作波长455nm、530nm、660nm的LED激光器的调制信号。同时产生这3路方波信号的正交信号(相移90度)，用作锁相光子计数模块的参考信号。

2、可调制LED激光器：此模块包括选定的455nm、530nm、660nm三个波长的LED激光器及其电流驱动器，电流驱动器接收多路方波信号发生器产生的相应频率的方波信号，使其工作在相应频率方波调制模式下，使对应波长的激光器输出相应频率的方波调制激光。

3、同轴光纤：同轴光纤输入一端包含多根光纤，分别接每个波长LED激光器的光输出端。输出一端将此多根光纤的纤芯做进同一根绝缘保护层偶合成一根光纤，接入空间光调制单元的输入端。

二、空间光调制器包括DMD1及其驱动电路。从同轴光纤输出的光束由扩束器扩束为宽场光，通过DMD1对宽场光进行空间调制，产生SFD成像所需的特定空间频率的正弦条纹面光源，并通过透镜投射到组织体表面。

三、多波长单像素相机部分包括压缩编码模块和信号采集模块。

1、压缩编码模块：压缩编码模块用以实现对组织体表面漫反射图像的压缩编码，主要通过DMD2及其驱动电路实现。本发明选择0、1二值随机矩阵作为压缩编码所需的观测矩阵。每个观测矩阵通过程序转化为DMD可识别的图片格式，并提前依次写入DMD2。

压缩编码过程中，控制DMD2使每个观测矩阵保持相等的时间，并顺序切换，单个观测矩阵保持时间与锁相光子计数模块的积分时间一致。每个观测矩阵下组织体表面漫反射光透过DMD2，经透镜及光纤输入信号采集模块检测，即实现对漫反射图像的压缩编码。

2、信号采集模块包括：光电倍增管(PMT)和锁相光子计数模块。

(1)、PMT：PMT接收多波长混合光压缩编码后的信号，并将其转化为电脉冲输入锁相光子计数模块。

(2)、锁相光子计数模块：此模块从多波长混合的压缩编码信号中检测并分离出每个波长独立的压缩编码信号，由FPGA编程实现。锁相光子计数模块工作原理如图2。PMT输出信号为3个波长混合的信号，为从混合信号中分离出每个波长的独立信号，锁相光子计数模块并行设计了3个数字相敏检测器(PSD)子模块。每个PSD子模块对应一个波长，其输入参考信号为对应该波长调制频率的方波信号及其正交信号(在后文分别用同相参考信号和正交参考信号表示)，由多路方波信号发生器产生。每个PSD子模块设置了同相和正交两个累加器，每检测到一个PMT输出电脉冲信号的上升沿，就分别对其同相参考信号和正交参考信号进行判断。若同相/正交参考信号为高电平，则对应的同相/正交累加器加1；若同相/正交参考信号为低电平，则对应的同相/正交累加器减1。单次积分时间内，同相和正交累加器输出值分别用I和Q表示。

根据锁相光子计数原理，在每个观测矩阵下，PMT输出的混合信号经PSD子模块累加积分后，只有与该PSD子模块参考信号频率相同的信号成分保留下来，其他频率的信号都被抑制。因此，每个PSD子模块输出值即为只包含对应调制频率光源的压缩编码信号强度。3个PSD子模块并行工作，在每个观测矩阵下都同时获得3个波长光源的漫反射图像压缩编码信号。

四、控制和数据处理单元都由计算机完成。

1、计算机发出控制信号控制系统各部分同步配合工作。

2、数据处理单元首先读取存储各个波长光源漫反射图像的压缩编码信号，算法重建每个波长下的漫反射图像。本发明利用SFD成像中漫反射图像为空间正弦波的特性，选取正弦基或余弦基作为正交稀疏基。基于压缩感知理论，采用少量次数的压缩编码测量便能有效的重建出每个波长下组织体表面漫反射图像。再利用空间频率域成像的OT和DOT算法重建组织体光学参数空间分布的图像。

测量实例：针对浅表病变组织，应用本系统进行浅表组织光学参数重建。测量流程如下：

(1)通信测试：测试计算机和FPGA之间的串口双向通信是否正常；

(2)调制信号生成：计算机通过串口向FPGA发送频率控制字，控制多路方波信号发生器生成频率分别为803Hz、654Hz、505Hz，占空比为50％的3路方波调制信号，并同时生成对应频率方波信号的正交信号。

(3)对LED激光器进行方波调制：对455nm、530nm、660nm三个波长的LED激光器分别用频率为803Hz、654Hz、505Hz的方波信号进行调制，三个激光器输出功率都稳定在10mW。

(4)同轴光纤传导：同轴光纤输入端3根光纤分别接三个波长LED激光器输出光，经耦合后由输出端同时传导到空间光调制器。

(5)空间光调制：DMD1对入射的多波长光源进行空间调制，产生空间频率为0.1mm-1的正弦条纹面光光源，并投射在组织体表面。

(6)压缩编码：Matlab产生600个64x64的0、1二值随机矩阵，依次写入DMD2。计算机发送控制信号控制锁相光子计数模块积分时间，并控制压缩编码模块和锁相光子计数模块同步工作。

(7)锁相光子计数：锁相光子计数模块实时检测PMT输出的混合光信号，分离出每个观测矩阵下各波长漫反射图像的压缩编码信号。

(8)数据传输及存储：锁相光子计数器模块所测得的数据通过串口传输到计算机中储存。

(9)数据处理：运用压缩感知原理重建每个波长下组织体表面漫反射光强图像，利用空间频率域成像的OT和DOT算法重建组织体光学参数空间分布的图像。

尽管结合以上测量实例对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于锁相光子计数和压缩感知的单像素SFDI系统，包括多路方波信号发生器、可调制LED激光器、空间光调制器、单像素相机和计算机，可调制LED激光器包括多个不同波长的LED激光器及其电流驱动器，电流驱动器接收多路方波信号发生器产生的相应频率的方波信号，使其工作在相应频率方波调制模式下，使对应波长的激光器输出相应频率的调制激光，其特征在于，各路调制激光通过同轴电缆接入空间光调制器，从同轴光纤输出的光束由扩束器扩束为宽场光，通过空间光调制器产生的具有特定空间频率的调制光源，通过透镜投射到组织体表面，其特征在于，

所述的单像素相机包括压缩编码模块和信号采集模块，其中，

压缩编码模块，用以实现对组织体表面漫反射图像的压缩编码，包括数字微镜芯片DMD2及其驱动电路，选择0、1二值随机矩阵作为压缩编码所需的观测矩阵，每个观压缩编码过程中，控制DMD2使每个观测矩阵保持相等的时间，并顺序切换，单个观测矩阵保持时间与锁相光子计数模块的积分时间一致。每个观测矩阵下组织体表面漫反射光透过DMD2，经透镜及光纤输入信号采集模块检测，即实现对漫反射图像的压缩编码。

信号采集模块，包括光电倍增管PMT和锁相光子计数模块，多路方波信号发生器在产生控制各个LED激光器的方波信号的同时，产生各路方波信号的正交信号，用作锁相光子计数模块的参考信号；PMT接收多波长混合光压缩编码后的信号，并将其转化为电脉冲输入锁相光子计数模块；锁相光子计数模块：从多波长混合的压缩编码信号中检测并分离出每个波长独立的压缩编码信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的调制光源为正弦条纹面光源。