CN112957011A - 高灵敏度微弱荧光信号探测系统、方法、存储介质及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医学成像技术领域，公开了一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统、方法、存储介质及应用，所述高灵敏度微弱荧光信号探测系统包括：前置荧光信号收集模块用于收集微弱荧光信号，滤除杂散光信号，并将所述荧光信号分块传递到多通道空间编码模块；多通道空间编码模块，用于将前置荧光信号收集模块传递的微弱荧光信号进行分块多通道空间编码；阵列微弱信号探测模块，用于收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块；控制与计算模块，包括控制单元和计算单元。本发明引入多通道编码策略，与空间编码单像素结合荧光成像技术相比，减少荧光信号采集数量，降低对微弱荧光信号的采集时间与系统成像时间。
Description
技术领域
本发明属于生物医学成像技术领域，尤其涉及一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统、方法、存储介质及应用。
背景技术
目前，微弱光探测是生物医学光学成像与检测中不可或缺的技术，例如拉曼光谱成像技术和荧光成像技术。在传统的荧光成像技术中，包括平面成像系统和点扫描成像系统；平面成像系统大多利用灵敏度较高的CCD相机采集样本发射的荧光信号，具有操作简单、探测面积大等优点，但该成像探测器在进行弱信号光探测时采样信号维度大，探测灵敏度受限于单位像素上的感光灵敏度，成像灵敏度较低，普通CCD单位像素上光子数大于100count/s时才有微弱反应；EMCCD可在单位像素上的光子数大于5.27count/s时即有微弱反应，但仍存在成像曝光时间长，价格昂贵，有限购政策等缺点，在微弱荧光探测方面局限较大；点扫描荧光成像系统一般采用灵敏度更高的单点信号探测器，这种探测器的光子探测准确度和灵敏度极高，已经接近散粒噪声的极限。相比于平面成像系统，点扫描成像系统探测器的价格更低，对微弱光信号的探测灵敏度更高，但由于该种成像方式采用点扫描技术，成像速度较慢，采集到的信号数据庞大，这极大的限制了该技术的实际应用。而若不使用点扫描方式，要想达到与面阵探测器同样的探测面积，需要数以万计的单点探测器来进行探测，这所带来的设备成本是我们无法接受的。为了解决探测器成本问题，可以采用空间编码单像素成像技术减少探测器的数量，仅使用单个探测器即可实现探测成像，但该种成像方式存在弊端，在许多实际场景中，为获得较高质量的高像素数量成像，需要采集数以十万甚至百万时间点的数据，而受限于现有空间编码器的编码速率，获取如此海量的编码数据所造成的时间成本极高，这是我们所不能接受的。
CN201610541848.4专利文献公开了“一种基于阿达玛变换的近红外荧光单元成像装置及方法”，该技术方案采用空间编码策略中的阿达玛变换来对近红外荧光进行编码变换，采用压缩感知重构算法得到原荧光信号图像，但该系统侧重点在于使用阿达玛变换对单通道的荧光信号进行空间编码，未涉及到多通道空间编码技术；CN201810253144.6专利文献公开了“一种低成本高灵敏度的成像系统及其成像方法”，利用空间编码策略对激光信号进行编码并通过光探测器进行信号的采集，减少了系统成本，但该系统采用单通道光信号的编码，没有实现多通道的空间编码成像。以上专利均针对单通道空间编码成像技术解决了一定的问题，而对于多通道编码成像问题并没有相关的介绍。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)在平面荧光成像系统中，所采用的面阵探测器CCD相机的探测灵敏度受限于单位像素上的感光灵敏度，微弱光探测灵敏度较低，且成像曝光时间长，价格昂贵。
(2)在点扫描荧光成像系统中，点扫描的成像方式导致系统成像速度较慢，采集到的信号数据庞大，实际应用受到限制。
(3)在空间编码单像素成像技术结合荧光成像技术的成像系统中，单个探测器难以满足高成像像素数量的成像要求，会造成采集数据庞大，时间成本较高的问题。
(4)现有技术侧重点在于使用一定的空间编码方法对单通道的荧光信号进行空间编码或采用单通道光信号的编码，未涉及到多通道空间编码技术。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)如何使用对微弱光信号灵敏度更高的单点探测器结合空间编码成像技术，来达到与传统的面阵探测器CCD相机相同的探测面积；
(2)如何对空间编码单像素成像技术进行改进，增加空间编码通道的数量，使空间编码器同时进行多通道的空间编码工作，进行多通道空间编码；
(3)如何解决多通道空间编码的各个通道与相对应探测器的像面配准问题，使探测系统能够完成正常的多通道空间编码探测成像；
(4)如何解决在多通道空间编码成像过程中，各个通道的编码过程与对应的多通道空间解码算法的匹配问题。
解决以上问题及缺陷的意义为：使用对微弱光信号灵敏度更高的单点探测器代替传统的面阵探测器CCD相机，可以极大提高探测系统的微弱光探测灵敏度，但想要使用单点探测器达到与面阵探测器CCD相机相近的探测面积，需要使用成千上万的单点探测器，所带来的成本高昂，不可接受，结合空间编码成像技术可以极大减少探测器数量，在增加探测系统的微弱光探测灵敏度的同时，降低系统成本。进一步，在单通道空间编码成像的基础上改进为多通道空间编码，可以极大减少探测系统在采集庞大数据时所带来的时间成本，同时降低探测系统对于计算机计算性能的要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统、方法、存储介质及应用，旨在解决目前微弱光探测技术存在的技术成本、成像质量与成像速度之间不平衡的问题。
本发明是这样实现的，一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统，所述高灵敏度微弱荧光信号探测系统包括：
前置荧光信号收集模块，包括特殊定制的光信号收集镜头，用于收集微弱荧光信号，滤除杂散光信号，收集所述荧光信号并将所述荧光信号分块传递到多通道空间编码模块；
多通道空间编码模块，包括可分块使用的空间光编码器，用于将前置荧光信号收集模块传递的微弱荧光信号进行分块多通道空间编码；
阵列微弱信号探测模块，包括阵列式聚焦镜头组和阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，用于收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块；
控制与计算模块，包括控制单元和计算单元；其中，所述控制单元用于控制多通道空间编码模块的编码模式、阵列微弱信号探测模块的信号采集，所述计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
进一步，所述可分块使用的空间编码器的空间编码元被均等划分为N个空间编码通道，每一个编码通道独立使用，将前置荧光信号收集模块传递的微弱荧光信号进行N通道空间编码，空间编码通道数量N的最小数量为4；
所述阵列式聚焦镜头组由N个聚焦镜头组成镜头阵列，分别对应N个空间编码通道，用于将不同编码通道所编码的微弱荧光信号进行聚焦并传递至阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组；
所述阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组由N个高灵敏度单点微弱光探测器组成阵列，分别对应N个阵列式排列的聚焦镜头，用于对不同聚焦镜头传递的微弱荧光信号进行探测，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块。
进一步，所述前置荧光信号收集模块包括光信号收集镜头、聚焦镜头和滤波片，所述光信号收集镜头与所述聚焦镜头和所述滤波片沿系统光路依次设置；其中，
所述光信号收集镜头，用于将荧光样本产生的荧光信号进行收集并将所述荧光信号传递至所述聚焦透镜，所述光信号收集镜头为特殊定制的具有高透光率、大视场角、短物距等特点的光学信号采集镜头，对荧光信号收集效率极高；
所述聚焦镜头，用于将所述光信号收集镜头传递过来的所述微弱荧光信号进行聚焦，并照射到滤波片上；
所述滤波片，用于接收从所述聚焦镜头聚焦至所述滤波片上的所述荧光信号，并滤除所述荧光信号之外的杂散光。
进一步，所述多通道空间编码模块包括可分块使用的空间编码器，所述空间编码器沿所述前置荧光信号收集模块的出射光路设置；
所述可分块使用的空间编码器，用于对样本发出的所述荧光信号进行多通道空间编码，将所述空间编码器的空间编码元划分为N个通道，每个通道中占据空间编码器空间编码元上的1/N区域的编码元，之后，在N个通道中的每个独立通道上加载独立的不同的编码图像，使所述空间编码器上的N个通道中形成不同形式的空间编码图，在N个通道中的每个独立编码通道所加载的空间编码图中，黑色均代表着该独立通道区域的空间编码器空间编码元处于“关”的状态，此通道区域的空间编码器编码元上的所述入射荧光信号的输出将被终止，白色均代表着该独立通道区域的空间编码器编码元处于“开”的状态，此通道区域的空间编码器编码元上的所述入射荧光信号将被正常输出，进入所述阵列微弱信号探测模块收集的多通道编码信号中，实现对所述荧光信号的多通道空间编码；
所述空间编码器，通过所述多通道空间编码方式，将所述前置荧光信号收集模块传递的二维荧光信号编码转化为与空间编码通道对应的多通道一维荧光信号阵列。
进一步，所述空间编码器的入射面与系统光轴呈45度夹角，且入射面完全处于光信号收集镜头的焦深内，并与所述样本处于共轭面位置。
进一步，所述阵列微弱信号探测模块包括阵列式聚焦镜头组与阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，所述阵列式聚焦镜头组与阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组沿所述空间编码器的出射光路依次设置，其中，
所述阵列式聚焦镜头组，用于将从所述空间编码器反射出的所述荧光信号进行收集；所述阵列式聚焦镜头组，由N个聚焦镜头组成镜头阵列，分别对应N个空间编码通道，用于将不同编码通道所编码的微弱荧光信号进行聚焦并传递至阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组；
所述阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组由N个阵列式排列的PMT探测器组成阵列，分别对应N个阵列式排列的聚焦镜头，用于接收所述多通道空间编码模块处理后的所述多通道一维荧光信号阵列，并将所述多通道一维荧光信号阵列转换为荧光电信号。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的高灵敏度微弱荧光信号探测系统的高灵敏度微弱荧光信号探测方法，所述高灵敏度微弱荧光信号探测方法包括以下步骤：
步骤一，通过前置荧光信号收集模块利用特殊定制的光信号收集镜头，收集微弱荧光信号，滤除杂散光信号、收集所述荧光信号并将所述荧光信号分块传递到多通道空间编码模块；
步骤二，通过多通道空间编码模块利用可分块使用的空间光编码器，将前置荧光信号收集模块传递的微弱荧光信号进行分块多通道空间编码；
步骤三，通过阵列微弱信号探测模块利用阵列式聚焦镜头组和阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块；
步骤四，通过控制与计算模块利用控制单元用于控制多通道空间编码模块的编码模式、阵列微弱信号探测模块的信号采集，通过计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
进一步，步骤四中，所述通过计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像，包括：
(1)利用空间编码的物理过程，建立单一通道空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵M，建立采集的序列微弱荧光信号S与待恢复样本荧光信号二维图像I之间的数学关系式：
S＝MI；
然后将所述二维荧光信号转化为二维矩阵形式，并将二维矩阵转换为一维列向量I；
(2)将单一通道空间编码模块的一种编码模式转化为二维编码矩阵形式，并将二维编码矩阵转换为一维行向量M，建立探测信号强度S与单一空间编码器编码模式、待恢复图像I之间的数学关系式：
式中，j表示第j个探测信号。
(3)改变单通道空间编码模块的编码模式并重复上述过程得到多组一维行向量M2，M3，…MN，将上述一维编码行向量整合得到完整单一通道二维空间编码矩阵M，建立所述荧光信号强度信息与完整二维空间编码矩阵、原始待重构图像之间的数学模型：
式中，N为荧光信号图像的像素数，B为单一通道的空间编码模块的编码模式变换次数，根据压缩感知原理，B<N/2；
所述数学模型可表述为：
S＝MI；
式中，S为空间编码模式编码B次对应的单点信号探测器记录值；M为单一通道中的完整空间编码矩阵；I表示待恢复的样本荧光图像。
(4)使用基于压缩感知理论的稀疏迭代重建方法重建单一通道图像，所述图像重建方法基于稀疏正则化，目标函数为：
min arg||S-MI||2+β|I|1；
式中，β为稀疏正则化因子。
(5)重复步骤(1)-(4)，完成其他单通道的空间编码与解码成像过程，将各个通道的重构图像整合拼接并作图像一致化处理，完成最终完整的多通道编码重构图像结果。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
步骤一，利用可分块使用的空间光编码器，将前置荧光信号收集模块分块传递到多通道空间编码模块的荧光信号进行分块多通道空间编码；
步骤二，通过阵列微弱信号探测模块利用阵列式聚焦镜头组和阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块；
步骤三，通过控制与计算模块利用控制单元用于控制多通道空间编码模块的编码模式、阵列微弱信号探测模块的信号采集，通过计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
本发明的另一目的在于提供一种生物医学光学成像与检测方法，所述生物医学光学成像与检测使用所述的高灵敏度微弱荧光信号探测系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的高灵敏度微弱荧光信号探测系统，针对在单通道编码成像的基础上实现多通道编码成像提出了解决方法，突破了由单通道编码成像扩展到多通道编码成像存在的技术障碍，最终实现对微弱光信号的多通道空间编码成像。本发明实现前置荧光信号收集模块与多通道空间编码模块的精准分割与配准，完成对前置荧光信号收集模块所采集的微弱光信号进行精准的多通道空间编码；实现多通道空间编码模块与多通道阵列微弱信号探测模块的精准匹配校准，完成对多通道空间编码后的微弱光信号进行探测采集；实现控制与计算模块中重构图像的多通道拼接和图像一致化处理，完成对各个单通道重构图像的整合与拼接，最终实现完整的微弱光信号重构图像。
与传统的荧光平面成像技术相比，本发明使用灵敏度极高的单点探测器替代传统探测相机，极大的提高了成像灵敏度，同时有效降低系统成本；相比于面阵探测器，采用高灵敏度单点微弱光探测器可提高微弱光信号探测的灵敏度；引入多通道空间编码策略，用较少数量高灵敏度单点微弱光探测器取代价格昂贵的面阵探测器，极大降低了成本；与传统的荧光点扫描成像技术相比，本发明无需增加机械扫描结构便可实现荧光成像，极大的减少了荧光信号采集数量，降低对微弱荧光信号的采集时间与系统成像时间；与空间编码单像素结合荧光成像技术相比，本发明引入多通道编码策略，极大的减少高像素数量成像时所需的成像时间。综上所述，本发明实现了一种成本较低的具有较高图像质量与较快成像速度的小动物荧光成像技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的高灵敏度微弱荧光信号探测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的高灵敏度微弱荧光信号探测系统的总体结构示意图。
图3是本发明实施例提供的高灵敏度微弱荧光信号探测系统的具体结构示意图。
图4是本发明实施例提供的单通道空间编码过程的示意图。
图5是本发明实施例提供的四通道空间编码的变换模式示意图。
图6是本发明实施例提供的高灵敏度微弱荧光信号探测系统的实验结果图。
图7是本发明实施例提供的图6所对应的实际样本图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统、方法、存储介质及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的高灵敏度微弱荧光信号探测方法包括以下步骤：
S101，通过前置荧光信号收集模块利用特殊定制的光信号收集镜头，收集微弱荧光信号，滤除杂散光信号、收集所述荧光信号并将所述荧光信号分块传递到多通道空间编码模块；
S102，通过多通道空间编码模块利用可分块使用的空间光编码器，将前置荧光信号收集模块传递的微弱荧光信号进行分块多通道空间编码；
S103，通过阵列微弱信号探测模块利用阵列式聚焦镜头组和阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块；
S104，通过控制与计算模块利用控制单元用于控制多通道空间编码模块的编码模式、阵列微弱信号探测模块的信号采集，通过计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
如图2所示，本发明实施例提供的高灵敏度微弱荧光信号探测系统包括：
前置荧光信号收集模块1，包括特殊定制的光信号收集镜头，用于收集微弱荧光信号，滤除杂散光信号，收集所述荧光信号并将所述荧光信号分块传递到多通道空间编码模块；
多通道空间编码模块2，包括可分块使用的空间光编码器，用于将前置荧光信号收集模块传递的微弱荧光信号进行分块多通道空间编码；
阵列微弱信号探测模块3，包括阵列式聚焦镜头组和阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，用于收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块；
控制与计算模块4，包括控制单元和计算单元；其中，所述控制单元用于控制多通道空间编码模块的编码模式、阵列微弱信号探测模块的信号采集，所述计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
参见图2，图2是本发明实施例提供的一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统的总体示意图。本发明实施例提供的一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统，包括：
前置荧光信号收集模块1，应用特殊定制的光信号收集镜头对样本上发出的荧光信号进行接收，并滤除杂散光信号、收集荧光信号；
多通道空间编码模块2，用于将前置荧光信号收集模块1收集的荧光信号进行多通道的空间编码并压缩为多通道一维荧光信号阵列；
阵列微弱信号探测模块3，用于接收多通道一维荧光信号阵列并将多通道一维荧光信号阵列转化为荧光电信号；
控制与计算模块4，分为控制单元与计算单元，控制单元用于控制多通道空间编码模块2的编码模式的变换、阵列微弱信号探测模块3的信号采集，计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
实施例2
参见图3、图4和图5，图3是本发明实施例提供的一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统的具体结构示意图，图4是本发明实施例提供的一种单通道空间编码过程的示意图，图5本发明实施例提供的一种四通道空间编码的变换模式示意图。
前置荧光信号收集模块1包括光信号收集镜头11、聚焦镜头12和滤波片13，光信号收集镜头11与所述聚焦镜头12和所述滤波片13沿系统光路依次设置。
光信号收集镜头11，用于将荧光样本产生的所述荧光信号进行收集并将所述荧光信号传递至所述聚焦透镜12；
所述光信号收集镜头，其特征在于，所述光信号收集镜头为特殊定制的具有高透光率、大视场角、短物距等特点的光学信号采集镜头，对荧光信号收集效率极高；
进一步，光信号收集镜头11的工作距离为0.1至5米，放大倍数为0.005X-0.216X，400nm-900nm通光率≥90％，视野可调至边长5cm，具有高透光率、大视场角、短物距的特点。
聚焦镜头12，用于将所述光信号收集镜头11传递过来的所述微弱荧光信号进行聚焦，并照射到滤波片13上；
进一步，聚焦镜头12具有大视野低数值孔径(NA)的功能，例如，NA值为0.05，视野大于500μm。
滤波片13，用于收集从聚焦镜头12聚焦至滤波片13上的荧光信号，并滤除除荧光信号之外的杂散光。
进一步，滤波片13为带通型滤波片，能够通过的特定波长范围应在785nm-900nm之间。
具体的，荧光样本上产生并发出荧光信号，荧光信号由光信号收集镜头11收集至聚焦透镜12，通过聚焦透镜12聚焦至滤波片13，由滤波片13滤除除荧光信号外的杂散光。
多通道空间编码模块2所使用的空间编码器为DMD数字微镜21，所划分的多通道数N为16。所述DMD数字微镜21沿所述前置荧光信号收集模块1的出射光路设置，其中，
DMD数字微镜21，用于对样本发出的所述荧光信号进行多通道空间编码，将DMD数字微镜21的微镜片划分为16个通道，通过控制与计算模块4按照一定规则在每个通道上生成独立的不同的编码图像，并将其通过USB3.0加载到DMD数字微镜21的控制器中，在16个通道中的每个独立编码通道所加载的空间编码图中，黑色均代表着该独立通道区域的DMD数字微镜21的微镜片处于“关”的状态，此通道区域的DMD数字微镜21的微镜面上的所述入射荧光信号将不被反射出去，白色均代表着该独立通道区域的DMD数字微镜21的微镜片处于“开”的状态，此通道区域的DMD数字微镜21的微镜面上的所述入射荧光信号将被反射出去，进入所述阵列微弱信号探测模块收集的多通道编码信号中，实现了对所述荧光信号的多通道空间编码；
进一步，DMD数字微镜21，通过所述多通道空间编码方式，将所述前置荧光信号收集模块1传递的二维荧光信号编码转化为与空间编码通道对应的多通道一维荧光信号阵列；
进一步，DMD数字微镜21像素大于或者等于1920×1080，其型号例如可以为DLP6500。
阵列微弱信号探测模块3包括PMT探测器组31和阵列式聚焦镜头组32，用于收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块4。
PMT探测器组31，用于接收多通道空间编码处理后的多通道一维荧光信号阵列，并将多通道一维荧光信号阵列转换为荧光电信号。其特征在于，PMT探测器组31，包含多个阵列式排列的PMT探测器，每一个PMT探测器用于将多通道一维荧光信号阵列中的单一通道一维荧光信号阵列转换为荧光电信号。
进一步，PMT探测器组31中的每个PMT探测器的增益范围在105数量级以上，其型号例如可以为H10720-20。
具体的，从阵列式聚焦镜头组32传输过来的多通道一维荧光信号阵列将由PMT探测器组31中的多个阵列式排列的PMT探测器所接收，PMT探测器将所有通道的一维荧光信号阵列采集并转换为荧光电信号，进而，控制与计算模块4对荧光电信号按照一定的重构规则进行荧光信号重构，获得原始荧光信号图像。
阵列式聚焦镜头组32，用于将从DMD数字微镜21反射出的荧光信号进行收集并传递至PMT探测器组31。其特征在于，阵列式聚焦镜头组32，包含多个阵列式排列的透镜，每一组的透镜用于对DMD数字微镜21上经过不同通道空间编码的荧光信号进行收集并聚焦于PMT探测器组31中的阵列式排列的PMT探测器。
控制与计算模块4分为控制单元与计算单元，控制单元用于控制多通道空间编码模块2的编码模式的变换、阵列微弱信号探测模块3的信号采集，计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
具体的，控制与计算模块4中的控制单元可控制前置荧光收集收集模块1收集荧光样本所产生的并发出的微弱荧光信号并对除荧光信号以外的杂散光进行滤除，控制多通道空间编码模块2对前置收集模块1收集到的荧光信号进行多通道荧光信号编码，将其压缩为多通道一维荧光信号阵列，还可控制阵列微弱信号探测模块3对多通道一维荧光信号阵列进行信号采集并转化为电信号。
进一步，控制与计算模块4中的计算单元功能包括：
(1)利用空间编码的物理过程，建立单一通道空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵M，建立采集的序列微弱荧光信号S与待恢复样本荧光信号二维图像I之间的数学关系式：
S＝MI；
进一步，将所述二维荧光信号转化为二维矩阵形式，并将二维矩阵转换为一维列向量I；
(2)将单一通道空间编码模块的一种编码模式转化为二维编码矩阵形式，并将二维编码矩阵转换为一维行向量M，建立探测信号强度S与单一空间编码器编码模式、待恢复图像I之间的数学关系式：
式中，j表示第j个探测信号。
(3)改变单通道空间编码模块的编码模式并重复上述过程得到多组一维行向量M2，M3，…MN，将上述一维编码行向量整合得到完整单一通道二维空间编码矩阵M，建立所述荧光信号强度信息与完整二维空间编码矩阵、原始待重构图像之间的数学模型：
式中，N为荧光信号图像的像素数，B为单一通道的空间编码模块的编码模式变换次数，根据压缩感知原理，B<N/2；
该数学模型可表述为：
S＝MI；
式中，S为空间编码模式编码B次对应的单点信号探测器记录值；M为单一通道中的完整空间编码矩阵；I表示待恢复的样本荧光图像。
(4)使用基于压缩感知理论的稀疏迭代重建方法重建单一通道图像，所述图像重建方法基于稀疏正则化，其目标函数为：
min arg||S-MI||2+β|I|1；
式中，β为稀疏正则化因子。
(5)重复步骤(1)-(4)，完成其他单通道的空间编码与解码成像过程，将各个通道的重构图像整合拼接并作图像一致化处理，完成最终完整的多通道编码重构图像结果。
实施例3
本发明实施例提供的高灵敏度微弱荧光信号探测方法的一种应用场景为小动物荧光成像场景。在小动物荧光成像场景中，本发明可替代传统的面阵探测器CCD相机，极大地提高小动物荧光成像技术对小动物荧光信号的探测灵敏度，同时降低了小动物荧光成像技术中CCD相机所带来的价格成本。本发明还可应用在其他对微弱光探测灵敏度要求较高的大视场微弱光成像场景中，包括但不限于小动物荧光成像场景、生物发光成像场景、契伦科夫荧光成像场景与拉曼散射成像场景等；在本发明中所使用的单点探测器的主要特点是对微弱光信号具有极高的探测灵敏度，可应用在各种大视场微弱光成像场景中，单点探测器的类型包括但不局限于光电倍增管PMT、硅光电倍增管SiPM、雪崩光电二极管APD等探测器类型。
实施例4
参见图6和图7，图6是本发明实施例提供的一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统的实验结果图，图7为实际样本图。该实验为高灵敏度微弱荧光信号探测系统对荧光样本信号的单通道空间编码成像实验。在本实验中，所使用的空间编码器为DMD数字微镜，型号为DLP6500，像素大小为1920×1080；所使用的单点探测器为光电倍增管PMT，型号为H10720-20；所使用的荧光信号样本为荧光素钠溶液，浓度为260nmol/L；对荧光样本所使用的激发光为近红外一区激光束，波长可以为785nm。本实验在完全严格避光的暗室内进行。在实验的成像结果中，所重构成图像的像素大小为40*40大小，所采集的重构信号数量为重构图像像素数量的17％，即270个信号点。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高灵敏度微弱荧光信号探测系统，其特征在于，所述高灵敏度微弱荧光信号探测系统包括：
前置荧光信号收集模块，包括特殊定制的光信号收集镜头，用于收集微弱荧光信号，滤除杂散光信号、收集所述荧光信号并将所述荧光信号分块传递到多通道空间编码模块；
多通道空间编码模块，包括可分块使用的空间光编码器，用于将前置荧光信号收集模块传递的微弱荧光信号进行分块多通道空间编码；
阵列微弱信号探测模块，包括阵列式聚焦镜头组和阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，用于收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块；
控制与计算模块，包括控制单元和计算单元；其中，所述控制单元用于控制多通道空间编码模块的编码模式、阵列微弱信号探测模块的信号采集，所述计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
2.如权利要求1所述的高灵敏度微弱荧光信号探测系统，其特征在于，所述可分块使用的空间编码器的空间编码元被均等划分为N个空间编码通道，每一个编码通道独立使用，将前置荧光信号收集模块传递的微弱荧光信号进行N通道空间编码，空间编码通道数量N的最小数量为4；
所述阵列式聚焦镜头组由N个聚焦镜头组成镜头阵列，分别对应N个空间编码通道，用于将不同编码通道所编码的微弱荧光信号进行聚焦并传递至阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组；
所述阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组由N个高灵敏度单点微弱光探测器组成阵列，分别对应N个阵列式排列的聚焦镜头，用于对不同聚焦镜头传递的微弱荧光信号进行探测，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块。
3.如权利要求1所述的高灵敏度微弱荧光信号探测系统，其特征在于，所述前置荧光信号收集模块包括光信号收集镜头、聚焦镜头和滤波片，所述光信号收集镜头与所述聚焦镜头和所述滤波片沿系统光路依次设置；其中，
所述光信号收集镜头，用于将荧光样本产生的荧光信号进行收集并将所述荧光信号传递至所述聚焦透镜，所述光信号收集镜头为特殊定制的具有高透光率、大视场角、短物距等特点的光学信号采集镜头，对荧光信号收集效率极高；
所述聚焦镜头，用于将所述光信号收集镜头传递过来的所述微弱荧光信号进行聚焦，并照射到滤波片上；
所述滤波片，用于接收从所述聚焦镜头聚焦至所述滤波片上的所述荧光信号，并滤除所述荧光信号之外的杂散光。
4.如权利要求1所述的高灵敏度微弱荧光信号探测系统，其特征在于，所述多通道空间编码模块包括可分块使用的空间编码器，所述空间编码器沿所述前置荧光信号收集模块的出射光路设置；
所述可分块使用的空间编码器，用于对样本发出的所述荧光信号进行多通道空间编码，将所述空间编码器的空间编码元划分为N个通道，每个通道中占据空间编码器空间编码元上的1/N区域的编码元，之后，在N个通道中的每个独立通道上加载独立的不同的编码图像，使所述空间编码器上的N个通道中形成不同形式的空间编码图，在N个通道中的每个独立编码通道所加载的空间编码图中，黑色均代表着该独立通道区域的空间编码器编码元处于“关”的状态，此通道区域的空间编码器编码元上的所述入射荧光信号的输出将被终止，白色均代表着该独立通道区域的空间编码器编码元处于“开”的状态，此通道区域的空间编码器编码元上的所述入射荧光信号将被正常输出，进入所述阵列微弱信号探测模块收集的多通道编码信号中，实现对所述荧光信号的多通道空间编码；
所述空间编码器，通过所述多通道空间编码方式，将所述前置荧光信号收集模块传递的二维荧光信号编码转化为与空间编码通道对应的多通道一维荧光信号阵列。
5.如权利要求1所述的高灵敏度微弱荧光信号探测系统，其特征在于，所述空间编码器的入射面与系统光轴呈45度夹角，且入射面完全处于光信号收集镜头的焦深内，并与所述样本处于共轭面位置。
6.如权利要求1所述的高灵敏度微弱荧光信号探测系统，其特征在于，所述阵列微弱信号探测模块包括阵列式聚焦镜头组与阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，所述阵列式聚焦镜头组与阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组沿所述空间编码器的出射光路依次设置，其中：
所述阵列式聚焦镜头组，用于将从所述空间编码器反射出的所述荧光信号进行收集；所述阵列式聚焦镜头组，由N个聚焦镜头组成镜头阵列，分别对应N个空间编码通道，用于将不同编码通道所编码的微弱荧光信号进行聚焦并传递至阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组；
所述阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组由N个阵列式排列的PMT探测器组成阵列，分别对应N个阵列式排列的聚焦镜头，用于接收所述多通道空间编码模块处理后的所述多通道一维荧光信号阵列，并将所述多通道一维荧光信号阵列转换为荧光电信号，其中单点微弱光探测器包括光电倍增管PMT探测器、硅光电倍增管SiPM探测器、雪崩光电二极管APD探测器。
7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述的高灵敏度微弱荧光信号探测系统的高灵敏度微弱荧光信号探测方法，其特征在于，所述高灵敏度微弱荧光信号探测方法包括以下步骤：
步骤一，通过前置荧光信号收集模块利用特殊定制的光信号收集镜头，收集微弱荧光信号，滤除杂散光信号、收集所述荧光信号并将所述荧光信号分块传递到多通道空间编码模块；
步骤二，通过多通道空间编码模块利用可分块使用的空间光编码器，将前置荧光信号收集模块传递的微弱荧光信号进行分块多通道空间编码；
步骤三，通过阵列微弱信号探测模块利用阵列式聚焦镜头组和阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块；
步骤四，通过控制与计算模块利用控制单元用于控制多通道空间编码模块的编码模式、阵列微弱信号探测模块的信号采集，通过计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
8.如权利要求7所述的高灵敏度微弱荧光信号探测方法，其特征在于，步骤四中，所述通过计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像，包括：
(1)利用空间编码的物理过程，建立单一通道空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵M，建立采集的序列微弱荧光信号S与待恢复样本荧光信号二维图像I之间的数学关系式：
S＝MI；
然后将所述二维荧光信号转化为二维矩阵形式，并将二维矩阵转换为一维列向量I；
(2)将单一通道空间编码模块的一种编码模式转化为二维编码矩阵形式，并将二维编码矩阵转换为一维行向量M，建立探测信号强度S与单一空间编码器编码模式、待恢复图像I之间的数学关系式：
式中，j表示第j个探测信号；
(3)改变单通道空间编码模块的编码模式并重复上述过程得到多组一维行向量M2，M3，…MN，将上述一维编码行向量整合得到完整单一通道二维空间编码矩阵M，建立所述荧光信号强度信息与完整二维空间编码矩阵、原始待重构图像之间的数学模型：
式中，N为荧光信号图像的像素数，B为单一通道的空间编码模块的编码模式变换次数，根据压缩感知原理，B<N/2；
所述数学模型可表述为：
S＝MI；
式中，S为空间编码模式编码B次对应的单点信号探测器记录值；M为单一通道中的完整空间编码矩阵；I表示待恢复的样本荧光图像；
(4)使用基于压缩感知理论的稀疏迭代重建方法重建单一通道图像，所述图像重建方法基于稀疏正则化，目标函数为：
min arg||S-MI||2+p|I|1；
式中，β为稀疏正则化因子；
(5)重复步骤(1)-(4)，完成其他单通道的空间编码与解码成像过程，将各个通道的重构图像整合拼接并作图像一致化处理，完成最终完整的多通道编码重构图像结果。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
步骤一，利用可分块使用的空间光编码器，将前置荧光信号收集模块分块传递到多通道空间编码模块的荧光信号进行分块多通道空间编码；
步骤二，通过阵列微弱信号探测模块利用阵列式聚焦镜头组和阵列式排列的高灵敏度单点微弱光探测器组，收集分块多通道空间编码的荧光信号，并将荧光信号转为电信号送入控制与计算模块；
步骤三，通过控制与计算模块利用控制单元用于控制多通道空间编码模块的编码模式、阵列微弱信号探测模块的信号采集，通过计算单元用于对采集的电信号进行重构获得荧光图像。
10.一种生物医学光学成像与检测方法，其特征在于，所述生物医学光学成像与检测使用权利要求1～6任意一项所述的高灵敏度微弱荧光信号探测系统。
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