CN113176209B - 一种超声调制光学成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学成像技术领域，更具体地，涉及一种超声调制光学成像方法及其系统，包括：激光入射到待测样品后被高速相机采集记录，拍摄得到原始散斑图像，并计算原始散斑图像的标准差std₁；激光入射到待测样品发射激光中，并对待测样品聚焦超声波信号，对激光进行调制，拍摄得到超声散斑图像，并计算超声散斑图像的标准差std₂；根据标准差std₁与标准差std₂计算得到样品的UOT信号std_UOT；改变聚焦位置，重复步骤S1至步骤S3，得到样品不同位置的UOT信号，得到样品的光吸收分布图。本方案中通过计算散斑图像的标准差大小来判断光子数波动的剧烈强度，从而得到UOT信号的强弱，实现高速成像，其成像质量好，分辨率更高、成本较低，且可用于活体检测。

Description

一种超声调制光学成像方法

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，更具体地，涉及一种超声调制光学成像方法及其系统。

背景技术

超声调制光学成像(UOT)最终是通过检测标记光的强度大小来反映对应组织光吸收的强弱。在检测上，存在两大难题，一是大背景检测小信号，由于超声聚焦区小，超声调制效率有限，且仅有少部分散射光经过超声聚焦区被调制，最终探测到的光大部分为未标记光，标记光与未标记光相比很微弱，如果直接检测，会造成信噪比较低；二是散斑去相关的影响，光子到达探测器的路径是随机的，造成散斑非相干叠加，因此探测器检测到的是散斑。生物组织的随机运动，如血液的流动，肌肉的运动，散射体热运动等，都会破坏散斑的静态模式，这就要求高速成像，使成像时间在散斑去相关时间之内(一般为1ms)，保证采集到的散斑信息有效。

如何从背景光中检测标记光，即UOT信号，提高信噪比，提高成像质量，是制约超声光学成像的主要因素。

目前一帧图高速成像方法有使用离轴数字全息结合傅里叶变换的方法提取UOT信号，但这样会损失过多信息；另一种是使用lock-in相机检测UOT信号，但是其最高只能实现300*300的像素检测。

如中国专利CN109164691A公开了一种实现透过散射介质聚焦的离轴数字全息相位共轭方法，包括：相位提取和相位共轭还原过程，其中，相位提取过程基于离轴数字全息原理，搭建相位提取系统，利用相位提取系统获取物光和参考光的离轴全息干涉图，并利用二维傅里叶变换和空间滤波得到相位共轭图；相位共轭还原过程中参考光照射在加载了相位共轭图的空间光调制器上，产生时间反演光从而实现透过散射介质聚焦。其会损失过多的信息，成像分辨率不够高、结果不够精准。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种超声调制光学成像方法及其系统，其能够实现高速成像，且效果更好、分辨率更高，性能更好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种超声调制光学成像方法，包括以下步骤：

S1：激光入射到待测样品后被高速相机采集记录，拍摄得到原始散斑图像，并计算原始散斑图像的标准差std₁；

S2：激光入射到待测样品发射激光中，并对待测样品聚焦超声波信号，对激光进行调制，拍摄得到超声散斑图像，并计算超声散斑图像的标准差std₂；

S3：根据标准差std₁与标准差std₂计算得到样品的UOT信号std_UOT；

S4：多次改变聚焦位置，重复步骤S1至步骤S3，得到样品的多个不同位置的UOT信号std_UOT，组合得到样品的光吸收分布图。

本方案中通过计算散斑图像的标准差大小来判断光子数波动的剧烈强度，从而得到UOT信号的强弱，以反映样品超声聚焦区域的光吸收系数，实现高速成像，相较于传统的傅里叶变换方法或lock-in相机检测，其能够更大程度地保留待测样品的信息，成像质量好，分辨率更高且不需要过多的元器件即可实现，成本较低。

进一步地，上述的步骤S1、S2中，激光在入射待测样品前被分光为样品光S与参考光R，样品光S入射到待测样品，经超声波信号调制后出射未标记光和标记光，参考光R与入射待测样品后的样品光S合束形成干涉，再被高速相机采集记录。

进一步地，上述的参考光R与标记光的频率经调制为相同，参考光R的光强是样品光S的光强的70～130倍。

进一步地，上述的原始散斑图像的光强I₁具体表示为：

I_1(i,j)＝|E_u(i,j)|²+|E_R(i,j)|²，

其中，I₁为探测到的原始散斑图像的光强，E_u为未标记光，E_R为参考光，(i，j)

为高速相机的某个像素点；

参考光R与样品光S产生干涉具体表示为：

I_2(i,j)＝|E_u(i,j)|²+|E_t(i,j)|²+|E_R(i,j)|²+2|E_t(i,j)||E_R(i,j)|cosφ_(i,j)，

其中，I₂为加超声波信号后高速相机探测到的光强，(i，j)为高速相机的某个像素点，E_u为未标记光，E_t为标记光，E_R为参考光，φ为标记光和参考光的相位差；

其中2|E_t(i,j)||E_R(i,j)|cosφ_(i,j)为被高速相机采集的干涉项，即UOT信号。

进一步地，上述的步骤S3中计算得到样品的UOT信号std(UOT)的公式为：

其中，I₂为超声散斑图像的光强，I₁为原始散斑图像的光强，(i，j)为高速相机的某个像素点。

本技术方案中还提供一种用于实现上述超声调制光学成像方法的系统，包括激光器、第二偏振分光棱镜、超声探头、第一频率调制器、分束器、高速相机；激光器发射的激光经第二偏振分光棱镜分光得到参考光R和样品光S，样品光S入射样品，参考光R进入第一频率调制器，超声探头对进入样品的光进行调制，之后两束光在分束器中合束，被高速相机采集并处理得到图像。

进一步地，上述的激光器与第二偏振分光棱镜之间还设置有用于调节激光器光强的光强度调节器。

进一步地，上述的第二偏振分光棱镜与光强度调节器之间还设置有用于调节参考光R与样品光S光强比例的第二半波片；第一频率调制器与东二偏振分光棱镜之间还设置有用于调节样品光偏振方向的第三半波片。

进一步地，上述的第一频率调制器与分束器之间还设置有用于激光扩束的透镜组。

进一步地，上述的经超声探头调制后的样品光经凸透镜收集再进入分束器。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明中基于统计分析法，超声调制能够增强散斑图像的散斑波动，通过计算散斑图像的标准差大小判断光子数波动的剧烈程度，从而反映UOT信号的强弱，以反映样品超声聚焦区域的光吸收系数，实现单帧高速成像，其能够更大程度地保留待测样品的信息，成像质量好，分辨率更高且不需要过多的元器件即可实现，成本较低；另外，提供的系统能够提高检测信号的强度，提高信噪比，从而提高系统的检测性能，保证成像质量；并且由于不再关注单个散斑粒子的变动，而是从计算整体的光子数涨落，其属于单次曝光成像，采集时间不受相机帧率的限制，仅与相机曝光时间有光，而现有相机曝光时间低于散斑去相关时间，因此可抵抗散斑去相关的影响，可应用于活体检测。

附图说明

图1是本发明超声调制光学成像方法的流程示意图；

图2是本发明超声调制光学成像方法的光吸收分布图的示意图；

图3是本发明超声调制光学成像系统的光路示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例：

如图1、图2所示为一种超声调制光学成像方法，包括以下步骤：

S1：激光入射到待测样品后被高速相机采集记录，拍摄得到原始散斑图像，并计算原始散斑图像的标准差std₁；

S2：激光入射到待测样品发射激光中，并对待测样品聚焦超声波信号，对激光进行调制，拍摄得到超声散斑图像，并计算超声散斑图像的标准差std₂；

S3：根据标准差std₁与标准差std₂计算得到样品的UOT信号std_UOT；

S4：多次改变聚焦位置，重复步骤S1至步骤S3，得到样品的多个不同位置的UOT信号std_UOT，组合得到样品的光吸收分布图,(参见图2)。

其中，标准差越大，表示光子数的涨落越剧烈。

另外，步骤S4中多次改变聚焦位置为沿着样品进行改变聚焦位置，其改变的次数这里不做限定，本领域技术人员在具体实施过程中可根据情况进行调整。

本实施例中的步骤S1、S2中，激光在入射待测样品前被分光为样品光S与参考光R，样品光S入射到待测样品，经超声波信号调制后出射未标记光和标记光，参考光R与入射待测样品后的样品光S合束形成干涉，再被高速相机采集记录。

本实施例中的参考光R与标记光的频率经调制为相同，以使得参考光R能够与标记光产生稳定干涉。

其中参考光R的光强是样品光S的光强的100倍，这样参考光的强度远大于未标记光的强度，未标记光的强度远大于标记光的强度，可直接检测强度较大的参考光与标记光相乘的干涉项。当然参考光R光强是样品光S光强的100倍仅为一种优选的实施方式，再具体实施过程中，只要参考光R光强远远大于样品光S光强即可，这里不做限定，其优选范围为参考光R的光强是样品光S的光强的70～130倍。

本实施例中的原始散斑图像的光强I₁具体表示为：

I_1(i,j)＝|E_u(i,j)|²+|E_R(i,j)|²，

其中，I₁为探测到的原始散斑图像的光强，E_u为未标记光，E_R为参考光，(i，j)为高速相机的某个像素点；

参考光R与样品光S产生干涉具体表示为：

I_2(i,j)＝|E_u(i,j)|²+|E_t(i,j)|²+|E_R(i,j)|²+2|E_t(i,j)||E_R(i,j)|cosφ_(i,j)，

其中，I₂为加超声波信号后高速相机探测到的光强，(i，j)为高速相机的某个像素点，E_u为未标记光，E_t为标记光，E_R为参考光，φ为标记光和参考光的相位差；

其中2|E_t(i,j)||E_R(i,j)|cosφ_(i,j)为被高速相机采集的干涉项，即UOT信号，这样通过检测具有较大强度的参考光R和标记光相乘的干涉项，可以提高检测信号的强度，从而提高信噪比，提高成像质量。

本实施例中的步骤S3中计算得到样品的UOT信号std(UOT)的公式为：

其中，I₂为超声散斑图像的光强，I₁为原始散斑图像的光强，(i，j)为高速相机的某个像素点。

如图2所示，本实施例中还提供一种超声调制光学成像系统，其可用于实现上述的超声调制光学成像方法，包括激光器Laser、第二偏振分光棱镜PBS2、超声探头UT、第一频率调制器AOM1、第二频率调制器AOM2、分束器BS、高速相机CMOS；激光器Laser发射的激光经第二偏振分光棱镜PBS2分光得到参考光R和样品光S，样品光S经过第二频率调制器AOM2调制后入射待测样品Sa，参考光R进入第一频率调制器AOM1，超声探头UT对进入待测样品Sa的样品光S进行调制，之后两束光在分束器BS中合束，被高速相机CMOS采集并处理得到图像。

其中高速相机CMOS还应连接有数字采集卡及信号处理单元，用于处理数据。

另外超声探头UT可采用水浸式，分束器BS为非偏振相关的分束器；第一频率调制器AOM1和第二频率调制器AOM2采用声光调制器，当然也可采用电光调制器等其他具有改变频率功能的器件。

其中第一频率调制器AOM1、第二频率调制器AOM2与超声探头UT均电连接有功率放大器PA和函数发生器FG，函数发生器发出正弦信号，经功率放大器放大后驱动超声探头UT与第一频率调制器AOM1、第二频率调制器AOM2工作。

另外还可设置相应数目的反光镜(图中的M1、M2、M3)，以改变光路传播方向，使得整个系统结构更加紧凑，此为本领域技术人员熟知的技术内容，这里不再详述。

本实施例中的激光器Laser与第二偏振分光棱镜PBS2之间还设置有用于调节激光器Laser光强的第一光强度调节器。其中光强调节器可由第一半波片HWP1与第一偏振分光棱镜PBS1组成。通过旋转第一半波片HWP1即可调节参考光R与样品光S的光强之比，从而可以使得参考光R的光强远大于样品光S的光强，从而保证检测的强度，保证成像的质量。

本实施例中的第二偏振分光棱镜PBS2与光强度调节器之间还设置有用于调节参考光R与样品光S光强比例的第二半波片HWP2；第一频率调制器AOM1与所述第二偏振分光棱镜PBS2之间还设置有用于调节样品光偏振方向的第三半波片。通过第三波片调节参考光R的偏振方向，使得参考光R与样品光S的偏振方向一致，从而达到最大的干涉状态，使得图像对比度最好。

本实施例中的第一频率调制器AOM1与分束器BS之间还设置有用于激光扩束的透镜组。其中透镜组由一个短焦凸透镜L1和一个长焦凸透镜L2组成，短焦凸透镜L1靠近第一频率调制器AOM1，长焦凸透镜L2靠近分束器BS，这样可将原来为细光束的参考光R扩束为均匀的平面光，从而充满相机和标记光干涉；当然也可以采用其他的光学系统进行扩束，这里不做限定。

本实施例中的经超声探头UT调制后的样品光经凸透镜L3收集再进入分束器BS。其中凸透镜L3的焦距不做限定，在具体实施过程中根据实际情况选择；通过调节凸透镜L3的位置，可以使得出射的样品光聚焦在高速相机CMOS上。

其中，还应设置第一挡光板BB1和第二挡光板BB2，分别用于对第一偏振分光棱镜PBS1、分束器BS中分出多余的光进行遮挡，此为本领域技术人员熟知的技术内容，这里不再详述。

本实施例中系统的工作过程为：

激光器Laser发射频率为f₀的一束激光束，一束激光经过第一偏振分光棱镜PBS1后分为垂直偏振光和水平偏振光，旋转第一半波片HWP1调节激光束的光强至合适，经过调节的激光经过第二半波片HWP2和第二偏振分光棱镜PBS2，被分为参考光R和样品光S，旋转第二半波片HWP2调节参考光R和样品光S的光强比为100:1；样品光S经过第二频率调制器AOM2调制频率至f₀+f_a2，此为未标记光，未标记光进入待测样品Sa中发生散射，部分散射光被超声探头UT调制，将超声探头UT产生的超声频率设置为f_a1-f_a2，因此产生频率为f₀+f_a2+f_a1-f_a2的标记光；参考光R经第一频率调制器AOM1调制频率至f₀+f_a1，因此参考光R与标记光的频率相同，经过调制的参考光R依次经过短焦凸透镜L1和长焦凸透镜L2，扩束成均匀的平面光，与样品光S在分束器BS中形成同轴干涉，最终被高速相机CMOS采集记录并处理，得到相应的UOT信号。

本发明是参照本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图或方框图来描述的，应理解可由计算机程序指令实现流程图或方框图中的每一流程或方框、以及流程图或方框图中的流程或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超声调制光学成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光入射到待测样品后被高速相机采集记录，拍摄得到原始散斑图像，并计算原始散斑图像的标准差std₁；

S2：激光入射到待测样品发射激光中，并对待测样品聚焦超声波信号，对激光进行调制，拍摄得到超声散斑图像，并计算超声散斑图像的标准差std₂；

S3：根据所述标准差std₁与标准差std₂计算得到样品的UOT信号std_UOT；

S4：多次改变聚焦位置，重复步骤S1至步骤S3，得到样品的多个不同位置的UOT信号std_UOT，组合得到样品的光吸收分布图；

所述步骤S1、S2中，所述激光在入射待测样品前被分光为样品光S与参考光R，样品光S入射到待测样品，经所述超声波信号调制后出射未标记光和标记光，参考光R与入射待测样品后的样品光S合束形成干涉，再被高速相机采集记录；

所述参考光R与标记光的频率经调制为相同，所述参考光R的光强是所述样品光S的光强的70～130倍；

所述原始散斑图像的光强I₁具体表示为：

I_1(i,j)＝|E_u(i,j)|²+|E_R(i,j)|²

其中，I₁为探测到的原始散斑图像的光强，E_u为未标记光，E_R为参考光，(i，j)为高速相机的某个像素点；

所述参考光R与样品光S产生干涉具体表示为：

I_2(i,j)＝|E_u(i,j)|²+|E_t(i,j)|²+|E_R(i,j)|²+2|E_t(i,j)||E_R(i,j)|cosφ_(i,j)，

其中，I₂为加超声波信号后高速相机探测到的光强，(i，j)为高速相机的某个像素点，E_u为未标记光，E_t为标记光，E_R为参考光，φ为标记光和参考光的相位差；

其中2|E_t(i,j)||E_R(i,j)|cosφ_(i,j)为被高速相机采集的干涉项，即UOT信号；

步骤S3中所述计算得到样品的UOT信号std_UOT的公式为：

其中，I₂为超声散斑图像的光强，I₁为原始散斑图像的光强，(i，j)为高速相机的某个像素点。

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