CN116763257A - 一种多像素联合编码的dmd高速皮肤光场调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法。本发明针对传统波前整形技术需要CCD反馈致使活体内难聚焦的弊端，设计基于光声反馈的皮肤光场调控方法，以实现非侵入性的人体皮肤组织内部光聚焦与成像。同时考虑到光场相位调制相对振幅调制效果更为显著，并且重构的光场和目标光场之间具有较高的保真度，拟将DMD超像素的相位调控应用于光声波前整形中，实现利用DMD进行振幅和相位共同调制的光声波前整形，保留DMD的固有优势的同时获得更好的调制效果和更高的增强因子。通过给DMD器件设定光声波信号，对入射光场的波前信息进行高自由度调控，改变入射光场的波前，从而精确地规划光子在皮肤组织中的传播路径，继而赋予皮肤“光学透明化”的属性。
Description
技术领域
本发明属于皮肤光声成像应用领域，具体为一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法。
背景技术
皮肤组织内部的光声显微成像，就如用眼睛直接透视皮肤本身，使人们能够更为细致地了解皮肤组织的构造、研究皮肤内部的工作机制甚至判断皮肤器官是否癌变等等。然而，皮肤组织存在很强的光学散射效应，光束在皮肤组织内传播一定距离后，其方向将完全随机，这几乎扼杀了深层皮肤组织的高分辨率光声显微成像的可能性，除非能通过一种方法将皮肤“光学透明化”，使得光子能够在皮肤组织内部按照预先设定的路径进行传播。
目前较为有效的方法是对散射光场进行光场调控，也称为波前整形法。该方法通过目标位置处的反馈信号，并经过计算机上预设的优化算法处理后，将反馈信息提供给空间光调制器并调整其加载的掩模，对入射光波前的相位或振幅预先进行调制，以补偿散射介质对波前造成的畸变，从而实现光在目标位置处的重新聚焦。然而传统的波前整形技术需要CCD获取的光强作为反馈，具有侵入性和创伤性，致使活体内难聚焦。除此之外，DMD虽然具有大量的调制模式数和高刷新率，但一般都是用作二进制振幅调制器，相比相位调制牺牲了信噪比。因此，寻找一种合适的导星提供反馈，对入射光场的波前信息进行高自由度振幅和相位调控，从而精确地规划光子在皮肤组织中的传播路径，继而赋予皮肤“光学透明化”的属性，是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控系统。
实现本发明目的的技术方案为：一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，具体步骤为：
S1：生成光学传输矩阵来表示皮肤介质对光场作用的真实情况，采用干涉法测得出射光场的振幅和相位信息；
S2：对皮肤组织中光子的传输过程进行离散化处理，建立皮肤组织中光子传输矩阵模型得到入射光场的信息；
S3：使用遗传算法并结合超像素法生成M个超像素掩模，将M个掩模分别加载到DMD上对入射光场进行调控；
S4：通过超声换能器收集皮肤组织内部的吸收体产生的光声波信号的峰-峰值对M个超像素掩模进行排序，判断是否达到设定的迭代次数，如果达到迭代次数，将最大峰峰值对应的超像素掩膜作为最优掩膜，进行步骤S6，否则进行步骤S5；
S5：根据排序结果选择排名高的掩模作为亲本掩模，对亲本掩模进行交叉和变异操作得到新的子代掩模并替换掉排名较低的掩模，返回步骤S4；
S6：将最优掩模加载到DMD上，实现特定位置的光聚焦控制。
优选地，生成光学传输矩阵来表示皮肤介质对光场作用的真实情况，采用干涉法测得出射光场的振幅和相位信息的具体方法为：
生成均值为0，方差为1的N×N高斯分布二维随机矩阵；
将高斯分布二维随机矩阵乘以2π得到一个随机相位角phi，根据cos(phi)+sin(phi)*i生成复高斯随机矩阵R，i为虚数单位；
将复高斯随机矩阵R进行正交归一化获得光学传输矩阵T；
采用干涉法测得第m个输出通道对应的复振幅，如下所示：
其中，an和φn分别表示的是第n个入射光子经皮肤介质作用的振幅和相位，A和θ分别表示的是第m个输出通道的振幅和相位，N表示的是DMD的调制模式总数。
优选地，皮肤组织中光子传输矩阵模型具体为：
其中，和/>分别表示的是第n个入射通道和第m个出射通道的光场，光学传输矩阵T表示的是皮肤介质对光场的实际作用，tmn表示的是传输矩阵中的元素，N表示的是DMD的调制模式总数；
根据光学传输矩阵T和第m个输出通道对应的复振幅，利用皮肤组织中光子传输矩阵模型确定第n个入射通道的光场
优选地，使用遗传算法并结合超像素法生成M个超像素掩模的具体方法为：
设置遗传算法的随机初始种群，总迭代次数、调制模式数N、交叉概率Pc和变异概率Pm，所述随机初始种群包括M个随机二进制掩模，每张二进制掩模包含N个调制模式数且每个模式的取值为0或1；
随机生成M个DMD二进制振幅掩模，将DMD上的微镜分为设定大小的方形区域，将每个方形区域所包含的子像素组合成一个超像素，超像素内的子像素按0～2π均匀分布；
通过开闭不同的子像素组合得到各种不同的复振幅，通过建立查找表表示不同的子像素组合对应的各种不同的复振幅；
利用查找表将输入到DMD上的二进制振幅掩模转换为超像素掩模。
优选地，光声波信号的峰-峰值具体为：
PA＝kΓηthμaF
其中，k表示的是检测灵敏度的常数系数，Γ表示的是将热能转换为压力波的Grueneisen参数，ηth表示的是被吸收的能量转化为热量的部分，μa表示的是光吸收系数，F表示的是局部光通量。
优选地，通过超声换能器收集皮肤组织内部的吸收体产生的光声波信号的峰-峰值对M个超像素掩模进行排序的具体方法为：
按照光声波信号的峰-峰值大小对M个超像素掩模进行排序，并根据排序的结果为每个掩模分配选择概率，排序越高的掩模被选择的概率越大，设置排序第一的个体的选择概率为q,其后排序的第j个个体的选择概率为：
优选地，根据排序结果选择排名高的掩模作为亲本掩模，对亲本掩模进行交叉和变异操作得到新的子代掩模并替换掉排名较低的掩模的具体方法为：
采用轮盘赌选择法，将每个掩模按各自选择概率大小映射到0～l的不同区间内，生成一个0～l的随机数，并通过比较大小来确认该数落在哪个区间范围内，选择概率越大的掩模在轮盘中占据的区间范围越大，被选择的概率越高；
对选择出的亲本掩模进行交叉操作，得到子代掩模；
交叉操作选择均匀交叉，即当生成的0～1的随机数小于交叉概率Pc时执行交叉操作：
C＝S·P1+(1-S)·P2
其中，C表示的是交叉后的子代掩模，S表示的是交叉掩模(0，1二值均匀分布)，P1和P2分别表示的是父代和母代掩模；
对交叉后的子代掩模进行变异操作，得到新的子代掩模，变异概率Pm＝1/N，即随机选取子代掩模中某一位的值取反；
将排序靠后的M/2个掩模全部替换为新的子代掩模，开始下一轮迭代。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明可以利用DMD进行振幅和相位共同调制的光声波前整形，在保留DMD固有优势的同时能够获得更好的调制效果和更高的增强因子，利用光声信号作为反馈，通过对入射光场的波前信息进行高自由度调控，改变入射光场的波前，从而精确地规划光子在皮肤组织中的传播路径，可实现非侵入性的人体皮肤组织内部光聚焦与成像，继而赋予皮肤“光学透明化”的属性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明提供一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控系统的结构示意图；
图2为本发明提供一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法的方法流程图；
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
本发明构思为，如图2所示，一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，用于皮肤光场调控系统，参见图1，所述系统包括：脉冲激光器、DMD、4f系统、聚焦透镜、皮肤介质、超声传感器、计算机。通过本发明的方法，选取最优掩模加载到DMD，利用皮肤光场调控系统实现皮肤光声成像。
一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，具体步骤为：
S1：生成光学传输矩阵来表示皮肤介质对光场作用的真实情况，采用干涉法测得出射光场的振幅和相位信息，具体包括：
生成均值为0，方差为1的N×N高斯分布二维随机矩阵；
将高斯分布二维随机矩阵乘以2π得到一个随机相位角phi，复高斯随机矩阵R根据cos(phi)+sin(phi)*1i生成；
将复高斯随机矩阵R进行正交归一化获得光学传输矩阵T；
下面是基于MATLAB来生成符合条件的光学传输矩阵T：
％首先，生成均值为0，方差为1的N×N高斯分布二维随机矩阵
random＝normrnd(0，l，N，N)；
％其次，生成复高斯随机矩阵R
phi＝pi*2*random；
R＝cos(phi)+sin(phi)*1i：
％最后，将复矩阵进行正交归一化获得符合要求的传输矩阵T
T＝orth(R)；
光学传输矩阵T的列数和行数分别取决于入射光场的调制模式总数和输出光场的总通道数，一般情况下令二者相等方便计算。
采用干涉法测得第m个输出通道对应的复振幅如下所示：
其中，an和φn分别表示的是第n个入射光子经皮肤介质作用的振幅和相位，A和θ分别表示的是第m个输出通道的振幅和相位，N表示的是DMD的调制模式总数。
S2：对皮肤组织中光子的传输过程进行离散化处理，建立皮肤组织中光子传输矩阵模型得到入射光场的信息，具体包括：
皮肤组织中光子传输矩阵模型可用如下公式表征：
其中，和/>分别表示的是第n个入射通道和第m个出射通道的光场，光学传输矩阵T表示的是皮肤介质对光场的实际作用，tmn表示的是传输矩阵中的元素，N表示的是DMD的调制模式总数。
根据光学传输矩阵T和第m个输出通道对应的复振幅，利用皮肤组织中光子传输矩阵模型确定第n个入射通道的光场由此可知，利用DMD和优化算法来寻找特定方式的组合对入射通道的光波矢量进行重组，便可以实现特定位置的光聚焦控制。
S3：使用遗传算法并结合超像素法生成M个超像素掩模，将M个掩模分别加载到DMD上对入射光场进行调控，具体包括：
设置遗传算法的初始参数，包括随机初始种群，总迭代次数、调制模式数N、交叉概率Pc和变异概率Pm，所述随机初始种群包括M个随机二进制掩模，每张二进制掩模包含N个调制模式数且每个模式的取值为0或1，交叉和变异是为了获得新的子代掩模并增加其多样性，避免算法过早收敛；
随机生成M个DMD二进制振幅掩模，将DMD上的微镜分为设定大小的方形区域，将每个方形区域所包含的子像素组合成一个超像素，超像素内的子像素按0～2π均匀分布；
通过开闭不同的子像素组合得到各种不同的复振幅，通过建立查找表表示不同的子像素组合对应的各种不同的复振幅；
利用查找表将输入到DMD上的二进制振幅掩模转换为超像素掩模，将M个掩模分别加载到DMD上对入射光场进行调控。
S4：通过超声换能器收集皮肤组织内部的吸收体产生的光声波信号的峰-峰值对M个超像素掩模进行排序，判断是否达到设定的迭代次数，如果达到迭代次数，将最大峰峰值对应的超像素掩膜作为最优掩膜，进行步骤S6，否则进行步骤S5；
当脉冲激光束照射到吸收体上时，吸收体会吸收入射光的能量，并将其转化为热能，这会造成吸收体被加热位置处发生热膨胀，热弹性膨胀产生一个初始压力上升并可由位于目标外部的超声换能器探测到，这个被探测的信号就叫做光声(PA)信号，PA信号的峰峰值可由如下公式表示：
PA＝kΓηthμaF
其中，k表示的是检测灵敏度的常数系数，Γ表示的是将热能转换为压力波的Grueneisen参数，ηth表示的是被吸收的能量转化为热量的部分，μa表示的是光吸收系数，F表示的是局部光通量。从公式中容易看出，PA信号的峰峰值与光通量成线性关系，所以可以通过位于目标外部的超声换能器探测PA信号，当PA信号峰峰值增大时，代表目标位置处聚焦的光通量相应增大，将PA信号作为波前整形的反馈信号可最大化目标位置处的光强度。
进一步的实施例中，通过超声换能器收集皮肤组织内部的吸收体产生的光声波信号的峰-峰值对M个超像素掩模进行排序的具体方法为：
按照光声波信号的峰-峰值大小对M个超像素掩模进行排序，并根据排序的结果为每个掩模分配选择概率，排序越高的掩模被选择的概率越大。设置排序第一的个体(光声波信号的峰-峰值最大)的选择概率为q,其后排序的第j个个体的选择概率为：
S5:根据排序结果选择排名高的掩模作为亲本掩模，对亲本掩模进行交叉和变异操作得到新的子代掩模并替换掉排名较低的掩模，返回步骤S4，具体包括：
采用轮盘赌选择法，将每个掩模按各自选择概率大小映射到0～l的不同区间内，然后生成一个0～l的随机数，并通过比较大小来确认该数落在哪个区间范围内，选择概率越大的掩模在轮盘中占据的区间范围越大，被选择的概率越高。
对选择出的亲本掩模进行交叉操作，得到子代掩模。交叉操作选择均匀交叉，即当生成的0～1的随机数小于交叉概率Pc时执行交叉操作：
C＝S·P1+(1-S)·P2
其中，C表示的是交叉后的子代掩模，S表示的是交叉掩模(0，1二值均匀分布)，P1和P2分别表示的是父代和母代掩模。
对交叉后的子代掩模进行变异操作，得到新的子代掩模。变异概率Pm＝1/N，即随机选取子代掩模中某一位的值取反。
最后将排序靠后的M/2个掩模全部替换为新的子代掩模，开始下一轮迭代。
S6：将最优掩模加载到DMD上，实现特定位置的光聚焦控制。
正如背景技术部分所述，鉴于传统的波前整形技术需要CCD获取的光强作为反馈，具有侵入性和创伤性，致使活体内难聚焦。除此之外，DMD虽然具有大量的调制模式数和高刷新率，但一般都是用作二进制振幅调制器，相比相位调制牺牲了信噪比。本发明提供了一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，以实现非侵入性的皮肤组织内部光聚焦与成像。同时考虑到光场相位调制相对振幅调制效果更为显著，并且重构的光场和目标光场之间具有较高的保真度，本发明将DMD超像素的相位调控应用于光声波前整形中，实现利用DMD进行振幅和相位共同调制的光声波前整形，保留DMD的固有优势的同时获得更好的调制效果和更高的增强因子。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。
Claims (7)
1.一种多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，其特征在于，具体步骤为：
S1：生成光学传输矩阵来表示皮肤介质对光场作用的真实情况，采用干涉法测得出射光场的振幅和相位信息；
S2：对皮肤组织中光子的传输过程进行离散化处理，建立皮肤组织中光子传输矩阵模型得到入射光场的信息；
S3：使用遗传算法并结合超像素法生成M个超像素掩模，将M个掩模分别加载到DMD上对入射光场进行调控；
S4：通过超声换能器收集皮肤组织内部的吸收体产生的光声波信号的峰-峰值对M个超像素掩模进行排序，判断是否达到设定的迭代次数，如果达到迭代次数，将最大峰峰值对应的超像素掩膜作为最优掩膜，进行步骤S6，否则进行步骤S5；
S5：根据排序结果选择排名高的掩模作为亲本掩模，对亲本掩模进行交叉和变异操作得到新的子代掩模并替换掉排名较低的掩模，返回步骤S4；
S6：将最优掩模加载到DMD上，实现特定位置的光聚焦控制。
2.根据权利要求1所述的多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，其特征在于，生成光学传输矩阵来表示皮肤介质对光场作用的真实情况，采用干涉法测得出射光场的振幅和相位信息的具体方法为：
生成均值为0，方差为1的N×N高斯分布二维随机矩阵；
将高斯分布二维随机矩阵乘以2π得到一个随机相位角phi，根据cos(phi)+sin(phi)*i生成复高斯随机矩阵R，i为虚数单位；
将复高斯随机矩阵R进行正交归一化获得光学传输矩阵T；
采用干涉法测得第m个输出通道对应的复振幅，如下所示：
其中，an和φn分别表示的是第n个入射光子经皮肤介质作用的振幅和相位，A和θ分别表示的是第m个输出通道的振幅和相位，N表示的是DMD的调制模式总数。
3.根据权利要求1所述的多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，其特征在于，皮肤组织中光子传输矩阵模型具体为：
其中，和/>分别表示的是第n个入射通道和第m个出射通道的光场，光学传输矩阵T表示的是皮肤介质对光场的实际作用，tmn表示的是传输矩阵中的元素，N表示的是DMD的调制模式总数；
根据光学传输矩阵T和第m个输出通道对应的复振幅，利用皮肤组织中光子传输矩阵模型确定第n个入射通道的光场
4.根据权利要求1所述的多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，其特征在于，使用遗传算法并结合超像素法生成M个超像素掩模的具体方法为：
设置遗传算法的随机初始种群，总迭代次数、调制模式数N、交叉概率Pc和变异概率Pm，所述随机初始种群包括M个随机二进制掩模，每张二进制掩模包含N个调制模式数且每个模式的取值为0或1；
随机生成M个DMD二进制振幅掩模，将DMD上的微镜分为设定大小的方形区域，将每个方形区域所包含的子像素组合成一个超像素，超像素内的子像素按0～2π均匀分布；
通过开闭不同的子像素组合得到各种不同的复振幅，通过建立查找表表示不同的子像素组合对应的各种不同的复振幅；
利用查找表将输入到DMD上的二进制振幅掩模转换为超像素掩模。
5.根据权利要求1所述的多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，其特征在于，光声波信号的峰-峰值具体为：
PA＝kΓηthμaF
其中，k表示的是检测灵敏度的常数系数，Γ表示的是将热能转换为压力波的Grueneisen参数，ηth表示的是被吸收的能量转化为热量的部分，μa表示的是光吸收系数，F表示的是局部光通量。
6.根据权利要求1所述的多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，其特征在于，通过超声换能器收集皮肤组织内部的吸收体产生的光声波信号的峰-峰值对M个超像素掩模进行排序的具体方法为：
按照光声波信号的峰-峰值大小对M个超像素掩模进行排序，并根据排序的结果为每个掩模分配选择概率，排序越高的掩模被选择的概率越大，设置排序第一的个体的选择概率为q,其后排序的第j个个体的选择概率为：
7.根据权利要求1所述的多像素联合编码的DMD高速皮肤光场调控方法，其特征在于，根据排序结果选择排名高的掩模作为亲本掩模，对亲本掩模进行交叉和变异操作得到新的子代掩模并替换掉排名较低的掩模的具体方法为：
采用轮盘赌选择法，将每个掩模按各自选择概率大小映射到0～l的不同区间内，生成一个0～l的随机数，并通过比较大小来确认该数落在哪个区间范围内，选择概率越大的掩模在轮盘中占据的区间范围越大，被选择的概率越高；
对选择出的亲本掩模进行交叉操作，得到子代掩模；
交叉操作选择均匀交叉，即当生成的0～1的随机数小于交叉概率Pc时执行交叉操作：
C＝S·P1+(1-S)·P2
其中，C表示的是交叉后的子代掩模，S表示的是交叉掩模(0，1二值均匀分布)，P1和P2分别表示的是父代和母代掩模；
对交叉后的子代掩模进行变异操作，得到新的子代掩模，变异概率Pm＝1/N，即随机选取子代掩模中某一位的值取反；
将排序靠后的M/2个掩模全部替换为新的子代掩模，开始下一轮迭代。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310751369.5A CN116763257A (zh) | 2023-06-25 | 2023-06-25 | 一种多像素联合编码的dmd高速皮肤光场调控方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310751369.5A CN116763257A (zh) | 2023-06-25 | 2023-06-25 | 一种多像素联合编码的dmd高速皮肤光场调控方法 |
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| CN116763257A true CN116763257A (zh) | 2023-09-19 |
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Family Applications (1)
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| CN202310751369.5A Pending CN116763257A (zh) | 2023-06-25 | 2023-06-25 | 一种多像素联合编码的dmd高速皮肤光场调控方法 |
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| CN (1) | CN116763257A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117969677A (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 之江实验室 | 基于编码相位成像的声场探测方法、系统、设备、介质 |
-
2023
- 2023-06-25 CN CN202310751369.5A patent/CN116763257A/zh active Pending
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