CN117554288B - 一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统及方法，包括激发光源、样品台、第一透镜组、第一反射镜、第二透镜组、数字微镜器件(DMD)、第二反射镜、第三透镜组、滤光片、相机、信号控制器和计算机。可提供最小达20μs的寿命分辨率。该种成像方法关键部件为DMD，可在时间、空间域上对图像进行调制，实现稀疏采样。相比于其他发光寿命成像系统，不仅结构简单、成像速度快、对相机的帧率要求低、而且无需基于外光电效应的光电转化器件因而适用光谱范围宽，该方法在数十微秒及以上发光寿命成像领域具有极大应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统及方法。
背景技术
发光成像具有信号背景比高、空间分辨率高、无电离辐射、非接触式等优点，因而广泛应用于生物、医学等领域。
发光成像的信息可承载于发光强度、光谱、寿命和偏振等性质上。然而发光强度、光谱、偏振信息往往容易受探针浓度、照明均一性、探针所在环境的散射和吸收特性等因素的影响，相较而言，发光寿命成像更具有检测置信度高、抗干扰等优势。
当前发光寿命成像技术主要可以分为点扫描式和面阵成像式两种。其中面阵成像式由于可以并行获取多点发光寿命信息，因此可以方便加快成像速度。面阵成像方法又可分为时域法、频域法、基于压缩感知法3种，其中压缩感知方法速度最快。然而当前基于压缩感知的成像系统，要求使用面阵的光电转化器件将光子转化为自由电子，或者使用振镜来对图像在时空上进行剪切操作。对光电转化器件的需求限制了该方法在近红外及更长波长领域的应用。而使用振镜的方法目前只能实现激发一次、接收一次信号，成一次像，因此寿命的测量速度受限于相机帧率或振镜转动频率，且当探针发光寿命远短于图像积分时间时，大部分时间都未能用来接收光信号，这导致成像过程的时间域利用率低，这进一步限制了图像亮度。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统及方法，解决当前基于压缩感知的发光寿命成像方法的时间域利用率低、难以用于长波长波段观测等的缺陷，基于时间域和空间域上编码的方法，可以实现高速的调制、降低寿命成像时间；可一帧图像中进行多次的激发-发射，因此时间利用率高；无需将光子转化为自由电子，因此波长适用范围广。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统，该系统包括：激发光源、样品台、第一光路DMD、第二光路相机、信号控制器和计算机：
所述激发光源接收来自所述信号控制器的调制信号，发射出脉冲激发光；
所述样品台上放置了含有发光探针的样品，在激发光照射下产生光致发光，经由第一光路传播成像在DMD上；
DMD上显示着随机的二进制图样，值为1的像素能够反射图像，值为0的像素则将光线作为杂散光偏转掉；DMD接收信号控制器信号，随机二进制图样每隔一定时间变动；
从DMD上反射回来的像经由第二光路汇聚所述相机上；
相机在接收到来自所述信号控制器的触发信号后进行给定时间的积分，然后将图像数据传至所述计算机；
计算机对图像数据进行处理，将一帧图像恢复为具有二维空间和一维时间三个维度的发光强度的数据立方体，最后据重建结果算出图像上各点的发光寿命。
进一步地，所述激发光源选自激光器、LED光源中的一种。
进一步地，所述第一光路包括第一透镜组、第一反射镜、第二透镜组；
第一透镜组收集来自样品的光，并转化成平行光；
第一反射镜将光路偏折90°，让平行光线射入所述第二透镜组的一侧光阑；
第二透镜组将样品的像成在所述DMD上。
进一步地，第二光路包括第二透镜组、第二反射镜、第三透镜组；
第二透镜组收集从DMD上反射回来的像，并从所述第二透镜组的另一侧光阑通过；
第二反射镜将光路再偏折90°，送入所述第三透镜组；
第三透镜组收集由第二反射镜反射过来的光线，并将其汇聚到所述相机上。
进一步地，第一透镜组、第三透镜组为镜头、物镜、透镜中的一种或多种。
进一步地，相机之前的第二光路上安装滤光片，以滤出目标波段的光信号，并消除激发光的影响。
进一步地，所述第二透镜组为镀有目标波段增透膜的体式镜物镜。
进一步地，DMD、第一反射镜和第二反射镜镀有目标波段增反膜。
进一步地，所述相机可为铟镓砷相机、硅基相机、碲镉汞相机、热电堆阵列相机中的一种。
本发明还提供了一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像方法，该方法包括以下步骤：
(1)样品被调制光激发，发射出寿命不等的光信号；
(2)来自样品的光信号经过第一透镜组收集、第一反射镜反射以及第二透镜组汇聚后，成像在所述DMD面上；记所述DMD上像素坐标为(n,m)，其中n,m∈N*；记图像上该像素在kΔt时刻的光强为f0(n,m,k)，其中k∈N，Δt为DMD上二进制图样变换的时间间隔，也即系统寿命分辨率；
(3)所述DMD的图样对图像进行强度编码；记图像上(n,m)像素的编码函数为M(n,m,k)，该函数由事先输入进DMD设备的一序列二进制图像决定；(n,m)像素被编码后的光强记为f1(n,m,k)，则：
f1(n,m,k)＝f0(n,m,k)M(n,m,k)
记由f1(n,m,k)组成的空间-时间数据立方体的尺寸为N,M,K；三个尺寸由图像所占DMD像素尺寸、压缩比确定；
(4)像被DMD上值为1的像素反射后，被第二透镜组收集、第二反射镜反射、第三透镜组汇聚并成像在相机探测面上；
(5)相机在积累一段时间信号后才传输一帧图像，因此相机上单个像素探测到的强度即为经过编码的单点发光衰减曲线的积分；一帧图像积分时间内能够包含多次的激发和发射过程；记经过g个周期重复的激发和发射后，积分得到的光强记为f2(n,m)，则：
由此可设Y＝AX；
其中Y表示由f2(n,m)组成的矩阵，X表示由f0(n,m,k)组成的矩阵，A为从X到Y的变换矩阵；
(6)信号重构时，假设信号X在正交基Ψ上稀疏，有X＝Ψθ；则需要在Y＝AΨθ约束下，求解：
其中，表示重构后的发光强度的空间-时间数据立方体，‖·‖1表示取l1范数；计算得到每个点在停止激发后的光强衰减曲线后，解算出该点的发光寿命。
本发明与现有基于面阵成像式的发光寿命成像技术相比，具有如下的优点：
(1)有效提高采集信号的时间利用率，提高成像速度。由于可以在一帧积分时间内重复多次激发-发射过程，且采一帧图像即可获得完整的寿命曲线，因此本发明成像速度快，突破了相机帧率限制，且单次图像积分过程中采集信号的时间可远远大于探针寿命；
(2)适用于活体发光寿命成像。由于成像速度快、因此本发明对生物的运动导致的图像模糊具有一定抗性；
(3)适用于宏观成像和显微成像。本发明可以搭建为宏观成像系统，用于对大目标成像，也可以搭建为显微镜，用于细微结构的成像。
(4)无需对特殊波段响应的基于外光电效应的光电转化器件，适用光谱范围宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明系统结构图。
具体实施方式
本发明为基于压缩感知的发光寿命成像提供了一种时间域和空间域编码的方法，其信号处理流程如附图1。系统如附图2所示，主要包括激发光源1、样品台4、第一透镜组3、第一反射镜4、第二透镜组5、DMD 6、第二反射镜7、第三透镜组8、滤光片9、相机10、信号控制器11和计算机12：
激发光源1接收来自信号控制器11的调制信号，发射出脉冲激发光。该光源为支持调制的980nm或者808nm激光器，光下降沿和上升样时间远小于DMD 6图样变换的时间间隔；
样品台2上放置了含有Er稀土探针的样品，在激发光照射下产生1525nm附近的光致发光信号，寿命范围1-10ms；
第一透镜组3收集来自样品的光，并转化成平行光；该透镜组可为镜头、物镜、透镜中的一种或多种；
第一反射镜4将光路偏折90°，让光线射入第二透镜组5的一侧光阑；
第二透镜组5将样品的像成在DMD 6面上，此处选用镀有近红外二区增透膜的体式镜物镜；
DMD 6型号为DLP650LNIR(美国德州仪器公司)，其上显示着随机的二进制图样，值为1的像素可以有效反射图像，值为0的像素则将光线作为杂散光偏转掉。随机二进制图样每隔200μs就会变动，因此系统的寿命分辨率为200μs；
第二透镜组5收集从DMD 6上反射回来的被调制的像，并从第二透镜组5的另一侧光阑通过；
第二反射镜7将光路再偏折90°，送入第三透镜组8；
第三透镜组8收集由第二反射镜7反射过来的光线，并将其汇聚到铟镓砷相机10上；
光信号在传播过程中经过1400nm长通滤光片9，以滤出目标波段的光信号，并消除激发光的影响；
相机10在接收到来自信号控制器11的触发信号后进行60ms的积分，然后将图像数据传至计算机12。
信号控制器11输出触发信号给相机10的外触发接口，输出调制信号给激发光源1(间隔15ms，包含5ms激发和10ms收集信号过程)，输出触发信号给DMD 6使其在收集信号阶段每隔200μs变换一次图样，而在激发阶段把所有光信号都当做杂散光偏折掉。
计算机12将对相机10接收到的图像进行处理，具体包括将一帧图像恢复为具有二维空间和一维时间三个维度的发光强度的数据立方体，最后据重建结果算出图像上各点的发光寿命。
本发明的基于压缩感知的发光寿命成像方法，包括以下步骤：
(1)Er稀土发光样品被来自激发光源1的调制光激发5ms，发射出寿命在1-10ms不等的光信号；
(2)来自稀土发光样品的光信号经过第一透镜组3收集、第一反射镜4反射以及第二透镜组5汇聚后，成像在DMD 6面上。为了方便分析，记DMD 6上像素坐标为(n,m)，其中n,m∈N*。进一步可记图像上该像素在kΔt时刻的光强为f0(n,m,k)，其中k∈N，Δt为DMD 6上二进制图样变换的时间间隔，也即系统寿命分辨率。若使用现有的最快刷新速度的DMD，则寿命分辨率可达到20μs。在5ms的激发阶段中，图像保持0值，因此相机不接收光信号，而在10ms的收集信号阶段，DMD显示随机的二进制图样并不断刷新。此处选择美国德州仪器公司的DLP650LNIR型号DMD，其支持近红外波段成像，1bit图像刷新率最高可达12.5kHz，此实施方式选择以200μs的时间间隔刷新图样。
(3)DMD 6的图样对图像进行强度编码。可记图像上(n,m)像素点的编码函数为M(n,m,k)，该函数由事先输入进DMD设备的一序列二进制图像决定。(n,m)像素点被编码后的光强记为f1(n,m,k)，则：
f1(n,m,k)＝f0(n,m,k)M(n,m,k)
记由f1(n,m,k)组成的空间-时间数据立方体的尺寸为N,M,K。三个尺寸可由图像所占DMD 6的像素尺寸、压缩比确定。此处可取N,M,K分别为300，300和50。
(4)像被DMD上值为1的像素反射后，被第二透镜组5收集、第二反射镜7反射、第三透镜组8汇聚、1400长通滤光片9滤光，最终成像在铟镓砷相机10探测面上；
(5)相机10在积累一段时间信号后才传输一帧图像，因此相机10上单个像素探测到的强度即为经过编码的单点发光衰减曲线的积分。相机10单帧图像的积分时间可以设为60ms，远远大于KΔt，即一帧图像积分时间内可以包含多次的激发和发射过程，因此寿命分辨率超过了相机帧率的限制，时间利用率高，且一帧图像可以累积信号到足够亮才读取。记经过g＝4个周期重复的激发和发射后，积分得到的光强记为f2(n,m)，则：
由此可设Y＝AX；
其中Y表示由f2(n,m)组成的矩阵，X表示由f0(n,m,k)组成的矩阵，A为从X到Y的变换矩阵。
(6)信号重构时，假设信号X在正交基Ψ上稀疏，有X＝Ψθ。则需要在Y＝AΨθ约束下，求解：
其中，表示重构后的发光强度的空间-时间数据立方体，‖·‖1表示取l1范数。此处Ψ可为DCT域。结合发光衰减曲线的指数函数特性，优化空间-时间数据立方体的重建算法，可实现快速、高压缩比且高精度的数据压缩-恢复。从/>中可得知每个点在停止激发后的光强衰减曲线后，因而可以解算出该点的发光寿命。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统，其特征在于，该系统包括：激发光源、样品台、第一光路、DMD、第二光路、相机、信号控制器和计算机：
所述激发光源接收来自所述信号控制器的调制信号，发射出脉冲激发光；
所述样品台上放置了含有发光探针的样品，在激发光照射下产生光致发光；
所述第一光路包括第一透镜组、第一反射镜、第二透镜组；
第一透镜组收集来自样品的光，并转化成平行光；
第一反射镜将光路偏折90°，让平行光线射入所述第二透镜组的一侧光阑；
第二透镜组将样品的像成在所述DMD上；
所述第二透镜组为镀有目标波段增透膜的体视显微镜物镜；
DMD上显示着随机的二进制图样，值为1的像素能够反射图像，值为0的像素则将光线作为杂散光偏转掉；DMD接收信号控制器信号，随机二进制图样每隔一定时间变动；
第二光路包括第二透镜组、第二反射镜、第三透镜组；
第二透镜组收集从DMD上反射回来的像，并从所述第二透镜组的另一侧光阑通过；
第二反射镜将光路再偏折90°，送入所述第三透镜组；
第三透镜组收集由第二反射镜反射过来的光线，并将其汇聚到所述相机上；
DMD、第一反射镜和第二反射镜镀有目标波段增反膜；
相机在接收到来自所述信号控制器的触发信号后进行给定时间的积分，然后将图像数据传至所述计算机；
计算机对图像数据进行处理，将一帧图像恢复为具有二维空间和一维时间三个维度的发光强度的数据立方体，最后据重建结果算出图像上各点的发光寿命。
2.根据权利要求1所述的一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统，其特征在于，所述激发光源选自激光器、LED光源中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统，其特征在于，第一透镜组、第三透镜组为镜头、物镜、透镜中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统，其特征在于，相机之前的第二光路上安装滤光片，以滤出目标波段的光信号，并消除激发光的影响。
5.根据权利要求1所述的一种使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像系统，其特征在于，所述相机为铟镓砷相机、硅基相机、碲镉汞相机、热电堆阵列相机中的一种。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述发光寿命成像系统的使用数字微镜器件的基于压缩感知的发光寿命成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）样品被调制光激发，发射出寿命不等的光信号；
（2）来自样品的光信号经过第一透镜组收集、第一反射镜反射以及第二透镜组汇聚后，成像在所述DMD面上；记所述DMD上像素坐标为，其中/>；记图像上该像素在/>时刻的光强为/>，其中/>，/>为DMD上二进制图样变换的时间间隔，也即系统寿命分辨率；
（3）所述DMD的图样对图像进行强度编码；记图像上像素的编码函数为/>，该函数由事先输入进DMD设备的一序列二进制图像决定；/>像素被编码后的光强记为，则：
；
记由组成的空间-时间数据立方体的尺寸为/>；三个尺寸由图像所占DMD像素尺寸、压缩比确定；
（4）像被DMD上值为1的像素反射后，被第二透镜组收集、第二反射镜反射、第三透镜组汇聚并成像在相机探测面上；
（5）相机在积累一段时间信号后才传输一帧图像，因此相机上单个像素探测到的强度即为经过编码的单点发光衰减曲线的积分；一帧图像积分时间内能够包含多次的激发和发射过程；记经过个周期重复的激发和发射后，积分得到的光强记为/>，则：
；
由此可设；
其中表示由/>组成的矩阵，/>表示由/>组成的矩阵，/>为从/>到/>的变换矩阵；
（6）信号重构时，假设信号在正交基/>上稀疏，有/>；则需要在/>约束下，求解：
；
其中，表示重构后的发光强度的空间-时间数据立方体，/>表示取/>范数；计算得到每个点在停止激发后的光强衰减曲线后，解算出该点的发光寿命。
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