[发明专利]基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于成像技术领域，尤其是涉及一种基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法，可用于1mm到10mm的生物组织，器官及胚胎的药物疗效评测及基因表达的等方面的研究

背景技术

光学投影断层成像(OPT)技术利用可见光在小尺寸生物中沿直线传播的特点，发射光束穿透样本得到投影图，进行解剖结构三维成像(透射式OPT)，类似于X光CT。OPT成像技术具有微米级的空间分辨率，1-10mm的成像视野，具有微米级的空间分辨率、无辐射、成本低等特点，为小尺寸生物样本的高分辨率三维成像提供了一种新的有效手段。但是OPT成像仍然存在样本成像细节不清晰，样本散射，无法完成动态在体成像等问题，需要进一步的改进，本发明能够更快的完成数据采集，所采集图像数据细节更加清晰，进一步满足生物样本动态在体成像的要求。在中科院田捷团队自主研发的光学投影断层成像系统中，见郭进，刘侠，董迪，朱守平，杨鑫，田捷.活体光学投影断层成像系统与应用.自动化学报，2013,39(12):2043-2050，虽然实现了针对果蝇蛹等小模式动物的活体三维成像，空间分辨率达到了10um，但是成像细节不够清晰，且只能对于果蝇蛹等小模式动物成像，对于吸收异构的样本成像质量较差，不能满足动态在体成像的要求。

参照图2，传统光学投影断层成像，包括大功率白光发光二极管20，扩束器21，孔径22，远心照明透镜23，样本24，物镜25，CMOS相机26。其成像原理是：由大功率白光发光二极管20发出可见光，照射到扩束器21上，光通过扩束器21和小孔22后变为均匀光斑照射到远心透镜23上，投影到生物样本上。可见光照射到样本24上之后，一部分光被生物样本吸收，散射，一部分透过生物样本。透射光经过物镜25成像在CMOS相机26上，CMOS相机26以一定帧频采集到透射光。生物样本24通过一个夹持器夹持到步进电机上，步进电机以一定步长角度旋转，每旋转一次，CMOS相机就采集一次从样本透射过来的光。最终，步进电机带着生物样本旋转一周，相机完成对生物样本360度全方位拍摄，得到样本的一组二维透射图。将透射图导入到计算机中，通过计算出样本旋转中心后，采用滤波反投影技术(FBP)，首先将二维投影图像变换到频域，通过斜坡函数滤波后，在反变换到时域进行360度的反投影，同时在重建的过程中根据所计算出的旋转中心进行校正，得到生物样本的三维重建图像。

然而，传统光学投影断层成像对生物样本所成的二维透射图像由于生物样本的吸收异构特性和相机的动态范围的限制，对于样本不同厚度的部分成像效果不同，导致重建结果不理想，样本三维图像细节不清晰，甚至有的区域无法成像。

基于此，提供一种光学投影断层成像设备及技术能够解决以上问题就显得尤为必要。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法，能够应用多幅低动态范围图像合成细节清晰的高动态范围图，而且通过控制曝光时间能够完成吸收异构特性的生物样本的成像，且由于使用相机阵列，有效提高了低动态范围图像的采集速率，可以实现生物样本的动态在体成像。利用光源阵列和相机阵列实现对生物体的不同曝光的二维投影图，并通过高动态范围成像技术和滤波反投影算法实现生物样本的三维图像的高质量重建。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

基于相机阵列的光学投影断层成像装置，

所述的基于相机阵列的光学投影断层成像装置，参照图1，其成像模块分为两大模块：

一、扫描采集模块：

包括：1、光源模块：由光源阵列、光学透镜，扩束器和起偏器组成；2、生物样本平台：由步进电机旋转平台，样本夹持装置构成；3、二维投影图采集模块：由显微镜与相机阵列、检偏器构成；

二、数据处理模块：

包括：1、高动态范围图像合成；2、旋转中心位置校正；3、滤波反投影三维重建；

光源阵列放置于光路的起始位置，CMOS相机阵列放置在物镜之后，光源阵列中的光源单元与相关的扩束器单元，起偏器单元，检偏器单元，物镜单元以及相机阵列中的相机单元成一一对应关系，各成像光路互不干扰，以保证不同曝光时间的低动态范围图像的快速采集。

进一步的，所述的光源阵列，由参数和发光特性相同的N个光源单元组成，发光特性相同以保证在成像时同一角度不同曝光时间的低动态范围图像只以曝光时间为单一变量，且各单元发出的光线经过起偏器后偏振角度各不相同，以保证在成像时互不干扰。