[发明专利]一种基于锁相光子计数和压缩感知的单像素SFDI系统

说明书

本发明涉及一种基于锁相光子计数和压缩感知的单像素SFDI系统，包括多路方波信号发生器、可调制LED激光器、空间光调制器、单像素相机和计算机，可调制LED激光器包括多个不同波长的LED激光器及其电流驱动器，电流驱动器接收多路方波信号发生器产生的相应频率的方波信号，使其工作在相应频率方波调制模式下，使对应波长的激光器输出相应频率的调制激光，其特征在于，各路调制激光通过同轴电缆接入空间光调制器，从同轴光纤输出的光束由扩束器扩束为宽场光，通过空间光调制器产生的具有特定空间频率的调制光源，通过透镜投射到组织体表面，单像素相机包括压缩编码模块和信号采集模块。

技术领域

本发明属于空间频率域成像(Spatial Frequency Domain Imaging,SFDI)技术领域，具体涉及到一种锁相光子计数和压缩感知技术相结合的多波长单像素动态空间频率域成像系统。

技术背景

空间频率域成像是一种快速非接触式大视场的光学成像技术，其采用空间正弦调制光照射生物组织并用探测器捕捉漫反射图像。由于漫反射光信号是入射到组织体表面的空间光与组织体内部分子发生了复杂的相互作用后返回组织体表面的光，因而携带了组织体在特定光源激励下丰富的生理学信息。结合光学传输模型来重构出生物组织的的光学参数，进而可以得到与之关联的生理参数(脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白浓度，以及氧饱和度等)作为疾病诊断和测评的依据，非常适合于皮肤等薄层组织疾病的诊断及治疗监测，近年来受到了广泛关注^[1,2^,3]。

传统SFDI系统一般采用昂贵的EMCCD(Electron-Multiplying Charge-CoupledDevice)作为探测器采集组织体表面的漫反射图像，其采集速度快，分辨率高，但系统昂贵且无法实现多波长下漫反射图像的并行采集。利用SFD成像中采集图像为空间正弦波的特性，基于压缩感知理论^[4]，原始图像信号为稀疏信号，且选取正弦基或余弦基作为正交稀疏基时，采用少量次数的压缩编码测量便能有效的恢复漫反射图像，大大缩短单像素成像所需测量时间。因此在SFD成像中，采用单像素相机采集漫反射图像也可以实现动态测量，在降低系统成本的同时，也为实现多波长并行测量提供了可能。

对于人体检测成像而言，人体生理信息检测的一个突出特点就是待测信号强度微弱。这是因为检测所用的信号源强度必须限制在一个较低水平内，以免对组织体产生损伤和影响。锁相-光子计数技术是一种发展较为成熟的微弱信号检测技术，其将锁相检测技术^[5]的噪声抑制和多通道并行检测能力与光子计数^[6]的超高灵敏度相结合。光子计数测量可以大大降低照明功率，提高系统灵敏度。锁相检测通过对不同波长入射光进行特定时间频率调制，采用对应的锁相解调方法可以从多波长混合信号中分离出每个波长下的微弱光信号。单像素相机摆脱了面阵列成像的限制，可以灵活选择合适的光探测器，通过对不同波长光源进行不同频率的调制，运用锁相-光子计数技术检测并分离弱照明条件下组织体表面不同波长微弱的漫反射光信号，可以实现多波长并行的动态空间频率域成像。

[参考文献]

[1]N.Dognitz et al,“Determination of Tissue Optical Properties bySteady-State Spatial Frequency-Domain Reflectometry”,Lasers Med.Sci.,Vol.13,p.55-65，1998

[2]D.Cuccia et al,“Quantitation and mapping of tissue opticalproperties using modulated imaging”,J.Biomed.Opt.,Vol.14(2),p.024012,2009