CN104224127A - 基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法，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。所述的基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法，其成像模块主要分为两大模块：一.扫描采集模块：主要包括：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，滤波片构成。二.数据处理模块：主要包括：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。

Description

基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法

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***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***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。

进一步的，所述的相机阵列，由型号、参数和成像特性相同的N个CMOS相机单元组成，以保证***的成像特性一致，并且通过控制软件控制相机单元的快门时间，来完成不同的曝光时间的图像的采集。

进一步的，通过设定样本平台中步进电机的步进角度，使相机单元之间相对于样本的角度为步进电机步进角度的倍数，使得相机阵列中每个相机单元都能够拍到样本的同一角度的投影图。

进一步的，单个相机单元每次采集图像时曝光时间一定，相机单元之间曝光时间不同，通过对样本同一角度使用不同相机采集，得到同一角度的不同的低动态范围图像，将同一角度的低动态范围图像中不同曝光时间下图像中的最佳区域进行合成，得到该角度的高动态范围图像。

利用上述任一装置的基于相机阵列的光学投影断层成像方法，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高质量重建。相对于现有技术，本发明的有益效果为：

1)本发明由于采用了采集端设置可控曝光时间相机阵列，相对于单个相机采集实现光学投影断层成像技术来说，相同时间内可完成不同曝光时间的低动态范围二维投影图的采集。

2)由于将相机阵列和高动态成像技术相结合，最终三维重建图像细节清晰，杂散光干扰较小能够进一步满足活体实时光学层析成像的要求，更有利于动态在体成像的实现。

附图说明

图1是本发明成像流程图。

图2是传统光学投影断层成像示意图。

图3是本发明结构示意图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图，对依据本发明提出的基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法的结构，方法和特性进行详细描述。但附图仅是本发明的描述提供参考与说明之用，并非是对本发明构成限制。

为实现光学投影断层成像的快速和高动态范围成像，本发明综合相机阵列成像、高动态范围成像和光学投影断层成像，提出了一种基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法，如图3所示。

参照图3，本发明提出的基于相机阵列的光学投影断层成像装置及方法，包括高功率二极管光源阵列30，扩束器31，起偏器32，远心透镜33，样本34，检偏器35，物镜36，CMOS相机阵列37。其中，光源阵列30中，各光源单元发出不同波长的可见光，以保证在同时照射到样本上时不会产生干涉效应。起偏器32的作用在于使得光源发出的光经过起偏器之后成为偏振光，偏振光在投射到生物样本上之后，由于样本生物组织的散射特性，只有直接透射过样本的弹道光能保持起偏角度，部分经过样本散射的光束偏振特性已经改变，经过检偏器35后只有弹道光能够穿过检偏器，其余杂散光被检偏器阻挡。CMOS相机阵列37通过控制***控制其快门速度，不同相机单元快门速度不同，通过控制快门速度控制曝光时间，可以实现样本的高动态范围成像的数据采集。

上述***的成像原理如下：

高功率二极管光源阵列30中不同光源单元各自发出白光，可见光经过扩束器后变得均匀，经过偏振片起偏后变为偏振光，经过远心透镜33后变为均匀平行光束，照射到样本上，可见光经过生物样本的吸收和散射，有一部分光从样本背后透过，其中包括一部分直接透射过样本的透射光，即在样本内部没有受到样本的散射和吸收作用，直接穿过样本的弹道光，另一部分为经过样本多次散射之后，从样本背后照射出来，这一部分杂散光，会严重干扰二维投影图的成像质量，造成二维图中样本轮廓模糊，细节不清，会严重降低最终三维重建的重建效果。由于照明光经过起偏器后成为了偏振光，因此透射过的样本的弹道光偏振角度不会改变，而经过样本散射后的杂散光，偏振特性已经改变，经过检偏器后杂散光会被滤除，只有弹道光得以通过，以此方法抑制杂散光的效果，提高成像质量。之后光束经过物镜成像在CMOS相机阵列37上。通过控制软件控制不同光源所对应的CMOS相机的快门速度来控制曝光时间，在不同时刻不同光源对生物样本同一角度分别进行曝光10ms，20ms，40ms，80ms，120ms,160ms，得到样本每个角度的低动态范围图像。不同曝光时间下，CMOS相机所记录的二维投影图由于样本的吸收异构特性，曝光时间越短，样本通透性较好的部分成像细节越清晰，曝光时间越长，通透性差的部分成像细节越清晰。通过精确计算步进电机旋转步长与相机阵列中相机单元相对于样本的角度的关系，选取步进电机旋转步长以满足样本同一角度能通过旋转被不同相机成像。步进电机每旋转一次，各相机根据各自的曝光时间采集一次数据，因此旋转间隔所需时间必须大于最长曝光时间。在步进电机旋转一周后，相机阵列完成对样本的360度二维投影图采集。依据高动态范围成像方法，在计算机上将样本同一角度不同曝光时间下所采集的二维投影图提取出来，通过利用每个曝光时间相对应最佳细节的低动态范围图像来合成为最终的细节清晰的高动态图像，然后通过计算所得到的高动态二维投影图的旋转中心，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，再反变换到时域进行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。本发明可有效增强重建的样本的成像效果，对于1mm到10mm尺度的生物组织器官以及胚胎的动态在体研究提出了新的道路，能够更好的完成药物疗效评估，基因表达的研究。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.基于相机阵列的光学投影断层成像装置，其特征在于，

所述的基于相机阵列的光学投影断层成像装置，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。

2.根据权利要求1所述的光学投影断层成像装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的光学投影断层成像装置，其特征在于，所述的相机阵列，由型号、参数和成像特性相同的N个CMOS相机单元组成，以保证***的成像特性一致，并且通过控制软件控制相机单元的快门时间，来完成不同的曝光时间的图像的采集。

4.根据权利要求1所述的光学投影断层成像装置，其特征在于，通过设定样本平台中步进电机的步进角度，使相机单元之间相对于样本的角度为步进电机步进角度的倍数，使得相机阵列中每个相机单元都能够拍到样本的同一角度的投影图。

5.根据权利要求1所述的光学投影断层成像装置，其特征在于，单个相机单元每次采集图像时曝光时间一定，相机单元之间曝光时间不同，通过对样本同一角度使用不同相机采集，得到同一角度的不同的低动态范围图像，将同一角度的低动态范围图像中不同曝光时间下图像中的最佳区域进行合成，得到该角度的高动态范围图像。

6.利用上述任一权利要求所述装置的基于相机阵列的光学投影断层成像方法，其特征在于，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高质量重建。