CN107121419B - 一种非侵入式成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非侵入式成像方法及装置，该方法包括：将扫描角度矩阵进行分块，从所有矩阵块中随机选取一部分进行采样，对于每一个采样块，同时将N束强度相同、波长相同的激光束入射到散射介质的同一个点，使得荧光物体在每束激光产生的散斑叠加下激发出荧光，并记录总荧光量，依次利用测量矩阵Φ中的每一行的N个元素对N束激光进行衰减最终得到每一个采样块对应的压缩荧光向量；利用重构算法从压缩荧光向量中重构出所有的采样块，然后重构出完整的荧光强度矩阵，从而恢复得到物体的图像。本发明的非侵入式成像方法可以在保证成像质量的前提下，显著地减小数据采集复杂度，实现快速高效的成像。

Description

一种非侵入式成像方法及装置
技术领域
本发明涉及计算成像、生物医学成像、压缩感知、图像重构等技术领域，尤其涉及一种非侵入式成像方法。
背景技术
在医学成像、工业检测等领域，往往需要对诸如生物组织细胞、工业芯片等微小结构进行成像以作为分析诊断和检测的依据；但是由于这些成像介质往往是半透明的散射层，传统的基于几何光学的成像方法不再适用，除非破坏散射层或往散射层内注入辅助成像的物质，但这些手段容易对所观察的物体造成破坏。
近年来，一种基于激光散斑扫描的非侵入式成像方法被提出，它可以在不破坏散射层的前提下得到隐藏在散射层背后的物体的清晰的像。在这种方法中，一束激光射到散射层的固定位置，在散射作用下形成激光散斑并照射在荧光物体所在的平面上；落在荧光物体上的散斑激发出的荧光被反射回散射层且被采集，采集到的荧光光强加起来的和作为激光在该入射角度下的总荧光量；将激光按照扫描角度矩阵中的角度进行逐一扫描，可以得到相应荧光强度矩阵，即荧光强度矩阵中的每一元素值为激光按照扫描角度矩阵中对应元素的角度入射下的总荧光量；最后可以利用相位恢复算法从荧光强度矩阵中恢复出物体的像。
如图1所示，为传统的基于激光散斑扫描的非侵入式成像装置的示意图，包括散射介质10、荧光物体20和相机30，当一束激光40垂直摄入散射介质10 所在的层时，在荧光物体2所在平面(记为u-v平面)形成散斑图样，记为S(u,v)，当激光以与发现成θ角(θ＝(θx,θy))入射时，散斑存在的“记忆效应”使得此时u-v平面上的散斑只是发生平移，而图样基本不发生改变，即此时 S′＝S(u-d1θx,v-d1θy)，从而在荧光采集端的总荧光量为：
I(θ)＝∫∫O(u,v)S(u-d1θx,v-d1θy)dudv＝[O*S](θ)
将入射激光按照扫描矩阵Θ上的角度进行逐一扫描，记录每一个入射角度下的总荧光量，最终形成荧光强度矩阵I。在这种传统的方法中，为了得到较好的成像效果，扫描矩阵的尺寸需要足够大，因此需要激光扫描的总的角度数量巨大，而且由于在实际中荧光信号较弱，需要加大荧光采集装置的曝光时间，最终使得总的成像数据的采集时间十分漫长。由于长时间的激光照射，容易造成被测物品的损害，因此必须要降低扫描复杂度，减少扫描时间。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种非侵入式成像方法，在不影响成像的质量的前提下，大大缩短成像数据的采集时间。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种非侵入式成像方法，包括以下步骤：
A1：将扫描角度矩阵进行分块形成多个矩阵块，其中每个所述矩阵块的大小为p×q；
A2：从步骤A1中所有的所述矩阵块中随机选出部分所述矩阵块来进行采样；
A3：对于步骤A2选出的每一个采样的所述矩阵块，同时将N＝p·q束强度相同、波长相同的激光束入射到散射介质的同一入射点，每束所述激光束的入射角度为采样块中对应元素的扫描角度；
A4：生成尺寸为M×N的压缩感知的测量矩阵Φ，其中M＜N；
A5：对于i＝1、2、……、M，按照所述测量矩阵Φ的第i行的N个分量依次对N束激光束进行光强的调制，记录下此时被观察物体所激发出的总荧光量yi，遍历所有的行后，得到压缩荧光向量y；
A6：重复步骤A3至A5，对所有采样的所述矩阵块进行采集得到各个采样的矩阵块相对应的压缩荧光向量y；
A7：对于每一个采样的所述矩阵块，通过压缩感知重构算法从其相对应的压缩荧光向量y和测量矩阵Φ中重构出完整的荧光向量
Figure GDA0002288159840000021
并将重构出的完整的荧光向量
Figure GDA0002288159840000031
还原为荧光强度矩阵中对应位置的块Iblock，将所有采样的所述矩阵块作同样处理，得到不完整的荧光强度矩
Figure GDA0002288159840000032
其
A8：通过不完整的荧光强度矩阵
Figure GDA0002288159840000033
重构得到完整的荧光强度矩阵I；
A9：根据完整的荧光强度矩阵I恢复得到物体的图像。
优选地，步骤A1中，p、q的取值为以下三种情况中的任意一种：p＝3，q＝4 或者p＝q＝3或者p＝q＝4。
优选地，步骤A2具体为从步骤A1中所有的所述矩阵块中随机选出ρ％的所述矩阵块来进行采样，其中ρ的取值为60～75。
优选地，步骤A4具体包括：首先生成尺寸为M×N的高斯随机矩阵，其中的每个元素为独立高斯分布的随机变量，均值为0，方差为1/M；然后将所述高斯随机矩阵归一化为0到1上的数的矩阵，形成压缩感知的测量矩阵Φ。
优选地，步骤A5中对N束激光束进行光强的调制具体采用衰减片或者空间光调制器进行调制。
优选地，步骤A7具体包括：对于每一个采样的矩阵块，通过下式基于范数最小化的压缩感知重构算法可以从其压缩荧光向量y和测量矩阵Φ中重构出完整的荧光列向量
Figure GDA0002288159840000034
Figure GDA0002288159840000035
其中，
Figure GDA0002288159840000036
为事先训练的针对非侵入式激光扫描成像的稀疏字典；
然后将
Figure GDA0002288159840000037
还原为荧光强度矩阵中对应位置的块Iblock，待所有采样的矩阵块处理完毕后，得到不完整的荧光强度矩阵
Figure GDA0002288159840000038
优选地，步骤A8具体包括：通过求解基于全变分范数正则化的重构模型将不完整的荧光强度矩阵
Figure GDA0002288159840000039
重构得到完整的荧光强度矩阵I：
Figure GDA00022881598400000310
其中，Ω为属于采样的矩阵块的所有元素的索引集合，全变分范数定义为：
Figure GDA00022881598400000311
本发明还公开了一种非侵入式成像装置，包括散射介质和荧光物体、以及多个独立光源、第一4F***和第二4F***，第一4F***包括第一振镜和第一透镜组，第二4F***包括第二振镜和第二透镜组，其中：
多个所述独立光源射出的激光束的光线入射至所述第一振镜的同一个点上，多条光线通过所述第一振镜反射至所述第一透镜组，再经所述第一透镜组入射至所述第二振镜的同一个点上；多条光线再次通过所述第二振镜反射至所述第二透镜组，最后再经所述第二透镜组入射至所述散射介质上的同一入射点上；所述第一振镜和所述第二振镜分别能够绕各自的旋转轴旋转。
优选地，所述非侵入式成像装置还包括光强调制器，所述光强调制器设置在多个所述独立光源与所述第一振镜之间，以调节多个所述独立光源射出的激光束的光强。
优选地，所述非侵入式成像装置还包括光强采集器，所述光强采集器用于采集所述散射介质上的入射点处的光强。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的非侵入式成像方法及装置，可以在保证成像质量的前提下，显著地减小数据采集复杂度，大大缩短成像数据的采集时间，从而实现快速高效的成像。
附图说明
图1是传统的基于激光散斑扫描的非侵入式成像装置示意图；
图2是本发明优选实施例的非侵入式成像方法的流程示意图；
图3是本发明优选实施例的基于压缩感知光源调制的非侵入式成像***的光路图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明的优选实施例公开了一种非侵入式成像方法，包括以下步骤：
A1：将扫描角度矩阵进行分块形成多个矩阵块，每个矩阵块的大小为p×q；
其中，扫描角度矩阵即为根据传统方法需要扫描的角度组成的矩阵，在一些实施例中，p、q的取值为以下三种情况中的任意一种：p＝3，q＝4或者p＝q＝3或者p＝q＝4。
A2：从步骤A1中所有的矩阵块中随机选出部分矩阵块来进行采样；
具体地，从步骤A1中所有矩阵块中随机选出ρ％的矩阵块来进行采样，其中在一些实施例中，ρ的取值为60～75；此时，不仅达到显著减小数据采集复杂度的效果，同时仍然能够不影响成像质量。
A3：对于步骤A2选出的每一个采样的矩阵块，同时将N＝p·q束强度相同、波长相同的激光束入射到散射介质的同一入射点，每束激光束的入射角度为采样块中对应元素的扫描角度；
具体地，N＝p·q束激光束是分别来自同型号独立光源的；更换采样的矩阵块时，可以通过振镜扫描***编程控制每束激光的入射角度，同时保证在散射介质上的入射点不变，从而实现以所有入射激光束作为整体光源的角度扫描。
A4：生成尺寸为M×N(M＜N)的压缩感知的测量矩阵Φ；
具体地，生成尺寸为M×N(M＜N)的高斯随机矩阵，其中每个元素为独立高斯分布的随机变量，均值为0，方差为1/M；然后将其归一化为0到1上的数的矩阵，以此为压缩感知测量矩阵Φ。
A5：对于i＝1、2、……、M，按照测量矩阵Φ的第i行的N个分量依次对N 束激光束进行光强的调制，记录下此时被观察物体所激发出的总荧光量yi，遍历所有的行后，得到压缩荧光向量y；
其中，对N束激光束进行光强的调制，具体为采用衰减片或者空间光调制器等原件根据测量矩阵Φ的数值，对激光束的光强进行相应的衰减；例如元素1 表示完全透过，元素0表示完全阻拦，元素0.5表示阻挡50％的光强等；
记录下此时被观察物体所激发出的总荧光量yi，具体为：设定第j(j＝1、2、…、 N)束激光束单独入射时的总荧光量为ξj，由于激光束是来自不同光源的，它们在物体平面上的散斑发生光强叠加，所以此时被观察物体所激发出的总荧光量
Figure GDA0002288159840000051
遍历所有的行后，得到压缩荧光总量y＝Φξ。
A6：重复步骤A3至A5，对所有采样的矩阵块进行采集得到各个采样的矩阵块相对应的压缩荧光向量y；
A7：对于每一个采样的矩阵块，通过压缩感知重构算法从其相对应的压缩荧光向量y和测量矩阵Φ中重构出完整的荧光向量
Figure GDA0002288159840000061
并将重构出的完整的荧光向量
Figure GDA0002288159840000062
还原为荧光强度矩阵中对应位置的块Iblock，将所有采样的矩阵块作同样处理，得到不完整的荧光强度矩阵
Figure GDA0002288159840000063
具体地，对于每一个采样的矩阵块，通过下式基于范数最小化的压缩感知重构算法可以从其压缩荧光向量y和测量矩阵Φ中重构出完整的荧光列向量
Figure GDA0002288159840000064
Figure GDA0002288159840000065
其中，
Figure GDA0002288159840000066
为事先训练的针对非侵入式激光扫描成像的稀疏字典；
然后将
Figure GDA0002288159840000067
还原为荧光强度矩阵中对应位置的块Iblock，待所有采样的矩阵块处理完毕后，得到不完整的荧光强度矩阵
Figure GDA0002288159840000068
A8：通过求解基于全变分(TV)范数正则化的重构模型将不完整的荧光强度矩阵
Figure GDA0002288159840000069
重构得到完整的荧光强度矩阵I：
Figure GDA00022881598400000610
其中，Ω为属于采样的矩阵块的所有元素的索引集合，全变分范数可以定义为：
Figure GDA00022881598400000611
A9：根据完整的荧光强度矩阵I，恢复得到物体的图像；
其中，可以通过相位恢复算法将完整的荧光强度矩阵I恢复得到物体的图像。
具体地，可以采用如下步骤：
1)计算荧光强度矩阵的自相关为：I I＝(O*S)(O*S)＝(O O)*(S S)；由于散斑的自相关为尖峰函数，故有I I≈O O；其中，I为Integrated Intensity (总光强)，O为Object(待成像物体)，S为Speckle(激光散斑)，*为卷积符号 (Convolution)，★互相关符号(Correlation)；
2)对自相关做傅里叶变换可得
Figure GDA0002288159840000071
3)利用Hybrid Input-Output算法(混合输入输出算法)即可从
Figure GDA0002288159840000072
以及 O的非负性等先验条件中恢复出O。
本发明优选实施例的非侵入式成像方法，只需随机选出ρ％的矩阵块来进行采样，对于每个矩阵块(含N个元素)，使用压缩感知的方法，原本需要采集N 个荧光量的，采用本方法只需要采集M个荧光量，也就是说效率为M/N，这样总体上的数据采集效率为(ρM/N)％；在更具体的实施例中，对于p＝q＝4时，此时N＝pq＝16，此时M可以取值为5～7，ρ取值为65～75，此时总体效率最低可以为24％左右，也就是减少了约76％的复杂度；对于p＝q＝3时，此时N＝pq＝9，此时M可以取值为4～6，ρ取值为60～70，此时总体效率也同样是大大降低。
本发明的非侵入式成像方法，首先将扫描角度矩阵进行分块，从所有矩阵块中随机选取一部分进行采样，对于每一个采样块，同时将N束分别来自同型号独立光源的强度相同、波长相同的激光束，分别经过衰减后入射到散射介质的同一个点，使得荧光物体在每束激光产生的散斑叠加下激发出荧光，并记录下总荧光量，依次利用压缩感知测量矩阵Φ中的每一行的N个元素对N束激光进行衰减最终得到每一个采样块对应的压缩荧光向量；利用重构算法从压缩荧光向量中重构出所有的采样块，然后利用基于全变分范数正则化的重构模型即可重构出完整的荧光强度矩阵，从而恢复得到物体的图像。本发明的非侵入式成像方法可以在保证成像质量的前提下，显著地减小数据采集复杂度，实现快速高效的成像。
如图3所示，是本发明优选实施例还公开了一种基于压缩感知光源调制的非侵入式成像***，包括散射介质10和荧光物体20，还包括多个独立光源50、第一4F***和第二4F***，第一4F***包括第一振镜61和第一透镜组62，第二4F***包括第二振镜71和第二透镜组72，其中多个独立光源50射出的激光束的光线入射至第一振镜61的同一个点上，多条光线第一振镜61反射至第一透镜组62，再经第一透镜组62入射至第二振镜71的同一个点上；多条光线再次通过第二振镜71反射至第二透镜组72，最后再经第二透镜组72入射至散射介质10上的同一入射点上；第一振镜61和第二振镜71分别能够绕各自的旋转轴旋转；在本实施例中，第一振镜61能够绕水平轴转动，第二振镜71能够绕垂直轴转动。在进一步的实施例中，该***还包括光强调制器80和光强采集器90，光强调制器80设置在多个独立光源50与第一振镜61之间，以调节多个独立光源50射出的激光束的光强，光强采集器90则用于采集散射介质10上的入射点处的光强。该非侵入式成像***通过多束来自同一型号不同独立光源50的激光分别经过光强调制后经过两组4F***(由绕水平轴旋转和绕垂直轴旋转的振镜以及两个透镜组组成)后入射到散射介质上的同一入射点，其中振镜的作用是改变入射激光的入射角度，而两个透镜组的作用是保证入射光的入射位置不变，即所有入射的激光束都绕着同一固定入射点进行旋转；从而可以通过该非侵入式成像装置来实现前述的非侵入式成像方法。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种非侵入式成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1：将扫描角度矩阵进行分块形成多个矩阵块，其中每个所述矩阵块的大小为p×q；
A2：从步骤A1中所有的所述矩阵块中随机选出部分所述矩阵块来进行采样；
A3：对于步骤A2选出的每一个采样的所述矩阵块，同时将N＝p·q束强度相同、波长相同的激光束入射到散射介质的同一入射点，每束所述激光束的入射角度为采样块中对应元素的扫描角度；
A4：生成尺寸为M×N的压缩感知的测量矩阵Φ，其中M＜N；
A5：对于i＝1、2、……、M，按照所述测量矩阵Φ的第i行的N个分量依次对N束激光束进行光强的调制，记录下此时被观察物体所激发出的总荧光量yi，遍历所有的行后，得到压缩荧光向量y；
A6：重复步骤A3至A5，对所有采样的所述矩阵块进行采集得到各个采样的矩阵块相对应的压缩荧光向量y；
A7：对于每一个采样的所述矩阵块，通过压缩感知重构算法从其相对应的压缩荧光向量y和测量矩阵Φ中重构出完整的荧光向量
Figure FDA0002288159830000011
并将重构出的完整的荧光向量
Figure FDA0002288159830000012
还原为荧光强度矩阵中对应位置的块Iblock，将所有采样的所述矩阵块作同样处理，得到不完整的荧光强度矩阵
Figure FDA0002288159830000013
A8：通过不完整的荧光强度矩阵
Figure FDA0002288159830000014
重构得到完整的荧光强度矩阵I；
A9：根据完整的荧光强度矩阵I恢复得到物体的图像。
2.根据权利要求1所述的非侵入式成像方法，其特征在于，步骤A1中，p、q的取值为以下三种情况中的任意一种：p＝3，q＝4或者p＝q＝3或者p＝q＝4。
3.根据权利要求1所述的非侵入式成像方法，其特征在于，步骤A2具体为从步骤A1中所有的所述矩阵块中随机选出ρ％的所述矩阵块来进行采样，其中ρ的取值为60～75。
4.根据权利要求1所述的非侵入式成像方法，其特征在于，步骤A4具体包括：首先生成尺寸为M×N的高斯随机矩阵，其中的每个元素为独立高斯分布的随机变量，均值为0，方差为1/M；然后将所述高斯随机矩阵归一化为0到1上的数的矩阵，形成压缩感知的测量矩阵Φ。
5.根据权利要求1所述的非侵入式成像方法，其特征在于，步骤A5中对N束激光束进行光强的调制具体采用衰减片或者空间光调制器进行调制。
6.根据权利要求1所述的非侵入式成像方法，其特征在于，步骤A7具体包括：对于每一个采样的矩阵块，通过下式基于范数最小化的压缩感知重构算法可以从其压缩荧光向量y和测量矩阵Φ中重构出完整的荧光列向量
Figure FDA0002288159830000021
Figure FDA0002288159830000022
其中，
Figure FDA0002288159830000023
为事先训练的针对非侵入式激光扫描成像的稀疏字典；
然后将
Figure FDA0002288159830000024
还原为荧光强度矩阵中对应位置的块Iblock，待所有采样的矩阵块处理完毕后，得到不完整的荧光强度矩阵
Figure FDA0002288159830000025
7.根据权利要求1所述的非侵入式成像方法，其特征在于，步骤A8具体包括：通过求解基于全变分范数正则化的重构模型将不完整的荧光强度矩阵
Figure FDA0002288159830000026
重构得到完整的荧光强度矩阵I：
Figure FDA0002288159830000027
其中，Ω为属于采样的矩阵块的所有元素的索引集合，全变分范数定义为：
Figure FDA0002288159830000028
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