漫射介质的光学成像的制作方法

此申请案主张2016年9月13日申请的第15/264,088号美国非临时申请案的优先权，所述案特此以引用方式并入。

本发明大体上涉及成像，且特定来说(但非排他地)，涉及使用红外光的医学成像。

背景技术：

不断上升的医疗保健成本给家庭及企业带来了经济压力，此外还限制了那些能够承担增加成本的人获得医疗保健的机会。一些医学成像模式是医疗费用中的大成本驱动因素，这是因为促进医学成像的系统及装置被估价为数百万美元。由于一些医学成像系统的高价格，替代测试及/或不太准确的医学成像模式是标准护理，即使更昂贵的医学成像系统是更好的诊断工具。在发展中国家，例如mri(磁共振成像)的医学成像系统的高价格由于价格和实体可及性而限制了医学成像的可及性，这是因为医学成像系统的稀疏地理分布也给那些从其受益的人带来了旅行障碍。

附图说明

参考图式描述本发明非限制性及非穷尽性实施例，其中相似元件符号指代贯穿各种视图的相似部件，除非另外指定。

图1说明根据本发明的实施例的包含显示器及图像像素阵列的实例成像系统。

图2说明根据本发明的实施例的包含显示器及图像像素阵列的实例成像系统。

图3说明根据本发明的实施例的与人类头部相关的成像系统的组件的实例放置。

图4a及4b说明根据本发明的实施例的穿戴式成像系统的实例形状因子实施方案。

图5说明根据本发明的实施例的柔性穿戴式成像系统的实例配置。

图6说明根据本发明的实施例的与被戴在头上或戴在头周围的实例穿戴式成像系统通信的联网系统。

图7a到7c说明根据本发明的实施例的定向超声发射器的实例实施例。

图8a到8b说明根据本发明的实施例的用于生成全息红外成像信号的显示器的实例实施例。

图9说明根据本发明的实施例的将全息图案与漫射介质中的位置联系起来的实例过程。

图10说明根据本发明的实施例的包含显示器及图像像素阵列的实例成像系统。

图11说明根据本发明的实施例的将全息图案与漫射介质中的位置联系起来的实例过程。

具体实施方式

本文描述用于漫射介质的光学成像的系统、装置及方法的实施例。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员应认识到，无需运用所述特定细节中的一或多者或运用其它方法、组件、材料等等而实践本文描述的技术。在其它例子中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。

本发明的内容可应用于医学成像，也可应用于其它领域。人类组织对红外光是透明的，尽管人体的不同部分(例如，皮肤、血液、骨骼)展现不同的吸收系数。研究者已尝试将红外光性质用于医学成像目的，但尺寸及成本约束因大规模采用而受到限制。出于成像目的用近红外光照明组织有时称之为漫射光学断层成像。在一种漫射光学断层成像技术中，飞行时间(tof)成像可在理论上通过测量“弹道”光子(非散射的那些光子)穿过组织所花费的时间而采用。因为弹道光子最快地到达传感器，所以其受阻最小(具有最短光学路径)，且因此可得出一些结论来创建由红外光照明的组织的图像。然而，tof成像通常需要专门的硬件(例如，皮秒脉冲激光器及单光子检测器)来促进能够以光速成像的传感器上的超快快门，且所述系统总体上非常昂贵且笨重。tof成像还需要输入大约10到100倍(或比在检测器处使用的光强度更多)的光强度到身体中，因此，功效及功率限制以及输入强度的安全限制限制了tof成像分辨率及效用。与tof成像相比，本发明的实施例利用全息光束将红外光引导到漫射介质(例如，大脑或组织)的体素。光检测器(例如，图像像素阵列)测量所述全息光束的射出信号。所述射出信号是从体素发射及/或传输通过体素的全息光束的红外光。所述光检测器可包含像素阵列，其测量入射在像素上的射出信号的振幅且确定所述射出信号的相位。通过捕获漫射介质中的一体素或体素群组处的射出信号变化的图像(例如，红血细胞中的氧耗、由激活的神经元中的潜在差异引起的散射变化、荧光造影剂及其它光学变化)，随着时间的推移，可记录那个体素或体素群组的变化，因为全息光束的吸收、散射相位随组织的变化而变化。可通过改变显示器上的全息图案以操纵全息光束朝向不同体素或体素群组来对多个体素成像。通过光栅扫描通过许多体素(及记录射出信号)，可构造漫射介质的三维图像。

贯穿此说明书对“一个实施例”或“实施例”的参考意味着与实施例相结合而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿此说明书在多个地方出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合于一或多个实施例中。

贯穿此说明书，使用所属领域的若干术语。这些术语具有其所来自的领域中的其普通含义，除非本文具体定义或其使用的上下文将另外明确暗示。

图1说明根据本发明的实施例的实例成像系统100。成像系统100包含处理逻辑101、显示器110及图像像素阵列170。在图1中，成像系统100还包含定向超声发射器115，其经耦合由处理逻辑101驱动。在图1中，显示器110包含红外发射器105、红外导向器103及显示器像素阵列113。举例来说，显示器像素阵列113可为lcd(液晶显示器)。所述lcd显示器可为有源矩阵(使用薄膜晶体管)或无源矩阵lcd。在一个实施例中，所述lcd显示器具有小于7微米的像素。

在一个实施例中，显示器110是全息显示器。出于本发明的目的，全息显示器包含一显示器，其中所述显示器中的每一像素可独立地调制照明像素的光的相位及强度。像素阵列可利用透射架构(例如，通过液晶调制透射)或反射架构(例如，硅上液晶)。

处理逻辑101可包含处理器、微处理器、处理核心集群、fpga(场可编程门阵列)及/或其它合适的逻辑硬件组合。尽管未说明，但系统100可包含耦合到处理逻辑101的无线收发器。所述无线收发器经配置以无线地发送及接收数据。所述无线收发器可利用任何合适的无线协议，例如蜂窝、wifi、bluetooth^tm或其它。

在图1中，将显示器像素阵列113说明为由红外波前107照明的透射lcd。在说明的实施例中，红外(ir)发射器105经耦合由处理逻辑101的输出x3驱动。当处理逻辑101打开ir发射器105时，红外光传播到ir导向器103中。ir导向器103可为导光板，其类似于常规边缘照明lcd中发现的导光板。ir导向器103可为利用tir(全内反射)的细长棱镜。ir导向器103重新引导红外光朝向显示器像素阵列113。ir导向器103可包含将红外光重新引导朝向ir显示器113的锯齿光栅。在一个实施例中，ir发射器105是发射单色红外光的红外激光二极管。举例来说，单色光可被定义为4nm频带内的光。在一个实施例中，ir发射器105是脉冲式的，且在另一实施例中，是cw(连续波)。ir发射器105发射的红外光可以700到1000nm范围内的频率为中心。在一个实施例中，ir发射器105发射的红外光可以1600到1700nm范围内的频率为中心。在一个实例中，发射器105生成以850nm为中心的单色光。

可操纵红外光束可通过将不同全息图案驱动到显示器110上而由显示器110生成。每一不同全息图案可使红外光在不同方向上转向(聚焦)。红外光束的定向性质受从显示器110的像素发射的红外光的相干及相消干涉影响。举一实例，在不同位置处包含不同“狭缝”的全息图案可生成不同红外光束。“狭缝”可通过将显示器像素阵列113中的所有像素都驱动为“黑色”(不透射)而生成，除了“狭缝”定位在其处的像素被驱动为“白色”(透射)以使红外光传播通过。在一个实施例中，显示器110的像素大小接近照明显示器的光波长。像素大小可为1微米，尽管在一些实施例中，可使用经设定大小为高达光波长的10倍的像素。在一个实例中，如果ir发射器105是850nm激光二极管，显示器110的像素大小就可为850nm。像素大小影响全息图的角展度，这是因为角展度由光栅方程式给定：

sin(θ)＝mλ/d(方程式1)

其中θ是光的角展度，m是整数及衍射级，且d是两个像素的距离(周期)。因此，较小的像素大小通常产生更多设计自由以生成全息光束，尽管比光波长更大的像素大小也可用于生成全息成像信号。显示器像素阵列113可包含方形像素(而非常规rgblcd中的矩形像素)使得光栅方程式可适用于像素阵列的x及y维度中。

在图1中，系统100包含超声发射器115。超声发射器115经配置以将超声信号聚焦到三维空间中的一点。在医学上下文中，超声发射器115经配置以将超声信号聚焦到人体内的一体素。举例来说，所述体素可在大脑、腹部或子宫内。将超声信号聚焦到给定组织体素在体素处产生(临时)局部压缩区。所述局部压缩区又影响红外光传播通过所述局部压缩区。特定来说，红外光相位由于组织的局部压缩而被调制。如下文将更详细论述，局部压缩区处的相位变化可以辅助对组织或其它漫射介质成像的方式测量。在说明的实施例中，处理逻辑101经耦合以驱动定向超声发射器115经由输出x1将超声信号117聚焦到三维空间中的不同位置。举例来说，定向超声发射器115可经驱动以将超声信号聚焦到三维漫射介质130中的体素133。

在图1中，成像模块160经定位以对射出信号143成像。随着红外全息成像信号123传播通过漫射介质130，且其至少一部分传播通过体素133且离开漫射介质130作为射出信号143。射出信号143是传输信号，在于成像模块160正对红外全息成像信号123传输通过体素133进行成像。在其它实施例中，可测量反射传输信号(全息成像信号123从体素133反射)。

成像系统160包含ir发射器155、ir导向器153及图像像素阵列170。ir发射器155经耦合以通过输出x4从处理逻辑101接收激活信号。ir发射器155发射红外光，其共享与由ir发射器105发射的红外光相同的特性。ir发射器105及ir发射器155可为相同发射器。在一个实施例中，代替ir发射器105及ir发射器155具有单独发射器，光纤线将红外光从共享ir发射器引导到ir导向器103及ir导向器153。在此实施例中，当处理逻辑101激活ir发射器时，由ir发射器发射的红外光行进穿过光纤以照明ir导向器103及153两者。ir导向器153重新引导由ir发射器155发射的ir光朝向图像像素阵列170作为参考波前157。与ir导向器153成对的ir发射器155是用于生成参考波前157的参考波前发生器的一个实例。ir导向器153可由透明塑料或玻璃制成使得ir导向器153对遇到ir导向器153的射出信号143透明(或以已知方式扭曲)。ir导向器153可包含衍射光栅，其经调谐以重新引导来自ir发射器153的红外光朝向图像像素阵列170。衍射光栅可经嵌入在ir导向器153的透明材料内使得其重新引导从特定角度(例如，与ir发射器155被定位的相同的角度)接收到但由于射出信号143未以与由ir发射器155发射的ir光相同的角度入射在衍射光栅之上而另外对射出信号143透明(或以已知方式扭曲)的ir光的特定波长。在一个实施例中，ir导向器153包含多数液晶显示器系统中所使用的导光板。

在说明的实施例中，红外滤波器173安置于ir导向器153与图像像素阵列170之间。红外滤波器173传递由ir发射器105及ir发射器155发射的红外光波长且拒绝图像像素阵列170对其敏感的其它光波长。红外滤波器173可为带通滤波器，其具有以由发射器105及155发射的单色ir光的频率为中心的4纳米带宽。尽管未说明，但聚焦透镜可安置于图像像素阵列170与ir导向器153之间。聚焦透镜可经配置以聚焦参考波前157及射出信号143使得参考波前157及射出信号143的干涉图案被良好聚焦在图像像素阵列170的像素上，使得存在足够的分辨率来分析干涉图案。

在一些实施例中，图像像素阵列170可经实施具有a-si(非晶硅)薄膜晶体管，或在一些实施例中，图像像素阵列170可经实施具有cmos(互补金属氧化物半导体)图像传感器。图像像素阵列170可为商业上可用的图像传感器或经优化用于检测信号中的差异(而非信号的最大动态范围)，如例如由k.p.霍夫曼(k.p.hofmann)及d.艾米(d.emeis)的“差分光检测器(differentiallightdetector)”rev.sciinstrum50,2491979中所展示，或在使用适用于检测图案中的位移的处理逻辑101检测全息边缘图案的变化的情况中。

图像像素阵列170的像素分辨率可取决于应用而变化。在一个实施例中，图像像素阵列170是1920像素×1080像素。在一个实施例中，所述图像像素阵列是40百万像素或更多。部分处理可在图像像素阵列本身中完成以在芯片外实现更低带宽连接。图像像素阵列170可通过测量由电子快门确定的给定积分周期期间在每一像素中生成的图像电荷来捕获射出信号143的红外图像。电子快门可为全局快门(其中每一像素测量在相同时间周期期间的入射光)而非滚动快门。电子快门可由处理逻辑101经由输入/输出x5致动。输入/输出x5可包含数字输入/输出线以及数据线。图像像素阵列170通信地耦合到处理逻辑101以将捕获到的红外图像发送到处理逻辑101以进行进一步处理。在一些实施例中，图像像素阵列170可包含本地(板上)数字信号处理器(dsp)，且处理逻辑101可从dsp接收捕获到的红外图像。

除捕获入射红外光的振幅之外，入射红外光的相位可从使用成像模块160记录干涉图案来确定。入射红外光的振幅(强度)通过仅读出图像像素阵列170的像素的每一光电传感器(例如，光电二极管)中积累的图像电荷测量。来自射出信号143的光相位还可通过在图像像素阵列170的像素的积分周期期间激活ir发射器155测量。因为射出信号143是与参考波前157相同的单色波长，所以射出信号143及参考波前157的光干涉指示射出信号143的红外光的相位。通过射出信号143及参考波前157的干涉产生的干涉图案将由图像像素阵列170记录。干涉图案可经分析以确定射出信号143的相位。不同射出信号143的相位及/或振幅可经分析以确定适于对给定体素(例如，体素133)成像的全息图案。

将用于驱动到显示器110上的全息图案与给定体素联系起来的一个实例过程利用定向超声发射器115。为起动将优选全息图案(用于驱动到显示器110上)与漫射介质中的给定体素联系起来的此实例过程，图像像素阵列170可在初始全息图案被驱动到显示器110上时启动两次图像捕获。第一图像捕获通过在图1的定向超声发射器115关闭时测量干涉来自参考波前157的光的来自射出信号143的红外光而测量射出信号143的振幅，且因此捕获在体素133中不具有由超声发射器115诱发的相位变化的射出信号143。射出信号143的相位还可通过分析展示干涉参考波前157的射出信号143的干涉图案的不同像素群组的振幅来确定。第二图像捕获在定向超声发射器115被激活且被聚焦在体素133上时测量参考波前157与射出信号143的干涉。如同第一图像捕获，射出信号143的振幅及相位两者可从第二图像捕获确定。因为超声信号117局部压缩体素133且诱发传播通过体素133的光相位变化，所以第一图像捕获及第二图像捕获将在被驱动到显示器110上的全息图案传播通过体素133时是不同的。当第一图像捕获与第二图像捕获之间的差被最大化(到可接受的程度)时，据说驱动到显示器110上的全息图案可最佳聚焦在体素133上且是优选全息图案且因此与体素联系起来。因此，在计算第一与第二图像捕获与驱动到显示器110上的初始全息图案之间的差异之后，可迭代初始全息图案以确定驱动到显示器110上的第二全息图案是否在第一与第二图像捕获之间产生甚至更大的差异(通过振幅及/或相位测量)。信号123通过经由例如模拟退火驱动显示器110上的不同全息图案而改变以最大化第一图像捕获与第二图像捕获之间的差异。可在寻找第一与第二图像捕获之间的最大变化时多次迭代全息图案。此技术用于创建全息图案(对应于输入信号123)字典(即，查找表)以映射以将光循序地聚焦到每一及每个体素且使得能够一次一个体素地光栅扫描容量。第一及第二图像捕获可连续发生，一个接着一个，以限制图像捕获之间射出信号143中由于漫射介质130中的变化的任何变化。

在图10中说明的系统180中，成像模块160经定位以对射出信号143成像，类似于图1。然而，图10的系统180不包含定向超声发射器115。红外全息成像信号123仍传播通过漫射介质130且离开漫射介质130作为射出信号143。在图10中，将红外全息成像信号123描绘为由漫射介质130散射的光同时仍传播通过所关注体素。图10中说明的信号123及143两者散射的光路径可比出于解释目的说明的图1及2的“干净”光束更现实。

对于系统180，用于将优选全息图案(用于驱动到显示器110上)与一体素或一组给定体素联系起来的过程是不同的，这是因为系统180不包含定向超声发射器115。对于系统180，为起动将优选全息图案与一组给定体素(此组中的两者在10中被描绘为漫射介质130中的体素199及体素198)联系起来的实例过程，图像像素阵列170可在初始全息图案被驱动到显示器110上时启动两次图像捕获。第一图像捕获通过在应用或呈现刺激物197前测量干涉来自参考波前157的光的来自射出信号143的红外光而测量射出信号143的振幅，且因此捕获射出信号143。可单独或通过干涉参考波前157的信号143分析射出信号143的振幅。第二图像捕获测量刺激物197的效果。刺激物197是一体素或一群组加权的体素的内部变化，使得光由那个单个体素或体素群组以不同方式被吸收、相位延迟或散射。在大脑中，此变化可通过向对象展示图像、向对象播放某一音乐、请求对象思考某事或仅等待变化(内部出血、肿瘤生长等)及其它实例来创建。可检测到改变光学信号的血液的变化(缺氧血与含氧血不同地吸收光)，可检测到血量本身及其脉管及血流、脂质、水、脂肪、黑色素中的变化及散射变化，如神经元的直接发射模式中可见。神经元活动的特征在于跨神经元膜的离子及水通量诱发膜电势中的变化，这可通过依据神经元活动在毫秒时间尺度上的光散射中的变化看出。经由注射、注射或其它方式置入的荧光化学物、纳米粒子也可用作信标，包含2光子系统及其中光波长在体素、一或多个所关注区处移位的其它方法。许多刺激物可影响漫射介质内部的光学变化，由刺激物引起的这些变化本身可用作信标以调谐全息图像聚焦到变化区域上。系统可随着时间的推移学习(类似于语音到文本系统的方式训练用户的语音)且随着时间的推移继续更好地生长，从而利用数据集及其它隐含及推断的数据。可将其它现存解剖数据或地图数据添加到此模型以提取更多信息且推断有关所关注位置的更多信息。这项工作利用机器学习、神经网络、深度学习、人工智能等技术。

随着向射出信号143提出刺激物，如同第一图像捕获，射出信号143的振幅及相位两者可从第二图像捕获确定。用针对第二图像捕获应用/呈现的刺激物197，当被驱动到显示器110上的全息图案传播通过受刺激物197影响的多个体素时，第一图像捕获及第二图像捕获将是不同的。当第一图像捕获与第二图像捕获之间的差被最大化(到可接受的程度)时，据说驱动到显示器110上的全息图案可最佳表现递送刺激物197的测量信号且是优选全息图案且因此与给定刺激物联系起来。因此，在计算第一与第二图像捕获与驱动到显示器110上的初始全息图案之间的差异之后，可迭代初始全息图案以确定驱动到显示器110上的第二全息图案是否在第一与第二图像捕获之间产生甚至更大的差异(通过振幅及/或相位测量)。信号123通过经由例如模拟退火驱动显示器110上的不同全息图案而改变以最大化第一图像捕获与第二图像捕获之间的差异。可在寻找第一与第二图像捕获之间的最大变化时多次迭代全息图案。此技术用于创建全息图案(对应于输入信号123)字典(即，查找表)以映射以将光循序地聚焦到每一及每个刺激物197且扫描各种刺激物。

图7a到7c说明超声发射器115的实例配置。在图7a中，定向超声发射器115包含点源超声发射器703及可电控膜713。点源超声发射器703经引导朝向根据来自处理逻辑101的电子输入改变形状的可电控膜713。电改变膜713的透镜状形状导致超声信号707被反射且聚焦到漫射介质730中的所关注区723作为光束717。在一个实施例中，膜包含聚偏二氟乙烯(pvdf)。

在图7b中说明的实施例中，定向超声发射器115包含压电膜733，其将经聚焦超声光束737发射到所关注区747。压电膜733是具有区域阵列及驱动不同区域的不同电子信号的膜。通过选择性地激活压电膜733的不同区域，超声光束737可被聚焦在漫射介质730中的所关注不同点747上。压电膜733可包含聚偏二氟乙烯(pvdf)。

图7c说明定向超声发射器115的额外实施例。在图7c中，定向超声发射器包含两个超声发射器。第一超声发射器包含点源703a及可移动透镜753a。第二超声发射器包含点源703b及可移动透镜753b。第一及第二超声发射器与彼此间隔开。第一超声发射器操纵可移动透镜753a以将具有很小发散的超声波束757a引导到所关注点763。光束757a传播通过所关注点763，但不聚焦在所关注点763上。第二超声发射器操纵可移动透镜753b以将具有很小发散的超声波束757b引导到所关注点763。光束757b传播通过所关注点763，但不聚焦在所关注点763上。光束757a与757b的相交点在所关注点763处产生局部压缩区。

定向超声发射器115可任选地与ir显示器113一起使用以创建扫描查找表，所述扫描查找表将三维漫射介质130中的体素与可被驱动到ir显示器113上的全息图案联系起来。这也可在不使用定向超声发射器115作为信标的情况下实现，而是通过使用如[0033]及[0034]中描述的其它刺激来实现。

图8a到b说明可用作显示器像素阵列113的显示器像素阵列的实例像素的实例侧视图。显示器像素阵列113可包含振幅度调制架构810或相位调制器架构820或两者。振幅调制器810的功能类似于常规lcd(通过调节跨液晶像素的电压来调制振幅以旋转偏振光)，不同之处在于常规lcd中的偏振器用经配置以使ir波前107偏振的偏振器替换，且液晶被调谐以调制红外光。振幅调制器810可单独用于调制信号的振幅且通过例如创建衍射狭缝来创建全息波前123。相位调制器系统820通过以更佳效率创建相同的全息波前123来实现比调制器810更高的光通量。实例光线831及836可为红外波前107的部分。光线831遇到像素811，且光线831的振幅被调制为光线832的振幅。类似地，光线836遇到像素812，且光线836的振幅被调制为光线837的振幅。

替代地，光线831遇到像素821，且光线831的振幅通过像素821调制。像素821包含安置于两个电极(例如，氧化铟锡)之间的液晶888。跨电极的电压改变液晶888的对准，且像素821的折射率根据液晶888的对准而改变。因此，调制折射率缩短或延长通过像素821的光路，这改变了离开像素821的光线833的相位。在一个实施例中，像素821经配置使得跨像素821的电极施加最小电压(例如0v)导致光线831不会相移，而跨电极施加最大电压导致光线831相移359°。因此，跨电极施加最小与最大电压之间的电压提供0°(0弧度)与359°(几乎2π弧度)之间相移光线831的全灰度控制。为了达到此范围，光线831从最小到最大折射率的光学路径长度将需要相差光的几乎一个全波长(以实现359°的相移)。在一个实施例中，与最小折射率的光学路径长度差为850nm，以对应于生成红外波前107的850nm激光二极管。为了适应将光学路径长度改变几乎全波长所需的厚度，相位调制器级820的厚度可比常规lcd更厚。

图8a说明的实施例展示不同的调制控制(例如，跨液晶的电压)被施加到像素811及812，这是因为离开像素812的光线837的振幅小于离开像素811的光线832的振幅。图8b说明的实施例展示光线838的相位相较于光线833的相位调整1π。如上文解释，可通过调整液晶888的对准来调制传播通过相位调制器级820的像素的光线的相位，以改变图8b中的像素的折射率。如说明，像素821及822中的液晶888的对准是不同的。

为了生成漫射介质130的复合图像，可通过图1的成像系统100对漫射介质130的多个体素成像。在对每一体素成像之前，可执行聚焦过程以确定合适的全息图案以对那个体素成像。在图1中，三维漫射介质130具有x维度、y维度及z维度(在页面中)。聚焦过程可具有坐标1,1,1的体素处开始，且在具有坐标q,r,s的体素处结束，其中q、r及s分别是每一维度x、y及z中的体素的数量。每一体素的尺寸可以是任何尺寸。在一个实施例中，每一体素是1cm立方体。在一个实施例中，每一体素是1mm立方体。较小的体素是可能的。

在一个实例聚焦过程中，显示器110通过将第一探测全息图案驱动到显示器110上来生成第一探测红外全息成像信号123。成像模块160捕获第一校准红外图像中的射出信号143。在不同的时间，定向超声发射器115被聚焦在第一体素(例如1,1,1)上，且成像模块160在第二校准红外图像中再次捕获射出信号143。确定第一校准红外图像与第二校准红外图像之间的相位及/或振幅差。如上文描述，可通过分析记录在校准图像的差像素群组中的干涉图案来确定来自射出信号143的光的相位。可简单地从每一像素的图像电荷读数确定射出信号143的振幅。可由处理逻辑101确定相位及/或振幅差且写入到板上存储器处理逻辑101或耦合到处理逻辑101(未说明)的辅助存储器。接着，将差值与第一探测全息图案联系起来。

显示器110生成多个探测红外全息成像信号123(通过将不同探测全息图案驱动到显示器110上)且记录在当定向超声发射器115被聚焦在所关注体素上时与定向超声发射器115未被聚焦在所关注体素上时之间每一探测红外全息成像信号的射出信号143的振幅及/或相位差。在一个实例中，50个探测红外全息成像信号通过50个不同探测全息图案被驱动到显示器110上生成。50个不同全息图案可为随机全息图案，或可为生成使得良好地搜索将遍及漫射介质良好地分布的光束的光束形状的50个经预先确定的全息图案。在记录每一探测红外全息成像信号的振幅及/或相位差之后，选择射出信号143中产生最大振幅及/或相位差的探测全息图案。50个新的探测红外全息成像信号基于选择生成，且迭代地确定某一体素的最优全息成像信号。如上文论述，将超声信号聚焦在体素上创建局部压缩区，其改变传播通过局部压缩区的红外光的相位。在体素处改变相位将影响传播通过体素的红外光的相位。在体素处改变相位还可影响由成像模块160接收到的红外光的振幅，这是因为在体素133处改变相位可导致红外光不同地散射。因此，可假定射出信号143中生成最大相位差(及/或振幅差)的所选择的探测全息图案具有经由所关注体素最佳被引导到图像像素阵列170的光。

50年前，在1966年，美国光学学会在美国光学学会期刊56,4第523页发布了一篇由埃米特利斯(emmettleith)及法学博士阿帕克内克斯(upatnieks)创作的标题为“通过漫射介质的全息图像(holographicimagerythroughdiffusingmedia)”的文章。同年，乔古德曼(joegoodman)等人创作一篇由美国物理学会发布的标题为“通过随机介质的波前重构成像(wavefront-reconstructionimagingthroughrandommedia)”应用物理快报(appliedphysicsletters)8,311到312(1966)的论文。2007年8月15日，美国光学学会在标题为“通过不透明的强散射介质聚焦相干光(focusingcoherentlightthroughopaquestronglyscatteringmedia)”的文章中重新推广了这项工作。在此文章及本段中的上述文章中，作者描述了对波前进行成形以便将波前聚焦在预定义目标上，即使在成形波前在其到预定义目标的路径上遇到散射介质时也是如此。

尽管上下文不同，但红外全息成像信号123可被成形为“聚焦”在成像模块160上，即使其遇到漫射介质130。从显示器110经由体素133到成像模块160的光学路径类似于由“通过不透明强散射介质聚焦相干光(focusingcoherentlightthroughopaquestronglyscatteringmedia)”的作者描述的“散射样本”。本发明中描述的聚焦过程是对由显示器110显示的全息成像信号成形以将全息成像信号聚焦在成像模块160上同时还传播通过特定体素(例如，体素133)的过程。

确定在射出信号143中生成最大相位差的所选择的探测全息图案可为给定体素的聚焦过程的第一阶段。在一个实施例中，聚焦过程的第二阶段包含模拟退火(sa)算法，其包含迭代所选择的探测全息图案以生成微调全息图案，所述微调全息图案在射出信号143中产生甚至比所选择的探测全息图案更大的相位变化(更大相位变化指示甚至更多的红外光经由体素133被聚焦在成像模块160上)。在另一实施例中，第二阶段聚焦过程(使用模拟退火)可在没有第一阶段的情况下单独使用。

如果仅实施聚焦过程的第一阶段，就将体素或体素群组的所选择的探测全息图案与体素或体素群组联系起来。如果仅实施聚焦过程的第二阶段，就将微调全息图案与体素或体素群组联系起来。有关联的全息图案可被存储于查找表中。针对漫射介质130中的每一所关注体素重复聚焦过程。因此，每一体素与那个体素的优选全息图案联系起来，其生成被聚焦在特定体素上的红外全息成像信号，且接着可由成像模块160测量为射出信号143。通过迭代方法，将成像信号123聚焦到体素或体素群组随着时间的推移改善。

处理逻辑101存取查找表，且因此，优选全息图案与漫射介质130中的每一体素联系起来。接着，为对漫射介质130成像，每一体素或体素群组的优选全息图案被驱动到显示器110上且那个体素的射出信号143由成像模块160捕获作为红外图像。那个体素的那个红外图像的变化指示体素或体素群组中的变化。成像系统100通过对每一体素或体素群组成像而循环直到已扫描所关注的每一体素或体素群组。三维复合图像可通过随着时间的推移组合每一个别体素的经成像变化生成。应注意，一旦生成了将每一体素或体素群组与优选全息图案联系起来的查找表，就无需使用定向超声发射器115或训练刺激物来执行漫射介质130的成像。此外，成像模块160不一定需要捕获射出信号143的相位，这是因为射出信号143的逐像素振幅数据可能足以检测体素中的变化。

每一体素的变化的射出信号143可展示随着时间的推移的变化。红血细胞是天然存在的发色团，在于其光学性质对应于红血细胞是否携带氧气。缺氧的红血细胞将展现与富氧红血细胞不同的光学性质。因此，每一体素或体素群组的射出信号143将基于那个体素中的红血细胞中的氧水平而改变。红血细胞中的氧消耗对应于大脑的活跃区域。因此，通过分析射出信号143的变化可知道大脑的活动区域。举例来说，大脑中的活动区域可指示受伤、炎症、生长、特定思想或某人正在回忆的特定图像。举例来说，相邻体素中的射出信号143的大的变化(随着时间的推移)可指示肿瘤生长。另外，如密苏里州圣路易斯市华盛顿大学医学院的亚当t.艾格布雷希特(adamt.eggebrecht)博士展示，检测特定体素中的活动区域可被映射到人所具有的不同动作或想法。艾格布雷希特(eggebrecht)博士及他的共同作者在2014年5月18日的自然光子学(naturephotonics)中标题为“使用漫射光学断层成像映射分布式脑功能及网络(mappingdistributedbrainfunctionandnetworkswithdiffuseopticaltomography)”的文章中使用飞行时间测量光学假发来映射脑功能。此系统可检测其它发色团如脂质、黑色素、水及脂肪的变化，而且可直接检测神经元本身的变化。活跃的神经元通过膜电位的变化(快速转变)或细胞肿胀(缓慢转变)改变其光散射性质。用此系统可经由发色团、散射变化或相位变化检测身体中的其它光学变化。随着荧光染料及颗粒的引入，可通过寻找色移来检测选择性摄取波长位移材料的区域的光学激发。全部这些信标指示符都可与描述的技术一起使用。

图9说明根据本发明的实施例的可由例如成像系统100执行的将全息图案与漫射介质中的位置联系起来的实例过程900。不应将在过程900中出现部分或全部过程框的次序认为是具限制性。实情是，受益于本发明的所属领域的一般技术人员应理解，可以未说明的多种次序或甚至并行执行部分过程框。举例来说，用于过程900的指令可被存储于处理逻辑101中或可由处理逻辑101存取以执行。

在过程框905中，将超声信号(例如，超声信号117)聚焦到漫射介质(例如漫射介质130)中的位置。在过程框910中，多个红外成像信号通过将对应多个全息图案驱动到像素阵列(例如，显示器113)上被引导到漫射介质中。在超声信号被聚焦在所述位置上时将多个红外成像信号引导到漫射介质中。多个红外成像信号(例如，信号123)可由全息显示器(例如显示器110)引导到漫射介质中。

在过程框915中，捕获多个图像。举例来说，图像可由成像模块160捕获。多个图像中的图像中的每一者捕获引导到漫射介质中的多个红外成像信号的对应传输。换句话来说，多个图像中的第一图像将捕获由驱动到像素阵列上的第一全息图案生成的第一红外成像信号的第一传输，多个图像中的第二图像将在第一全息图案被驱动到像素阵列上之后捕获由驱动到像素阵列上的第二全息图案生成的第二红外成像信号的第二传输，以此类推。如上文描述，在超声信号被聚焦在体素上时捕获红外成像信号的传输(例如，射出信号143)允许成像系统100确定哪一全息图案最适于对体素成像。

在过程框920中，通过分析多个图像确定从多个图像选择的图像。多个图像中的每一者具有对应全息图像图案。在一个实施例中，比较多个图像中的每一者的相位分量与在定向超声发射器被取消激活时捕获由对应全息图像图案生成的红外信号的传输的未衰减图像的相位分量。以此方式，可检测当超声信号被聚焦在漫射介质的体素上及未被聚焦在漫射介质的体素上时射出信号143的相位差。过程框920的分析可进一步包含确定多个图像中的所选择的哪一图像具有与在超声信号117未被聚焦在位置上时捕获到的其未衰减图像的最大相位变化。

在过程框925中，生成所选择的图像的全息图案被识别为优选全息图案且将其与位置联系起来。位置及全息图案可被存储于查找表中，使得全息图案可用于在随后时间对有联系的位置成像。

可针对漫射介质中的每一体素重复过程框925直到已将所关注每一体素与可用于生成红外全息成像信号以对体素成像的优选全息图案联系起来。

也可利用不使用超声信号的方法将全息图案与漫射介质的位置联系起来。在一个实施例中，对比增强注射剂或其它信标(例如，探针)用于定义某一体素。发色图案本身也可用作信标。

图11说明根据本发明的实施例的将全息图案与漫射介质中的位置联系起来的实例过程1100。过程1100可由系统180或系统100或200执行，其中定向超声发射器115是任选的，这是因为过程1100无需定向超声发射器115。不应将在过程1100中出现部分或全部过程框的次序认为是具限制性。实情是，受益于本发明的所属领域的一般技术人员应理解，可以未说明的多种次序或甚至并行执行部分过程框。举例来说，用于过程1100的指令可被存储于处理逻辑101/201中或可由处理逻辑101/201存取以执行。

在过程框1105中，多个红外成像信号1101通过将对应多个全息图案驱动到像素阵列(例如，显示器113)上被引导到漫射介质中。多个红外成像信号(例如，信号123)可由全息显示器(例如显示器110)引导到漫射介质中。

在过程框1110中，捕获多个图像1102。举例来说，图像1102可由成像模块160捕获。在过程框1105中，多个图像1102中的图像中的每一者捕获引导到漫射介质中的多个红外成像信号1101的对应传输。换句话来说，多个图像1102中的第一图像将捕获由驱动到像素阵列上的第一全息图案生成的第一红外成像信号的第一传输，多个图像中的第二图像将在第一全息图案被驱动到像素阵列上之后捕获由驱动到像素阵列上的第二全息图案生成的第二红外成像信号的第二传输，以此类推。如上文描述，在刺激物首先不存在且接着存在时捕获红外成像信号的传输(例如，射出信号143)允许成像系统100确定哪一全息图案最适于对通过刺激物改变的体素群组成像。

在过程框1115中，引入刺激物或允许经过一时间周期。在大脑被成像的情况下，刺激物(例如，刺激物197)可为向一人展示图像、向该人播放音乐或请求该人想一个主意或图像。在过程框1120处，多个红外成像信号1101被引导到漫射介质中。在过程框1125中，捕获多个图像1103。在过程框1120中，多个图像1103中的图像中的每一者在应用或呈现过程框115的刺激物时捕获引导到漫射介质中的多个红外成像信号1101的对应传输。

在过程框1130中，比较来自多个图像1102及多个图像1103的对应图像以找出对应图像之间的最大差异。来自多个图像1102及1103的对应图像是在相同全息图案被驱动到显示器上时捕获到的图像。在无刺激物应用于图像1102群组中及在有刺激物应用于图像1103群组中的情况下，多个图像中的每一者具有对应全息图像图案。在一个实施例中，比较来自1103的每一图像的相位分量与在不存在刺激物时捕获由对应全息图像图案生成的红外信号的传输的来自1102的对应未衰减图像的相位分量。以此方式，可在刺激物存在及不存在时检测给定体素的射出信号143的相位差。找出过程框1130的最大差异的分析可进一步包含确定来自1102及1103的对应图像的哪一者具有最大相位变化。

在过程框1135中，在过程框1130中生成最大差异的全息图案被识别为优选全息图案且将其与所关注位置/体素联系起来。位置及全息图案可被存储于查找表中使得全息图案可用于在随后时间对有联系的位置成像。

可针对漫射介质中的每一刺激物重复过程框1130直到已将所关注刺激物与可用于生成红外全息成像信号以对体素成像的优选全息图案联系起来。

图2说明包含集成模块290a的成像系统200，集成模块290a包含图像像素阵列170、滤波器173、ir导向器103、ir发射器105、ir显示器113、ir导向器253及ir发射器155。成像系统200还包含定向超声发射器115及处理逻辑201。成像系统200还可包含在系统100中描述为耦合到处理逻辑201的无线收发器。在集成模块290a的说明的实施例中，滤波器173安置于ir导向器103与图像像素阵列170之间。ir导向器103被安置于ir显示器113与滤波器173之间。ir显示器113被安置于ir导向器253与ir导向器103之间。

成像系统200与成像系统100具有类似之处。ir发射器105由处理逻辑201的输出x3激活。ir导向器103从ir发射器105接收红外光且将所述红外光引导到ir显示器113作为ir波前107以照明ir显示器113。全息图案被驱动到ir显示器113上以生成被引导到体素133的红外全息成像信号223。信号223传播通过体素133且入射在集成模块290b上作为射出信号273。在图2中，集成模块290b可与集成模块290a相同。集成模块290b包含图像像素阵列170，其通过ir显示器113对射出信号273成像。集成模块290b内的ir显示器113的像素的振幅及相位调制(如果存在)可通过处理逻辑201从射出信号273的图像捕获减去以确定射出信号273的实际图像。举例来说，如果集成模块290内的ir显示器113的显示器像素经驱动以将入射红外光的振幅减去一半，那么由显示器像素正后方的图像像素上的射出信号273生成的图像信号将乘以2以恢复射出信号273的原始振幅。在一个实施例中，显示器113与图像像素阵列170的像素尺寸相同。来自射出信号273的光的相位可类似地通过考虑被驱动到显示器113的显示器像素上的相移(如果存在)来恢复。

用于驱动到ir显示器113上以对漫射介质130的不同体素成像的全息图案可类似于过程900或1100那样确定。将ir显示器113与图像像素阵列170集成于集成模块290中针对封装及形状因子原因潜在地是有利的，如将结合图4a及5描述。集成模块290也可为有利的，这是因为集成模块290b可对射出信号273成像同时还生成将经由体素133被发送回到集成模块290a(作为射出信号243)的其自身红外全息成像信号293。在一个实施例中，集成模块290b对射出信号273成像且使用上文描述的技术确定射出信号273的相位及振幅。因为集成模块290a与290b之间的光学路径是可逆的，所以集成模块290b可计算经成像射出信号273的共轭且将共轭全息图案驱动到其自身ir显示器113上以生成经由体素133被引导回到ir显示器113作为射出信号243的其自身红外全息成像信号293。随着红外全息成像信号293在相反方向上传播通过漫射介质130，接着，相位及振幅将匹配驱动到集成模块290a的ir显示器113上的初始全息图案。集成模块290a的图像像素阵列170可测量射出信号243的振幅及相位且比较其与最初被驱动到ir显示器113上的全息图案。接着，可检测射出信号243与驱动到ir显示器113上的全息图案之间的差异且针对体素133内的变化分析所述差异。

尽管在系统100或200进行成像时身体将存在一些移动，但仍可获得有价值的成像信号，这是因为移动相较于成像速度来说相对较慢。举例来说，被成像的组织的移动可来自头部的移动或来自心脏泵血或由于不同血流的静脉扩张和收缩。为帮助成像，可采用艾萨克弗罗因德(issacfreund)1988年标题为“光学波传播通过无序介质的存储器效应(memoryeffectsinpropagationofopticalwavesthroughdisorderedmedia)”(rev.lett61,2328，1988年11月14日发布)的文章中描述的存储器效应原理。另外，可采用大数据分析来将体素图像组织成复合图像。

图3说明根据本发明的实施例的与人类头部相关的成像系统300的组件的实例放置。图3是人类头部305的俯视图。成像系统300包含显示器110a到110d、成像模块160a到160f及定向超声发射器115a及115b。组件110a到110d及160a到160f全都可用模块290替换，模块290可用作显示器110及成像模块160两者。在图3中展示显示器110a到110d及成像模块160a到f，尽管在系统中可使用更多个或更少个显示器及成像模块。图3展示显示器110a可生成多个全息红外成像信号323，其经引导以在射出信号343由不同成像模块160成像时对大脑的不同体素333成像。图3说明显示器110a将红外全息成像信号发送到成像模块160a到f中的每一者。在图3中未说明及未提及所有体素、红外全息成像信号及射出信号以免模糊系统的描述。其它显示器110b到110d也可将红外全息成像信号(未说明)发送到成像模块160a到f中的每一者。科学文献表明红外光进入组织中的穿透深度约为10cm，因此可能需要多个全息显示器110及成像模块160来对整个大脑或其它组织成像。应理解，多个集成模块290也可在策略上围绕头部305放置以对头部305成像。

图4a及4b说明根据本发明的实施例的穿戴式成像系统的实例形状因子实施方案。图4a包含穿戴式成像系统498，其包含四个任选定向超声发射器115、五个集成模块290及处理逻辑401。处理逻辑401可类似于处理逻辑101那样实施。穿戴式成像系统498可包含织物，其具有嵌入到织物中的说明的组件。织物可呈经纱形式，其可缠绕在腹部或其它身体区周围以促进对那些身体区成像。织物在边缘上可具有尼龙搭扣或其它连结机构以帮助维持缠绕在身体区周围。

图4b包含穿戴式成像系统499，其包含两个任选超声发射器、六个显示器110、六个成像模块160及处理逻辑402。处理逻辑402可类似于处理逻辑101那样实施。穿戴式成像系统499可包含织物，其具有嵌入到织物中的说明的组件。织物可呈经纱形式，其可缠绕在腹部或其它身体区周围以促进对那些身体区成像。织物在边缘上可具有尼龙搭扣或其它连结机构以帮助维持缠绕在身体区周围。

图5说明根据本发明的实施例的柔性穿戴式成像系统599的实例配置。成像系统599包含四个任选定向超声发射器、一个单片集成模块290及处理逻辑501。处理逻辑501可类似于处理逻辑101那样实施。穿戴式成像系统599可包含织物，其具有嵌入到织物中的说明的组件。织物可呈经纱形式，其可缠绕在腹部或其它身体区周围以促进对那些身体区成像。织物在边缘上可具有尼龙搭扣或其它连结机构以帮助维持缠绕在身体区周围。成像系统599类似于成像系统498之处在于包含集成模块。集成模块590类似于集成模块290，除集成模块590由柔性组件构建使得集成模块590可为单片的且因此在潜在地制造起来更便宜的一个组件中提供大面积全息显示器及大面积成像模块之外。举例来说，柔性lcd技术用于全息显示器。应理解，未说明成像系统498、499及599的电池、电力调节器及所需的其它组件以免模糊本发明的图。

图6说明根据本发明的实施例的与被戴在头上或戴在头周围的实例穿戴式成像系统通信的联网系统600。系统600包含被戴在用户的头上的滑雪帽穿戴式装置603。系统100、200、300、498、499及/或599可包含于穿戴式装置603中。穿戴式装置603包含到路由器615及/或移动装置612(例如，智能电话或平板计算机)的有线或无线网络连接。举例来说，穿戴式装置603与移动装置612之间的通信通道626可为bluetooth^tm或利用ieee802.11协议的wifi。举例来说，穿戴式装置603与路由器615之间的通信通道627可使用有线以太网连接或利用ieee802.11协议的wifi。移动装置612还可经由通信通道628及通信通道627与穿戴式装置603通信。移动装置612可向用户给出有关由穿戴式装置603执行的成像的一些结果或警告。路由器615还可经由通信通道629将数据从穿戴式装置603路由到计算机611。在一些实施例中，计算机611可用作服务器。举例来说，计算机611可通过穿戴式装置603向医疗专业人员提供对用户大脑的成像的存取。

在一个实施例中，处理密集算法由计算机或服务器611执行。举例来说，上文描述的过程900或1100、图像处理算法及模拟退火算法可由计算机611执行。在此情况中，系统的成像模块可捕获图像且将原始数据发送到计算机611以进行进一步处理。接着，计算机611可将处理的结果报告回到穿戴式装置603以进行本地存储。移动装置612可执行穿戴式装置603的类似“站外”处理。

本发明中描述的技术已经主要在医学成像上下文中进行描述。然而，所述方法、系统及装置的用途并不限于此。在一个实施例中，对大脑的小体素成像用作用于辨别想法的一种方式。不同想法及图像对应于由神经元不同地使用血液(如由艾格布雷希特(eggebrecht)博士及他的共同作者及其他人展示)，这可由本文描述的系统、装置及方法成像。辨别(甚至是退化的)人类想法可用于帮助四肢瘫痪的人及没有完整的肢体功能的其他人。对他们的想法成像可允许将他们的想法翻译成机械动作(例如，驱动轮椅前进或键入话语)。在一个实施方案中，用户回忆(思考)前箭头的图像。成像系统100、200或280对大脑成像且记录已知的与由用户回忆的前箭头联系的体素图案。当成像系统100、200或280对前箭头思维模式成像时，其生成额外动作(例如，向前滚动轮椅或在键盘上键入“向上箭头”)。

在本发明预期的一种用途中，将红外光发送到大脑的特定体素用作一种疗法。在一些癌症治疗中，咽下或注射黏合剂，其中所述黏合剂目标在于选择性地黏合到肿瘤。一旦所述黏合剂黏合到肿瘤，描述的系统就可通过(在逐体素基础上)用红外光选择性地激发黏合剂来激活黏合剂。在本发明预期的另一用途中，描述的系统用于光遗传学领域中-用光疗法改变神经元状态。用光疗法改变神经元状态允许刺激大脑中可能另外需要插入物理光纤探针的区。举例来说，光疗法可用于治疗及研究自闭症、精神分裂症、药物滥用、焦虑及抑郁症。用光疗法改变神经元状态还可允许将图像或其它信息传递给大脑，这对失忆的患者来说尤其有用。

上文解释的过程依据计算机软件及硬件描述。描述的技术可构成在有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储媒体内体现的机器可执行指令，当由机器执行所述机器可执行指令时将导致机器执行描述的操作。另外，所述过程可在硬件内体现，例如专用集成电路(“asic”)或其它。

有形非暂时性机器可读存储媒体包含提供(即，存储)呈可由机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一组一或多个处理器的任何装置的)存取的形式的信息的任何机构。举例来说，机器可读存储媒体包含可录式/非可录式媒体(例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁盘存储媒体、光学存储媒体、快闪存储器装置等)。

本发明的所说明的实施例的上文描述(包含说明书摘要中描述的内容)不希望是详尽的或将本发明限制于所揭示的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本发明的具体实施例及实例，但相关领域的技术人员应认识到，各种修改可能在本发明的范围内。

鉴于上文详细的描述，可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中揭示的具体实施例。实情是，本发明的范围将完全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据建立的权利要求解释的公认原则来解释。