一种基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法与流程

本发明涉及计算成像、生物医学成像、图像重建等
技术领域：
，尤其涉及一种基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法。
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。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。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示意图，包括半透明散射层1、荧光物体2、半透明散射层3和滤光片4。当一束激光垂直射入散射层时，在荧光物体所在平面(记为u-v平面)形成散斑图样，记为S(u,v)。当激光以与法线成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角度矩阵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，然后利用相位恢复算法从所述荧光强度矩阵恢复得到所述荧光物体的图像。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。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明提出一种基于随机采样与低秩重构的非侵入式激光扫描成像方法，能够显著减少扫描过程所需时间，同时保持较高的成像质量。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明公开了一种基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法，包括以下步骤：S1：生成元素仅包含0和1的随机矩阵Φ，其中随机矩阵Φ的尺寸与荧光强度矩阵I以及对应的扫描角度矩阵Θ的尺寸相同；S2：通过激光扫描随机矩阵Φ中值为1的元素对应的扫描角度矩阵Θ上的角度，收集随机矩阵Φ中值为1的元素对应的荧光强度矩阵I上的荧光强度，得到不完整的荧光强度矩阵其中ο符号表示对应元素相乘；S3：通过求解如下低秩约束下的重构模型，以求出完整的荧光强度矩阵I＝U；I=argminU{TV(U)+η·ΣPk∈Δ(w(Pk)·||Pk||*)}]]>s.t.Ui,j=I^i,j,∀(i,j)∈Ω]]>其中，TV为总变差函数，Pk为p×p的矩阵块，w(Pk)为矩阵块Pk对应的权重函数，||·||*为核范数，η为正则参数，Δ为待求矩阵U的所有矩阵块Pk的集合，Ω为采集了的元素的索引的集合；S4：从步骤S3中重构出的完整的荧光强度矩阵中恢复出物体的像。优选地，步骤S1中随机矩阵Φ中的元素1所占比例为20％以上。优选地，步骤S2中采用振镜扫描系统来进行激光扫描。优选地，步骤S3中的矩阵块Pk对应的权重函数w(Pk)根据下式进行取值：w(Pk)=ξk2,ξk>λ0,ξk≤λ]]>其中，ξk为矩阵块Pk中采集了的元素的个数，λ为阈值。优选地，其中阈值λ＝0.2·p2。优选地，步骤S4中具体包括：采用相位恢复算法从步骤S3中重构出的完整的荧光强度矩阵中恢复出物体的像。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法，利用随机采样与低秩重构的方法，通过随机采样得到不完整的荧光强度矩阵，然后通过带有低秩约束与总变差约束的重构算法重建荧光强度矩阵，并最终经过相位恢复得到物体的像；通过本发明的方法，大大缩短成像数据的采集时间，同时还能够保持较高的成像质量。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基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法的流程示意图。图3是通过本发明优选实施例的基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法进行成像的效果示意图。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，本发明优选实施例公开一种基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法，包括以下步骤：S1：生成元素仅包含0和1的随机矩阵Φ，其中随机矩阵Φ的尺寸与荧光强度矩阵I以及对应的扫描角度矩阵Θ的尺寸相同；其中，随机矩阵Φ中元素1所占比例为ρ，则该方法所耗时间仅为传统方法的ρ×100％；随机矩阵Φ的概率分布、元素1所占的比例可以根据实际成像效果而定，在较优选的实施例中，ρ≥0.2。S2：通过激光扫描随机矩阵Φ中值为1的元素对应的扫描角度矩阵Θ上的角度，收集随机矩阵Φ中值为1的元素对应的荧光强度矩阵I上的荧光强度，得到不完整的荧光强度矩阵其中ο符号表示对应元素相乘；其中，在步骤S1生成的随机矩阵Φ的指导下对完整荧光强度矩阵进行随机采用，即仅采集随机矩阵Φ中值为1的元素Φi,j对应的荧光强度Ii,j；激光扫描装置采用散斑扫描成像的装置，其中可以采用传统的基于程序控制的振镜扫描系统，然后控制系统仅扫描指定的角度而跳过不需要采集的角度；也可以采用直接控制激光光源转动。S3：通过求解如下低秩约束下的重构模型，以求出完整的荧光强度矩阵I＝U；I=argminU{TV(U)+η·ΣPk∈Δ(w(Pk)·||Pk||*)}]]>s.t.Ui,j=I^i,j,∀(i,j)∈Ω]]>其中，TV(TotalVariation)为总变差函数，Pk为p×p的矩阵块，w(Pk)为矩阵块Pk对应的权重函数，||·||*为核范数，η为正则参数，Δ为待求矩阵U的所有矩阵块Pk的集合，Ω为采集了的元素的索引的集合；表示优化式取最小值时的U，s.t.是subjectto的缩写，意为约束条件。其中，该重构模型的约束条件属于保真项，意在使重构的荧光强度矩阵尽可能接近所采集的不完整荧光强度矩阵；目标函数中，总变差函数和带加权的矩阵块的核范数的和为正则项，意在使所重构的矩阵每一个局部矩阵块都是平滑和局部低秩的，正则参数η用来调控两个正则项的比重，使最终的重构的结构达到最优。另外，重构模型因不同的矩阵块中已知荧光强度的元素的所占比例不同而赋予不同矩阵块不同的权重，具体实现时可根据重构效果择优选择权重函数。具体实现时，矩阵块Pk对应的权重函数w(Pk)根据下式进行取值：w(Pk)=ξk2,ξk>λ0,ξk≤λ]]>其中，ξk为矩阵块Pk中采集了的元素的个数，λ为阈值，可以设定为0.2·p2，即矩阵块总元素个数的五分之一，实际的权重函数与阈值的选择应根据实际重构效果而定。S4：从步骤S3中重构出的完整的荧光强度矩阵中恢复出物体的像。具体地，采用相位恢复算法从步骤S3中重构出的完整的荧光强度矩阵中恢复出物体的像，进一步可以采用以下步骤：1)计算荧光强度矩阵的自相关II＝(O*S)(O*S)＝(OO)*(SS)，由于散斑的自相关为尖峰函数，故有II≈OO；其中，I为IntegratedIntensity(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(3)利用Hybrid-Input-Output算法(混合输入输出算法)即可从以及的O非负性等先验条件中恢复出O。如图3所示，是通过本发明的基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法进行成像的效果示意图，图3中最左侧一列为传统的全部都采集的方法得到的像，其余各列为采用本发明的方法所得到的像，其中从右至左的采样率ρ分别为0.1、0.15、0.2、0.25，也即成像数据所需的采集时间仅为传统的0.1倍、0.15倍、0.2倍和0.25倍，即大大缩短成像数据的采集时间；而且从图中可以看出，通过本发明的方法所得的图像保持较高的成像质量，尤其在ρ＝0.2以及ρ＝0.25时，对成像质量几乎没有影响。即在应用本发明时，ρ≥0.2时，大大缩短了扫描过程所需时间，同时还不影响成像质量。本发明的基于随机采样的非侵入式激光扫描成像方法，利用随机采样与低秩重构的方法，通过随机采样得到不完整的荧光强度矩阵，然后通过带有低秩约束与总变差约束的重构算法重建荧光强度矩阵，并最终经过相位恢复得到物体的像；通过本发明的方法，大大缩短成像数据的采集时间，同时还能够保持较高的成像质量。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。当前第1页1 2 3