基于高光谱的空间频域成像装置及方法与流程

本发明涉及一种生物组织光学特性检测方法及装置，尤其是涉及了一种基于高光谱的空间频域成像装置及方法，用于检测生物组织光学特性参数。

背景技术：

人类研究光的历史可追溯到2000多年以前，光不仅仅是能量和信息的载体，更是一种科学研究的有效工具。通过获取并分析被检测样品的光学特性参数，可以获知其相关属性并依此进行质量评定、分类分级等实际应用。吸收光谱分析技术是常采用的一种典型光学分析手段，如可见/近红外光谱分析技术，此类技术以朗伯比尔吸收定律为基础，没有充分考虑光与生物组织的散射作用及光在组织中的传输过程，但生物组织往往都是复杂且非均匀的高散射介质，因此传统的吸收光谱分析技术在检测与组织结构相关的品质指标时存在不足，亦不能有效阐释光与生物组织的相互作用。因此，获取生物组织的光传输特性参数(如吸收系数、约化散射系数等)是研究生物体光学特性向纵深拓展必须要解决的关键科学问题。

近年来，用于分离吸收与散射的技术在生物医学光子学领域引起了广泛关注。空间分辨光谱(SRS)和时间分辨光谱(TRS)作为新兴的方法，结合多种传统的可见/近红外光谱测量法通过光传播模型来实现吸收信息与散射信息的分离。SRS是通过获得在距离光源不同距离的探测点的漫反射光谱，使用相应的漫射模型来拟合出吸收系数与约化散射系数，TRS是通过脉冲激光照射测量光子的飞行时间，使用相应的漫射模型来拟合出吸收系数与约化散射系数。SRS根据其所使用的仪器不同，又可以分为基于阵列光纤探头的SRS，基于单色成像的SRS，基于高光谱的空间分辨成像(HISR)与空间频域成像(SFDI)。其中，相对于光纤探头的SRS，基于单色成像的SRS其检测区域更大，而HISR与其相比则能够获得更多波长的信息。基于单色成像的SRS与HISR其检测范围受限于点光源的扩散区域，且不能同步检测轮廓高度以减小轮廓对检测结果的影响。SFDI使用空间调制的照明光源照射，在空间频率域内研究样本的光学特性。由于照射光经过调制，所以可以通过改变调制光的空间频率来获得不同深度的样本的光学特性参数信息，其不足之处在于通过滤波片轮选择的检测波长数量有限且调整不便，利用液晶可调滤波器虽能改善这一问题，但若要开展连续波谱分析则仍有缺憾。所以发明一种既可以宽场成像，又有一定层析检测功能且有连续波长信息的生物组织光学特性检测装置是有意义的。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述背景技术中存在的问题，提供一种基于高光谱的空间频域成像装置及方法，通过结合使用空间频域成像技术与高光谱成像技术检测生物组织光学特性参数，可以满足生物样本在可见-近红外连续波长下的光学特性参数宽场检测。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种基于高光谱的空间频域成像装置：

装置包括箱体以及安装箱体内的投影部分、成像部分支架、投影部分支架、成像部分、样品台、第一电动平移台、第二电动平移台、控制器和计算机，箱体内的底部安装有第二电动平移台、样品台和投影部分，样品台上放置样品，第一电动平移台垂直安装在第二电动平移台上，在第一电动平移台上安装有成像部分支架，成像部分支架上安装有成像部分，投影部分支架上安装有投影部分，投影部分的投影设备和成像部分的成像设备均朝向样品；箱体外设有控制器和计算机，投影部分和成像部分均连接到计算机，第一电动平移台和第二电动平移台经控制器和计算机连接。

所述的第一电动平移台和第二电动平移台均可采用电动气缸和滑块组合或者电动机、丝杠和丝杠螺母组合。

所述的第一电动平移台和第二电动平移台与箱体外的控制器通过串口线相连，投影部分、成像部分、控制器分别通过视频线、网线、串口线与箱体外的计算机相连。

所述投影部分包括投影仪、投影部分安装箱和投影偏振片，投影仪安装箱固定安装在投影部分支架顶部，投影仪放置在投影仪安装箱内，投影偏振片安装在投影仪镜头正前方的投影仪安装箱的圆筒内，投影仪的镜头朝向与竖直方向之间的夹角小于5°。

所述成像部分包括可见波段光谱相机、近红外波段光谱相机和两块成像偏振片，两个相机固定安装在成像部分支架顶部，两个相机位于样品正上方并且镜头端朝下，两个相机镜头端的正前方均设有成像偏振片，成像偏振片与投影偏振片的偏振方向相垂直。

本发明的可见波段光谱相机、近红外波段光谱相机和两块成像偏振片构成了高光谱相机。

所述投影仪投射出空间调制的结构光到样品上，通过第一电动平移台切换可见波段光谱相机或近红外波段光谱相机，通过第二电动平移台带动成像部分在样品上方移动，实现对样品表面的扫描成像，获得样品表面的高光谱图像。

空间调制的结构光是指正弦灰度空间结构光。

所述的投影仪安装箱两侧均开有水平的平行长槽，投影部分支架的两侧开有竖直的平行长槽，投影仪安装箱和投影部分支架的平行长槽之间通过螺纹连接。

所述的成像部分支架顶部侧壁开有四个竖直的平行长槽，四个平行长槽用于方便调节可见波段光谱相机与近红外波段光谱相机的安装高度。

二、一种基于高光谱的空间频域成像方法：

空间调制后的结构光照射到被检测样品上产生反射，高光谱相机扫描被检测样品的反射光获得一幅高光谱图像，调整结构光的相位和频率参数进行一系列扫描采集获得连续波长对应的不同高光谱图像，将高光谱图像经图像解调为被检测样品的漫发射图像，再从漫发射图像中提取获得被检测样品在连续波长下的光学特性参数信息(吸收系数μ_a和约化散射系数μ’_s)。

所述被检测样品的漫发射图像采集过程具体为：

1)先用参比白板代替被检测样品放置在样品台上，通过投影仪向参比白板依次投射出不同空间频率的具有正弦灰度图案的结构光，每次投射后通过可见波段光谱相机或者近红外波段光谱相机扫描参比白板采集到参比白板的可见光图像或者近红外图像；

2)将被检测样品放置在样品台上，再通过投影仪向参比白板依次投射出不同空间频率的具有正弦灰度图案的结构光，每次投射后通过可见波段光谱相机或者近红外波段光谱相机扫描被检测样品，采集到被检测样品的可见光图像或者近红外图像；

3)关闭投影仪，通过可见波段光谱相机或者近红外波段光谱相机扫描被检测样品采集暗场图像；

4)选取图像感兴趣区域，根据由参比白板获得的图像对由被检测样品获得的图像进行解调获得被检测样品的漫发射图像。

本发明创新在于将高光谱成像技术进行改进以实现空间频域成像，以投影仪投射的空间结构光取代线光源，通过移动相机实现样本表面的宽场检测，通过空间频率成像技术实现样品光学特性参数在可见近红外连续波长下的检测。

本发明的有益效果是：

本发明的装置将空间频域成像技术与高光谱成像技术相结合，能够实现生物样本在可见-近红外连续波长下的光学特性参数宽场检测(成像区域大)，具有一定的层析检测功能，能够获得连续波长的丰富光谱信息。与已有的空间频域成像技术相比，其波长信息更加丰富，成本更低。

附图说明

图1是本发明装置示意图；

图2是投影部分安装箱102剖面图；

图3是成像部分支架6示意图。

图中：0、箱体，1、投影部分，2、成像部分，3、样品台，4、投影部分支架，5、样品，6、成像部分支架，7、第一电动平移台，8、第二电动平移台，9、控制器，10、计算机，101、投影仪，102、投影部分安装箱，103、投影偏振片，201、可见波段光谱相机，202、近红外波段光谱相机，203、成像偏振片。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括箱体0以及安装箱体内的投影部分1、成像部分支架6、投影部分支架4、成像部分2、样品台3、第一电动平移台7、第二电动平移台8、控制器9和计算机10，箱体0内的底部安装有第二电动平移台8、样品台3和投影部分1，样品台3上放置样品5，第一电动平移台7垂直安装在第二电动平移台8上，在第一电动平移台7上安装有成像部分支架6，成像部分支架6上安装有通过高光谱采集图像的成像部分2，投影部分支架4上安装有投影部分1，投影部分1的投影设备和成像部分2的成像设备均朝向样品5；箱体0外设有控制器9和计算机10，第一电动平移台7和第二电动平移台8与箱体0外的控制器9通过串口线相连，投影部分1、成像部分2、控制器9分别通过视频线、网线、串口线与箱体0外的计算机10相连。

如图1所示，投影部分1包括投影仪101、投影部分安装箱102和投影偏振片103，投影仪安装箱102固定安装在投影部分支架4顶部，投影仪101放置在投影仪安装箱102内，保证投影仪镜头正对投影仪安装箱102的圆筒出口并朝向样品5，投影偏振片103安装在投影仪101镜头正前方的投影仪安装箱102的圆筒内，通过套筒连接螺纹拧紧，投影仪101的镜头朝向与竖直方向之间的夹角小于5°，保证投影图案照射到样品台3上。

如图1所示，成像部分2包括可见波段光谱相机201、近红外波段光谱相机202和两块成像偏振片203，两个相机固定安装在成像部分支架4顶部，两个相机位于样品5正上方并且镜头端朝下，两个相机镜头端的正前方均设有成像偏振片203，两块成像偏振片203固定安装在成像部分支架6两个固定板的通孔处，成像偏振片203与投影偏振片103的偏振方向相垂直，以消除镜面反射光。

投影仪101投射出空间调制的结构光到样品5上，通过第一电动平移台7切换可见波段光谱相机201或近红外波段光谱相机202，通过第二电动平移台8带动成像部分2在样品5上方移动，实现对样品5表面的扫描成像，获得样品5表面的高光谱图像。

如图2所示，投影仪安装箱102两侧均开有水平的平行长槽，投影部分支架4的两侧开有竖直的平行长槽，投影仪安装箱102和投影部分支架4的平行长槽之间通过螺纹连接，以方便地调节投影部分1的安装角度与高度。

如图3所示，成像部分支架6顶部侧壁开有四个竖直的平行长槽，四个平行长槽用于方便调节可见波段光谱相机201与近红外波段光谱相机202的安装高度。

本发明具体实施成像过程是：

1)先用参比白板代替被检测样品放置在样品台3上，通过投影仪101向参比白板依次投射出不同空间频率的具有正弦灰度图案的结构光，每次投射后通过可见波段光谱相机201或者近红外波段光谱相机202扫描参比白板采集到参比白板的可见光图像或者近红外图像；

2)将被检测样品放置在样品台3上，再通过投影仪101向参比白板依次投射出不同空间频率的具有正弦灰度图案的结构光，每次投射后通过可见波段光谱相机201或者近红外波段光谱相机202扫描被检测样品，采集到被检测样品的可见光图像或者近红外图像；

3)关闭投影仪101，通过可见波段光谱相机201或者近红外波段光谱相机202扫描被检测样品采集暗场图像；

4)选取图像感兴趣区域，根据由参比白板获得的图像对由被检测样品获得的图像进行解调获得被检测样品的漫发射图像。

5)再从漫发射图像中提取获得被检测样品在连续波长下的光学特性参数信息，包括吸收系数μ_a和约化散射系数μ’_s。