一种基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统的制作方法

本发明属于光学三维成像技术领域，尤其涉及一种基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：拉曼断层成像技术可获取三维体积内的化学成分及其空间分布信息。作为一种漫射光学三维成像技术，拉曼断层成像的三维重建具有严重的病态性。通常可通过获取更多、更全面的数据来减少三维重建问题的病态性。目前，拉曼断层成像技术的数据收集方式可归结为三大类：第一类称为“单点激发-单点探测”的方式；采用一周光纤围绕成像体，成像时使激光器发出的激光入射到其中一束光纤，然后选择其他的某根光纤将拉曼散射信号投射到探测器上。在数据收集方式下，为了获得更多的数据量，需要通过旋转样本或者变换激发光纤和收集光纤的位置来改变激发点和收集点的位置，获得样本不同位置出射的拉曼散射信号，但是不断改变激发点和收集点的位置获取数据会消耗大量的时间。第二类称为“单点激发-多点探测”的方式。这种方式采用一根激发光纤传导激光，然后利用一组收集光纤以不同角度围绕在样本周围，光纤排列成线性阵列，将拉曼散射信号投射到探测器上。利用这种方式收集数据，可以收集样本在同一个激发点下多个角度的拉曼散射信号；然而，数据量仍不足以满足断层成像三维重建需求，需要变化激发光束所在光纤获取不同的激发点位置；这种情况下，需要改变激发光通道和收集光通道来增大数据量，同样地，收集数据会消耗大量时间。第三类称为“多点激发-多点探测”的方式。这种方式采用并行探测的方式收集数据，多根收集光纤排成阵列将拉曼散射信号投射到探测器上；前端同样采用多根光纤传导激发光束，使其入射到样本上。这种方式的优点在于能够提供所测体积内很大动态范围的信息，但多根光纤携带激光束同时照射样本，在探测光纤端并不能区分收集的拉曼散射信号来自于哪个激发点，而是所有激发点的叠加信号。这种情况下收集拉曼散射信号，需要从和信号中区分拉曼散射信号来自于哪个激发点并将其分解，因此不能增大采集的数据量。综上所述，为了增大数据采集量，改善拉曼断层成像技术三维重建的图像质量，已有三种数据收集方式均需要变换激发点位置、分时或并行获取样本表面出射的拉曼散射信号，这就造成需要花费大量时间，从而影响了拉曼断层成像技术的成像速度。另一方面，拉曼散射截面很小，因此样本发射的拉曼散射光强度很弱。已有拉曼断层成像系统中均采用ccd相机或电子增强ccd相机作为探测器收集样本出射的拉曼散射光信号。由于单点pmt比ccd相机具有更高的信号放大倍数和检测灵敏度，因此采用单点pmt代替ccd相机有可能提供更好的检测灵敏度。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有的单点激发-单点探测的方式为了获得更多的数据量，需要通过旋转样本或者变换激发光纤和收集光纤的位置来改变激发点和收集点的位置，获得样本不同位置出射的拉曼散射信号。

(2)现有的单点激发-多点探测的方式数据量仍不足以满足断层成像三维重建需求，需要变化激发光束所在光纤获取不同的激发点位置；这种情况下，需要改变激发光通道和收集光通道来增大数据量。

(3)现有多点激发-多点探测的方式在探测光纤端并不能区分收集的拉曼散射信号来自于哪个激发点，而是所有激发点的叠加信号，不能增大采集的数据量。

解决上述技术问题的难度和意义：

难度：如何改善现有拉曼断层成像技术中的数据收集速度，以及提高拉曼断层成像系统的成像灵敏度。

意义：采用基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统，可以增大拉曼散射信号数据量的同时，极大地加快成像速度；同时，高灵敏度单点探测器的使用，可提高系统的检测灵敏度，可以实现快速、高灵敏度地拉曼断层成像。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统。

本发明是这样实现的，一种基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统，所述基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统包括：

激发源模块，用于将激发光分成多束；

成像体控制模块，用于调整样本位置以及固定样本，处于成像视野的位置；

信号收集模块，样本被激发后发射拉曼散射光，经过滤波单元去除瑞利散射光，经过大数值孔径收集透镜收集聚焦后由高灵敏度单点微弱信号探测器接收，将光信号转化为电信号后，传输至控制与计算模块进行存储和后续处理；

控制与计算模块，用于控制多束激发光束产生单元、频率调制单元、成像体控制模块、空间编码单元和高灵敏度单点微弱信号探测器；计算机处理单元包括基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像图像恢复方法，用于设计频率调制方式、空间编码模式以及对采集的序列拉曼散射光信号进行图像恢复。

进一步，所述激发源模块的频率调制单元对照射到样本不同位置的多束激发光束进行不同的频率调制；频率调制单元包括空间光调制器，用于对多束激光束进行光强度的频率调制，确保照射到样本不同位置的激光束强度具有不同的调制频率，则样本中激发的拉曼散射光携带有不同的调制频率。

进一步，所述信号收集模块包括空间编码单元，滤波单元、大数值孔径透镜、高灵敏度单点微弱信号探测器。

进一步，所述控制与计算模块包括计算机控制单元和计算机处理单元；

计算机控制单元包括图像采集卡，用于控制多束激发光束产生单元、频率调制单元、成像体控制模块、空间编码单元和高灵敏度单点微弱信号探测器；

计算机处理单元包括基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像图像恢复方法，用于设计频率调制方式、空间编码模式以及对采集的序列拉曼散射光信号进行图像恢复。

进一步，所述激发源模块包括连续波激光器、分光镜；

所述分光镜一端连接于激光器一端。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统的基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像图像恢复方法，所述基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像图像恢复方法包括以下步骤：

步骤一，输出并传输光源；连续波激光器发射的激光经分光镜分为多束激发光，并传输到频率调制单元；

步骤二，设计频率调制模式、激发拉曼散射光；设计空间光调制器的编码模式，使空间光调制器每个像元通过的光具有不同的强度调制频率，且随着时间的流逝，空间光调制器的编码模式不同；

步骤三，设计空间编码模式；拉曼散射光经漫射传输到样本表面，设计空间编码的模式，使样本表面不同位置的拉曼散射光带上不同的位置信息，通过变换空间编码模式，高灵敏度单点微弱信号探测器收集多个序列数据；

步骤四，收集并存储信号；利用信号收集模块采集单点序列数据，并传递到控制与计算模块进行存储和后续处理；

步骤五，建立空间编码和频率调制模型；利用空间编码的物理过程，建立空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵s，建立高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列r与待恢复样本表面拉曼图像d之间的数学关系式；

步骤六，恢复图像；基于稀疏正则化策略建立目标函数，采用优化方法对不同激发点对应的样本表面拉曼图像进行恢复。

进一步，所述步骤二的空间光调制器每个像元的调制频率由单点采集时间和待恢复图像像素个数按如下原则确定：

(1)由单点采集时间t确定最高调制频率fmax，

(2)由待恢复图像像素个数n确定时间序列采集点数，

(3)由时间序列采集点数n确定最低调制频率fmin，

(4)由最高调制频率、最低调制频率和待恢复图像像素个数n，确定调制频率分辨率以及每个像元的调制频率。

进一步，所述步骤五建立高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列r与待恢复样本表面拉曼图像d之间的数学关系式：

r＝sd；

其中，空间编码矩阵s、高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列与待恢复样本表面拉曼图像d之间的数学关系式；构造方法包括：

步骤一，经过频率调制的激光束与样本内拉曼信号发射源相互作用产生拉曼散射光，经漫射传输到样本表面，记为待恢复样本表面拉曼图像；将待恢复样本表面拉曼图像标记为二维矩阵形式，并按照规律转换为列向量d；

步骤二，设计空间编码的模式，使样本表面不同位置的拉曼散射光信号带上独特的位置信息；将空间编码模式以权重标记为二维矩阵形式，并按照规律转换为行向量s；

步骤三，建立高灵敏度单点微弱信号探测器信号强度与空间编码模式、样本表面拉曼图像之间的数学关系式：

式中，j表示第j个空间编码模式，m表示待恢复样本表面拉曼图像的像素点个数；

步骤四，按照一定规律改变空间编码模式，s向量发生变化；空间编码模式共变化m次，有：

步骤五，建立高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列与待恢复样本表面拉曼图像之间的数学关系式：

r＝sd；

式中，r为空间编码模式变化m次对应的高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列；s称为空间编码矩阵，其中每一行代表一种编码模式；d表示样本表面拉曼图像序列；

进一步，所述步骤二对多束激光频率调制方法包括：

步骤一，将第i个激发点对应的待恢复样本表面拉曼图像记录为二维矩阵，并按照规律转换为列向量xi，激发点的数量记为n；

步骤二，将样本表面拉曼图像标记为二维矩阵形式，并按照规律转换为列向量d，列向量d中的每个像素点是所有激发点产生的拉曼散射信号的线性组合；

步骤三，设计空间光调制器每个像元的调制频率，随着时间流逝，空间光调制器形成的编码模式发生变化，从而导致频率调制编码矩阵发生变化，有：

步骤四，建立固定激发点对应的待恢复样本拉曼散射图像与样本表面出射总拉曼图像之间的数学关系式：

d＝wx；

式中，x表示固定激发点对应的待恢复样本拉曼散射图像；

步骤五，建立高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列与待恢复的不同激发点对应的样本表面拉曼图像之间的数学关系：

r＝swx；

记为y＝ax，其中y＝r，a＝sw。

进一步，所述步骤六恢复图像目标函数为：

minarg||y-ax||2+β|x|1；

其中，β是正则化因子。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像图像恢复方法的光学三维成像系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：成像速度快，采用频率调制方式，可以多束激发光同时照射样本，并能准确区分开收集的信号来自于哪个激发点。由于采用频率调制和空间编码的方式，成像的数据量的要求为已有方法的一半，即成像速度至少可以提高一倍；系统灵敏度高，由于采用了高灵敏度单点探测器，同时结合空间编码方式，可以通过单点探测方式获取样本表面的出射拉曼图像。emccd的增益可达10^4倍，而单点微弱信号探测器可以达到更高的增益，例如pmt的增益可达10^6以上，即对信号的放大倍数pmt约是emccd的100倍；灵敏度可以用输入信号与输出信号的比值表示，即使用单点pmt的灵敏度约可以提高100倍，所以本发明系统具有更高的灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统的原理示意图；

图中：1、激发源模块；1-1、连续光激光器；1-2、分光镜；1-3、空间光调制器；2、成像体控制模块；3、信号收集模块；3-1、空间编码单元；3-2、滤波单元；3-3、大数值孔径透镜；3-4、单点pmt；4、控制与计算模块；4-1、计算机控制单元；4-2、计算机处理单元。

图3是本发明实施例提供的基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像图像恢复方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用高灵敏度单点探测器，同时结合空间编码方式，可以通过单点探测方式获取样本表面的出射拉曼图像；单点pmt比emccd具有更高的放大倍数和检测灵敏度，具有更高的灵敏度，本发明实施例以单点pmt为例进行说明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明的基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像系统包括：激发源模块1、成像体控制模块2、信号收集模块3、控制与计算模块4。

激发源模块1，用于将激发光分成多束；频率调制单元对照射到样本不同位置的多束激发光束进行不同的频率调制；频率调制单元包括空间光调制器，用于对多束激光束进行光强度的频率调制，确保照射到样本不同位置的激光束强度具有不同的调制频率，则样本中激发的拉曼散射光携带有不同的调制频率；

成像体控制模块2，用于调整样本位置以及固定样本，使其处于成像视野的最佳位置。

信号收集模块3包括空间编码单元3-1，滤波单元3-2、大数值孔径透镜3-3、单点pmt3-4；样本被激发后发射拉曼散射光，经过滤波单元去除瑞利散射光，之后经过大数值孔径收集透镜收集聚焦后由单点pmt接收，将光信号转化为电信号后，传输至控制与计算模块进行存储和后续处理；

控制与计算模块4，包括计算机控制单元4-1和计算机处理单元4-2；计算机控制单元包括图像采集卡，用于控制多束激发光束产生单元、频率调制单元、成像体控制模块、空间编码单元和单点pmt；计算机处理单元包括基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像图像恢复方法，用于设计频率调制方式、空间编码模式以及对采集的序列拉曼散射光信号进行图像恢复。

如图2所示，激发源模块1包括连续波激光器1-1、分光镜1-2，所述分光镜一端连接于激光器一端。

如图3所示，本发明实施例提供的基于频率调制和空间编码的拉曼断层成像图像恢复方法包括以下步骤：

s301：输出并传输光源；连续波激光器发射的激光经分光镜分为多束激发光，并传输到频率调制单元；

s302：设计频率调制模式、激发拉曼散射光；设计空间光调制器的编码模式，使空间光调制器每个像元通过的光具有不同的强度调制频率，且随着时间的流逝，空间光调制器的编码模式不同；

s303：设计空间编码模式；拉曼散射光经漫射传输到样本表面，设计空间编码的模式，使样本表面不同位置的拉曼散射光带上不同的位置信息，通过变换空间编码模式，单点pmt可以收集多个序列数据；

s304：收集并存储信号；利用信号收集模块采集单点序列数据，并传递到控制与计算模块进行存储和后续处理；

s305：建立空间编码和频率调制模型；利用空间编码的物理过程，建立空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵s，建立高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列r与待恢复样本表面拉曼图像d之间的数学关系式；

s306：恢复图像；基于稀疏正则化策略建立目标函数，采用合适的优化方法对不同激发点对应的样本表面拉曼图像进行恢复。

在本发明的优选实施例中：步骤s302：空间光调制器每个像元的调制频率由单点采集时间和待恢复图像像素个数按如下原则确定：

(1)由单点采集时间t确定最高调制频率fmax，即

(2)由待恢复图像像素个数n确定时间序列采集点数，即

(3)由时间序列采集点数n确定最低调制频率fmin，即

(4)由最高调制频率、最低调制频率和待恢复图像像素个数n，确定调制频率分辨率以及每个像元的调制频率。

经过频率调制的激发光携带有不同的强度调制频率，同时照射样本后，与样本内的拉曼信号发射源相互作用激发拉曼散射光；

在本发明的优选实施例中：步骤s305：建立高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列r与待恢复样本表面拉曼图像d之间的数学关系式：

r＝sd；

其中，空间编码矩阵s、高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列与待恢复样本表面拉曼图像d之间的数学关系式的构造包括：

步骤一，经过频率调制的激光束与样本内拉曼信号发射源相互作用产生拉曼散射光，经漫射传输到样本表面，记为待恢复样本表面拉曼图像；将待恢复样本表面拉曼图像标记为二维矩阵形式，并按照规律转换为列向量d；

步骤二，设计空间编码的模式，使样本表面不同位置的拉曼散射光信号带上独特的位置信息；将空间编码模式以权重标记为二维矩阵形式，并按照规律转换为行向量s；

步骤三，建立高灵敏度单点微弱信号探测器信号强度与空间编码模式、样本表面拉曼图像之间的数学关系式：

式中，j表示第j个空间编码模式，m表示待恢复样本表面拉曼图像的像素点个数；

步骤四，按照一定规律改变空间编码模式，s向量发生变化；空间编码模式共变化m次，有：

步骤五，建立高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列与待恢复样本表面拉曼图像之间的数学关系式：

r＝sd；

式中，r为空间编码模式变化m次对应的高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列；s称为空间编码矩阵，其中每一行代表一种编码模式；d表示样本表面拉曼图像序列。

利用频率调制的物理过程，建立频率调制的数学模型，则对多束激光频率调制方法包括：

步骤一，将第i个激发点对应的待恢复样本表面拉曼图像记录为二维矩阵，并按照规律转换为列向量xi，激发点的数量记为n；

步骤二，将样本表面拉曼图像标记为二维矩阵形式，并按照规律转换为列向量d，列向量d中的每个像素点是所有激发点产生的拉曼散射信号的线性组合；

步骤三，设计空间光调制器每个像元的调制频率，随着时间流逝，空间光调制器形成的编码模式发生变化，从而导致频率调制编码矩阵发生变化，有：

步骤四，建立固定激发点对应的待恢复样本拉曼散射图像与样本表面出射总拉曼图像之间的数学关系式：

d＝wx；

式中，x表示固定激发点对应的待恢复样本拉曼散射图像。

步骤五，建立高灵敏度单点微弱信号探测器采集的拉曼散射信号序列与待恢复的不同激发点对应的样本表面拉曼图像之间的数学关系：

r＝swx；

记为y＝ax，其中y＝r，a＝sw。

在本发明的优选实施例中：步骤s306：恢复图像；基于稀疏正则化策略建立目标函数，采用合适的优化方法对不同激发点对应的样本表面拉曼图像进行恢复。其目标函数为：

minarg|y-ax||2+β|x|1；

其中，β是正则化因子。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。