單次快照多頻解調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間頻域成像、實(shí)時多成分成像、時空域?qū)崟r信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)及多 組分圖像信息傳輸，更具體地，涉及一種用于非接觸式成像技術(shù)中涉及的單次快照多頻解 調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中，新興的空間頻域成像（Spatial Frequency Domain Imaging，SFDI)作為一種新穎的非接觸式成像技術(shù)，具有獨(dú)一無二的空間上同時解析光學(xué) 吸收和散射參數(shù)的能力，允許寬視場量化組織光學(xué)參數(shù)分布。通過入射不同空間頻率的空 間調(diào)制圖案到樣品區(qū)域并用CCD相機(jī)捕捉反射圖像來獲取樣品的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF)。MTF 包含了重要的光學(xué)特性信息一一吸收系數(shù)（μ J和衰減散射系數(shù)（μ s'）?；诿商乜_或 各種散射模型，通過非線性最小二乘法擬合或查表方法，由MTF數(shù)據(jù)可以反演計(jì)算出生物 組織的吸收系數(shù)與衰減散射系數(shù)的二維分布圖。最后，通過光學(xué)參數(shù)的變化可以反推出組 織結(jié)構(gòu)和組織成分的改變，進(jìn)而做出相應(yīng)疾病的診斷。
[0003] 根據(jù) Essex T. J. H.，Byrne R 0· A laser Doppler scanner for imaging blood flow in skin[J]· Medical engineering and physics，1991，13(3) :189-194 的記載，假設(shè) 入射到樣品的結(jié)構(gòu)光強(qiáng)用函數(shù)表示為：
[0005] 這里S。代表光源強(qiáng)度，M。是入射調(diào)制深度，f )!是空間頻率，α是空間相位，X是空 間坐標(biāo)。
[0006] 從樣品反射出來被CCD照相機(jī)捕獲的光可以分解為直流DC部分和交流AC部分：
[0007] I = Iac+Idc (2)
[0008] 樣品反射光的AC部分可以用函數(shù)表示為：
[0009] Iac= M Ac (X，fx) X cos (2 π X+a ) (3)
[0010] 這里表征散射光子密度波的調(diào)制，此因子在混沌介質(zhì)中依賴于組織的光學(xué)特 性，目前的主流作法是基于擴(kuò)散理論或蒙特卡羅的光傳輸方法進(jìn)行建模。為了得出，必 須對信號進(jìn)行解調(diào)，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)作法是三相移法（在文獻(xiàn)Neil MAA，Juskaitis R，Wilson T. Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope. Opt. Lett 1997 ;22 (24) :1905 - 1907. [PubMed: 18188403]中提 到）。即若樣品是在一個特定頻率正弦波的三個相位差a = 0,2 31/3,4 31/3處進(jìn)行光照， 測得三幅光強(qiáng)圖像L、12、I3，則Mac因子可以用式（4)解調(diào)方程來計(jì)算。
[0012] 為了進(jìn)一步得到組織的光學(xué)參數(shù)，ΜΑε需要在不同空間頻率使用三個相位投影來測 量。首先，多種頻率的光投射到樣品，這種方式是以多個相位投影到樣品并用方程（4)進(jìn)行 解調(diào)。然后，漫反射在每一個空間頻率都使用硅校準(zhǔn)模型的已知光學(xué)參數(shù)來進(jìn)行校準(zhǔn)，從而 矯正MTF值。最后在圖像上的每一個像素點(diǎn)使用一個逆模型得出各獨(dú)立波長的光學(xué)參數(shù)。
[0013] 總的來說，傳統(tǒng)的SFDI的成像步驟及光學(xué)參數(shù)的獲得步驟如下：
[0014] a)將包含多種頻率fx的調(diào)制光投影到樣品上，并通過C⑶相機(jī)采集從樣品反射回 的光強(qiáng)；
[0015] b)每一個光照頻率在三個相位點(diǎn)成像，然后用解調(diào)公式（4)進(jìn)行解調(diào)，并由公式 (5)得出每一個像素點(diǎn)的反射率R，其中MTF systeni由已知光學(xué)參數(shù)校準(zhǔn)模型在同一條件下測 量獲得：
[0016] Mac(X1) = I0MTFsysten(X1)XR(X1) (5)
[0017] c)每一個像素點(diǎn)的R值利用光傳輸模型的蒙特卡羅方法或查表獲得吸收系數(shù)μ a 和衰減散射系數(shù)μ^的二維映射分布。
[0018] 由上可知，三相移標(biāo)準(zhǔn)法，即給定三個不同初始相位（0°，120°，240° )，通過 公式求解出交流分量和直流分量，該方法被公認(rèn)為解調(diào)交流/直流分量的"金標(biāo)準(zhǔn)"，但該 方法在實(shí)際成像中需要至少三次成像才能夠解調(diào)出交流分量，限制了成像時間和成像次 數(shù)。除此之外，根據(jù) Nadeau，Κ. Ρ.，Durkin，A. J.，Tromberg，Β. J. · Advanced demodulation technique for the extraction of tissue optical properties and structural orientation contrast in the spatial frequency domain[J]. Journal of Biomedical Optics，2014,19 (5) :056013.的記載，還可以利用Hilbert變換法在單個相位的條件下解 調(diào)出交流分量，這能夠大大提高光學(xué)參數(shù)測量效率，但其僅能實(shí)現(xiàn)單個相位的交流分量解 調(diào)，并且噪聲抑制效果不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供了一種單次快照多頻解調(diào) 法，該方法可以快速解調(diào)出多個不同頻率的交流成分幅值和直流分量。
[0020] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的解決方案為：
[0021 ] -種單次多頻快照解調(diào)法，其包括：在時間域或空間域中，對于包含有一個或多個 頻率的調(diào)制圖像，首先依次提取出每個像素點(diǎn)的各個頻率交流（AC)和直流（DC)分量值，進(jìn) 而得到相應(yīng)于各個頻率AC和DC的原始成分圖像。
[0022] 進(jìn)一步地，對于具有一種頻率或兩種以上不同頻率的交流分量的調(diào)制圖像，首先， 取一 T1XTJ^矩陣作為基核（Kernel)，其中T ρ T2分別為各交流分量周期的橫向和縱向分 量最小公倍數(shù)；然后在圖像中，按照預(yù)定順序依次以每個像素點(diǎn)為矩陣左上角選取基核大 小的基核單兀，并分別與相對應(yīng)的基核圖案作積分求和處理。
[0023] 進(jìn)一步地，其中積分求和處理進(jìn)一步包括：圖像中的每個基核單元分別與同頻率、 同方向的余弦及正弦基核圖案作乘法處理后，再進(jìn)行積分求和，從而得到與原始圖像尺寸 大小相同的余弦調(diào)制和正弦調(diào)制圖案。
[0024] 進(jìn)一步地，其中對于具有不同頻率f\、f2、…的交流分量的調(diào)制圖像，各分量關(guān)系 如公式（6)所示：
[0025]
[0027] 其中，k彡1為交流調(diào)制分量個數(shù)，4、仁和A分別為各交流成分幅值、頻率和空間 初始相位，HI 1G [-l，l]、nie [-1，1]共同決定了交流調(diào)制條紋的方向，且需滿足公式（7)， B為直流分量，X、y為空間坐標(biāo)。
[0028] 其中，進(jìn)一步利用公式（8)解調(diào)出調(diào)制圖案的交流成分幅值，利用公式（9)解調(diào)出 直流成分：
[0031] 其中，σ為圖像中每個像素點(diǎn)對應(yīng)的基核單元。1\、T2分別為各交流分量周期的 橫向和縱向分量最小公倍數(shù)；
[0032] 其中，進(jìn)一步地，對于基核圖案，提取圖像的不同頻率或方向的交流成分時，基核 圖案也不相同，并且基核圖案與提取交流調(diào)制圖案具有相同的頻率和方向。
[0033] 其中，進(jìn)一步地，所述預(yù)定順序?yàn)橐詧D像左上角為起點(diǎn)，依次從左到右、從上到下 的順序。
[0034] 此外，還提供了一種空間頻域成像方法，其包括將包含一種或多種頻率的調(diào)制光 投影到樣品上，并通過CCD相機(jī)采集從樣品反射回的光強(qiáng)、透射出光強(qiáng)或激發(fā)出的熒光光 強(qiáng)；其中所述CCD相機(jī)采集的光分解為直流（DC)部分和交流（AC)部分，其特征在于所述 CCD相機(jī)采集的光采用前面所述的單次多頻快照解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)。
[0035] 此外還提供了一種信號傳輸方法，其中包括前述的空間頻域信息的調(diào)制及解調(diào)方 法。
[0036] 由此可見，本發(fā)明提出一種單次快照多頻解調(diào)法，在空間域由一個或多個原始成 分經(jīng)不同頻率調(diào)制相加得到的調(diào)制圖像、尤其是包含有多個不同頻率成分的調(diào)制圖像，通 過該方法依次提取出每個像素點(diǎn)的各個頻率交流（AC)和直流（DC)分量值，進(jìn)而得到相應(yīng) 于各個頻率交流（AC)和直流（DC)的原始成分圖像。該方法具有速度快、解調(diào)精度更高以 及去噪效果很好的優(yōu)點(diǎn)，滿足了一次性獲取多個頻率信息量的需求，克服了多次測量中不 能避免的誤差問題。同時，也可以利用該解調(diào)方法一次性傳輸多幅圖像信息，實(shí)現(xiàn)在通訊領(lǐng) 域多信息并行實(shí)時傳輸。
【附圖說明】
[0037] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中 所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些示 例性實(shí)施例。
[0038] 圖1為利用單次快照多頻解調(diào)法對包括兩個空間頻率的圖像進(jìn)行解調(diào)處理的圖 不。
[0039] 圖2為分別利用三相移標(biāo)準(zhǔn)法、Hilbert變換法和單次快照多頻解調(diào)法對含有一 個頻率的圖案進(jìn)行解調(diào)處理的對比圖示。
[0040] 圖3為分別利用Hilbert變化法和單次快照分解法對含有兩個頻率的圖案進(jìn)行解 調(diào)處理的對比圖示。
[0041] 圖4為利用單次快照分解法對含有三個頻率的圖案進(jìn)行解調(diào)處理的對比圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明實(shí)施方式中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描 述，顯然，所描述的實(shí)施方式僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施方式，而不是全部的實(shí)施方式。基 于本發(fā)明中的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有 其他實(shí)施方式，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
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