基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提出基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置及方法，利用光源陣列和相機陣列實現(xiàn)對生物體的不同曝光的二維投影圖，并通過高動態(tài)范圍成像技術和濾波反投影算法實現(xiàn)生物樣本的三維圖像的高質(zhì)量重建。所述的基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置及方法，其成像模塊主要分為兩大模塊：一.掃描采集模塊：主要包括：1.光源模塊：由光源陣列、光學透鏡，擴束器和起偏器組成。2.生物樣本平臺：由步進電機旋轉(zhuǎn)平臺，樣本夾持裝置構成。3.二維投影圖采集模塊：由顯微鏡與相機陣列、檢偏器，濾波片構成。二.數(shù)據(jù)處理模塊：主要包括：1.高動態(tài)范圍圖像合成。2.旋轉(zhuǎn)中心位置校正。3.濾波反投影三維重建。
【專利說明】基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于成像【技術領域】，尤其是涉及一種基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置及方法，可用于1_到10_的生物組織，器官及胚胎的藥物療效評測及基因表達的等方面的研究

【背景技術】
[0002]光學投影斷層成像(OPT)技術利用可見光在小尺寸生物中沿直線傳播的特點，發(fā)射光束穿透樣本得到投影圖，進行解剖結構三維成像(透射式0ΡΤ)，類似于X光CT。OPT成像技術具有微米級的空間分辨率，1-1Omm的成像視野，具有微米級的空間分辨率、無輻射、成本低等特點，為小尺寸生物樣本的高分辨率三維成像提供了一種新的有效手段。但是OPT成像仍然存在樣本成像細節(jié)不清晰，樣本散射，無法完成動態(tài)在體成像等問題，需要進一步的改進，本發(fā)明能夠更快的完成數(shù)據(jù)采集，所采集圖像數(shù)據(jù)細節(jié)更加清晰，進一步滿足生物樣本動態(tài)在體成像的要求。在中科院田捷團隊自主研發(fā)的光學投影斷層成像系統(tǒng)中，見郭進，劉俠，董迪，朱守平，楊鑫，田捷.活體光學投影斷層成像系統(tǒng)與應用.自動化學報，2013，39(12): 2043-2050，雖然實現(xiàn)了針對果蠅蛹等小模式動物的活體三維成像，空間分辨率達到了 10um，但是成像細節(jié)不夠清晰，且只能對于果蠅蛹等小模式動物成像，對于吸收異構的樣本成像質(zhì)量較差，不能滿足動態(tài)在體成像的要求。
[0003]參照圖2，傳統(tǒng)光學投影斷層成像，包括大功率白光發(fā)光二極管20，擴束器21，孔徑22，遠心照明透鏡23，樣本24，物鏡25，CMOS相機26。其成像原理是:由大功率白光發(fā)光二極管20發(fā)出可見光，照射到擴束器21上，光通過擴束器21和小孔22后變?yōu)榫鶆蚬獍哒丈涞竭h心透鏡23上，投影到生物樣本上。可見光照射到樣本24上之后，一部分光被生物樣本吸收，散射，一部分透過生物樣本。透射光經(jīng)過物鏡25成像在CMOS相機26上，CMOS相機26以一定幀頻采集到透射光。生物樣本24通過一個夾持器夾持到步進電機上，步進電機以一定步長角度旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一次，CMOS相機就米集一次從樣本透射過來的光。最終，步進電機帶著生物樣本旋轉(zhuǎn)一周，相機完成對生物樣本360度全方位拍攝，得到樣本的一組二維透射圖。將透射圖導入到計算機中，通過計算出樣本旋轉(zhuǎn)中心后，采用濾波反投影技術(FBP)，首先將二維投影圖像變換到頻域，通過斜坡函數(shù)濾波后，在反變換到時域進行360度的反投影，同時在重建的過程中根據(jù)所計算出的旋轉(zhuǎn)中心進行校正，得到生物樣本的三維重建圖像。
[0004]然而，傳統(tǒng)光學投影斷層成像對生物樣本所成的二維透射圖像由于生物樣本的吸收異構特性和相機的動態(tài)范圍的限制，對于樣本不同厚度的部分成像效果不同，導致重建結果不理想，樣本三維圖像細節(jié)不清晰，甚至有的區(qū)域無法成像。
[0005]基于此，提供一種光學投影斷層成像設備及技術能夠解決以上問題就顯得尤為必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置及方法，能夠應用多幅低動態(tài)范圍圖像合成細節(jié)清晰的高動態(tài)范圍圖，而且通過控制曝光時間能夠完成吸收異構特性的生物樣本的成像，且由于使用相機陣列，有效提高了低動態(tài)范圍圖像的采集速率，可以實現(xiàn)生物樣本的動態(tài)在體成像。利用光源陣列和相機陣列實現(xiàn)對生物體的不同曝光的二維投影圖，并通過高動態(tài)范圍成像技術和濾波反投影算法實現(xiàn)生物樣本的三維圖像的高質(zhì)量重建。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為:
[0008]基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置，
[0009]所述的基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置，參照圖1，其成像模塊分為兩大模塊:
[0010]一、掃描米集模塊:
[0011]包括:1、光源模塊:由光源陣列、光學透鏡，擴束器和起偏器組成；2、生物樣本平臺:由步進電機旋轉(zhuǎn)平臺，樣本夾持裝置構成；3、二維投影圖采集模塊:由顯微鏡與相機陣列、檢偏器構成；
[0012]二、數(shù)據(jù)處理模塊:
[0013]包括:1、高動態(tài)范圍圖像合成；2、旋轉(zhuǎn)中心位置校正；3、濾波反投影三維重建；
[0014]光源陣列放置于光路的起始位置，CMOS相機陣列放置在物鏡之后，光源陣列中的光源單元與相關的擴束器單元，起偏器單元，檢偏器單元，物鏡單元以及相機陣列中的相機單元成一一對應關系，各成像光路互不干擾，以保證不同曝光時間的低動態(tài)范圍圖像的快速采集。
[0015]進一步的，所述的光源陣列，由參數(shù)和發(fā)光特性相同的N個光源單元組成，發(fā)光特性相同以保證在成像時同一角度不同曝光時間的低動態(tài)范圍圖像只以曝光時間為單一變量，且各單元發(fā)出的光線經(jīng)過起偏器后偏振角度各不相同，以保證在成像時互不干擾。
[0016]進一步的，所述的相機陣列，由型號、參數(shù)和成像特性相同的N個CMOS相機單元組成，以保證系統(tǒng)的成像特性一致，并且通過控制軟件控制相機單元的快門時間，來完成不同的曝光時間的圖像的采集。
[0017]進一步的,通過設定樣本平臺中步進電機的步進角度，使相機單元之間相對于樣本的角度為步進電機步進角度的倍數(shù)，使得相機陣列中每個相機單元都能夠拍到樣本的同一角度的投影圖。
[0018]進一步的，單個相機單元每次采集圖像時曝光時間一定，相機單元之間曝光時間不同，通過對樣本同一角度使用不同相機采集，得到同一角度的不同的低動態(tài)范圍圖像，將同一角度的低動態(tài)范圍圖像中不同曝光時間下圖像中的最佳區(qū)域進行合成，得到該角度的高動態(tài)范圍圖像。
[0019]利用上述任一裝置的基于相機陣列的光學投影斷層成像方法，利用光源陣列和相機陣列實現(xiàn)對生物體的不同曝光的二維投影圖，并通過高動態(tài)范圍成像技術和濾波反投影算法實現(xiàn)生物樣本的三維圖像高質(zhì)量重建。相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為:
[0020]I)本發(fā)明由于采用了采集端設置可控曝光時間相機陣列，相對于單個相機采集實現(xiàn)光學投影斷層成像技術來說，相同時間內(nèi)可完成不同曝光時間的低動態(tài)范圍二維投影圖的采集。
[0021]2)由于將相機陣列和高動態(tài)成像技術相結合，最終三維重建圖像細節(jié)清晰，雜散光干擾較小能夠進一步滿足活體實時光學層析成像的要求，更有利于動態(tài)在體成像的實現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明成像流程圖。
[0023]圖2是傳統(tǒng)光學投影斷層成像示意圖。
[0024]圖3是本發(fā)明結構示意圖。

【具體實施方式】
[0025]為進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖，對依據(jù)本發(fā)明提出的基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置及方法的結構，方法和特性進行詳細描述。但附圖僅是本發(fā)明的描述提供參考與說明之用，并非是對本發(fā)明構成限制。
[0026]為實現(xiàn)光學投影斷層成像的快速和高動態(tài)范圍成像，本發(fā)明綜合相機陣列成像、高動態(tài)范圍成像和光學投影斷層成像，提出了一種基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置及方法，如圖3所示。
[0027]參照圖3，本發(fā)明提出的基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置及方法，包括高功率二極管光源陣列30，擴束器31，起偏器32，遠心透鏡33，樣本34，檢偏器35，物鏡36，CMOS相機陣列37。其中，光源陣列30中，各光源單元發(fā)出不同波長的可見光，以保證在同時照射到樣本上時不會產(chǎn)生干涉效應。起偏器32的作用在于使得光源發(fā)出的光經(jīng)過起偏器之后成為偏振光，偏振光在投射到生物樣本上之后，由于樣本生物組織的散射特性，只有直接透射過樣本的彈道光能保持起偏角度，部分經(jīng)過樣本散射的光束偏振特性已經(jīng)改變，經(jīng)過檢偏器35后只有彈道光能夠穿過檢偏器，其余雜散光被檢偏器阻擋。CMOS相機陣列37通過控制系統(tǒng)控制其快門速度，不同相機單元快門速度不同，通過控制快門速度控制曝光時間，可以實現(xiàn)樣本的高動態(tài)范圍成像的數(shù)據(jù)采集。
[0028]上述系統(tǒng)的成像原理如下:
[0029]高功率二極管光源陣列30中不同光源單元各自發(fā)出白光，可見光經(jīng)過擴束器后變得均勻，經(jīng)過偏振片起偏后變?yōu)槠窆猓?jīng)過遠心透鏡33后變?yōu)榫鶆蚱叫泄馐?，照射到樣本上，可見光?jīng)過生物樣本的吸收和散射，有一部分光從樣本背后透過，其中包括一部分直接透射過樣本的透射光，即在樣本內(nèi)部沒有受到樣本的散射和吸收作用，直接穿過樣本的彈道光，另一部分為經(jīng)過樣本多次散射之后，從樣本背后照射出來，這一部分雜散光，會嚴重干擾二維投影圖的成像質(zhì)量，造成二維圖中樣本輪廓模糊，細節(jié)不清，會嚴重降低最終三維重建的重建效果。由于照明光經(jīng)過起偏器后成為了偏振光，因此透射過的樣本的彈道光偏振角度不會改變，而經(jīng)過樣本散射后的雜散光，偏振特性已經(jīng)改變,經(jīng)過檢偏器后雜散光會被濾除，只有彈道光得以通過，以此方法抑制雜散光的效果，提高成像質(zhì)量。之后光束經(jīng)過物鏡成像在CMOS相機陣列37上。通過控制軟件控制不同光源所對應的CMOS相機的快門速度來控制曝光時間，在不同時刻不同光源對生物樣本同一角度分別進行曝光10ms，20ms, 40ms, 80ms, 120ms, 160ms,得到樣本每個角度的低動態(tài)范圍圖像。不同曝光時間下，CMOS相機所記錄的二維投影圖由于樣本的吸收異構特性，曝光時間越短，樣本通透性較好的部分成像細節(jié)越清晰，曝光時間越長，通透性差的部分成像細節(jié)越清晰。通過精確計算步進電機旋轉(zhuǎn)步長與相機陣列中相機單元相對于樣本的角度的關系，選取步進電機旋轉(zhuǎn)步長以滿足樣本同一角度能通過旋轉(zhuǎn)被不同相機成像。步進電機每旋轉(zhuǎn)一次，各相機根據(jù)各自的曝光時間采集一次數(shù)據(jù)，因此旋轉(zhuǎn)間隔所需時間必須大于最長曝光時間。在步進電機旋轉(zhuǎn)一周后，相機陣列完成對樣本的360度二維投影圖采集。依據(jù)高動態(tài)范圍成像方法，在計算機上將樣本同一角度不同曝光時間下所采集的二維投影圖提取出來，通過利用每個曝光時間相對應最佳細節(jié)的低動態(tài)范圍圖像來合成為最終的細節(jié)清晰的高動態(tài)圖像，然后通過計算所得到的高動態(tài)二維投影圖的旋轉(zhuǎn)中心，采用濾波反投影技術(FBP)，首先將二維投影圖像變換到頻域，通過斜坡函數(shù)濾波后，再反變換到時域進行360度的反投影，同時在重建的過程中根據(jù)所計算出的旋轉(zhuǎn)中心進行校正，得到生物樣本的三維重建圖像。本發(fā)明可有效增強重建的樣本的成像效果，對于Imm到1mm尺度的生物組織器官以及胚胎的動態(tài)在體研究提出了新的道路，能夠更好的完成藥物療效評估，基因表達的研究。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書所限定的保護范圍為準。
【權利要求】
1.基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置，其特征在于， 所述的基于相機陣列的光學投影斷層成像裝置，其成像模塊分為兩大模塊: 一、掃描米集模塊: 包括:1、光源模塊:由光源陣列、光學透鏡，擴束器和起偏器組成；2、生物樣本平臺:由步進電機旋轉(zhuǎn)平臺，樣本夾持裝置構成；3、二維投影圖采集模塊:由顯微鏡與相機陣列、檢偏器構成； 二、數(shù)據(jù)處理模塊: 包括:1、高動態(tài)范圍圖像合成；2、旋轉(zhuǎn)中心位置校正；3、濾波反投影三維重建； 光源陣列放置于光路的起始位置，CMOS相機陣列放置在物鏡之后，光源陣列中的光源單元與相關的擴束器單元，起偏器單元，檢偏器單元，物鏡單元以及相機陣列中的相機單元成一一對應關系，各成像光路互不干擾，以保證不同曝光時間的低動態(tài)范圍圖像的快速采集。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學投影斷層成像裝置，其特征在于，所述的光源陣列，由參數(shù)和發(fā)光特性相同的N個光源單元組成，發(fā)光特性相同以保證在成像時同一角度不同曝光時間的低動態(tài)范圍圖像只以曝光時間為單一變量，且各單元發(fā)出的光線經(jīng)過起偏器后偏振角度各不相同，以保證在成像時互不干擾。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學投影斷層成像裝置，其特征在于，所述的相機陣列，由型號、參數(shù)和成像特性相同的N個CMOS相機單元組成，以保證系統(tǒng)的成像特性一致，并且通過控制軟件控制相機單元的快門時間，來完成不同的曝光時間的圖像的采集。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學投影斷層成像裝置，其特征在于，通過設定樣本平臺中步進電機的步進角度，使相機單元之間相對于樣本的角度為步進電機步進角度的倍數(shù)，使得相機陣列中每個相機單元都能夠拍到樣本的同一角度的投影圖。
5.根據(jù)權利要求1所述的光學投影斷層成像裝置，其特征在于，單個相機單元每次采集圖像時曝光時間一定，相機單元之間曝光時間不同，通過對樣本同一角度使用不同相機采集，得到同一角度的不同的低動態(tài)范圍圖像，將同一角度的低動態(tài)范圍圖像中不同曝光時間下圖像中的最佳區(qū)域進行合成，得到該角度的高動態(tài)范圍圖像。
6.利用上述任一權利要求所述裝置的基于相機陣列的光學投影斷層成像方法，其特征在于，利用光源陣列和相機陣列實現(xiàn)對生物體的不同曝光的二維投影圖，并通過高動態(tài)范圍成像技術和濾波反投影算法實現(xiàn)生物樣本的三維圖像高質(zhì)量重建。
【文檔編號】A61B5/00GK104224127SQ201410475970
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權日:2014年9月17日
【發(fā)明者】王曉蕊, 李凌澄, 張思偉, 黃曦, 劉德連, 董維科, 張建奇 申請人:西安電子科技大學