基于空間頻域成像技術的光學系統校正方法

潛霞飛

（杭州市第一人民醫院城北院區，杭州 310000）

隨著新穎光子技術（包括吸收、散射、熒光和拉曼光譜，漫射光、光層析、熒光和光聲成像，以及各種顯微鏡等）的蓬勃發展，光學在生命科學中的應用開始進入一個嶄新的時代。由于其對組織光學參數的檢測成像在臨床發現病變組織、定位病灶區域、形成疾病診斷、跟蹤疾病進程和評估治療效果等都具有重要價值，正獲得生物醫學領域中日益廣泛的應用[1-2]。生物組織可看成是一種光學渾濁介質，生物體的許多生理特性變化如血糖、血氧和肌氧含量等或動脈硬化、癌變等組織特性的變化都會導致生物組織的光學特性參數的改變。因此，如何準確探測組織光學特性參數是醫學光子學應用于臨床診斷與治療的重要前提，也是精準醫療的發展趨勢之一。

漫射光成像技術利用光散射獲取組織的結構信息，目前其中最具潛力的是空間頻域成像（Spatial Freq uency Domain Imaging，SFDI）。SFDI 是一種全新的無損、非接觸、大視場定量成像技術，具有通過空間調制頻率控制探測深度及同時解析出渾濁介質（如生物組織）的光學散射與吸收特性的獨特優點，具有廣泛的應用價值[3-6]。通過測量不同空間頻率的調制入射光在樣品表面的反射，獲得樣品的調制傳遞函數，并反演得到其空間分辨的包括吸收系數（μa）和約化散射系數（μs′）的光學特性。從多波長SFDI 測得的吸收系數進而可得到血氧含量及飽和度等信息。反映組織結構變化的約化散射系數（μs）′的量化是SFDI 區別于其他光學成像法如超光譜技術的一個亮點[7-8]。SFDI 在物理上消除了不同對比機制引起的反射率變化中的串擾，通過分離和量化多光譜吸收和散射性質，推導生理相關參數以評估組織狀態。具體而言，SFDI 可以在空間上解析局部組織水平的氧飽和度（StO2），血容量（THb）和水分（H2O）等發色團的含量。由于組織特定的光學特性，反射后的空間調制圖案發生衰減。這些空間調制圖案被解調并計算組織調制傳遞函數（Modulation Transfer Function，MTF），并用擴散光模型分析MTF 以確定漫反射率R 和相應的組織光學性質（吸收系數和散射系數）?；赟FDI 提出的單次多頻快照解調法（Single Snapshot Multiple-frequency，SSMD）,更好地解決傳統三相移處理SFDI 的局限。

1 空間頻域成像的系統構成

基于空間頻域成像技術的原理搭建空間頻域成像系統實驗裝置如圖1、圖2 所示，該系統裝置共3 個部分，分別是成像光源（Digital Micromirror Device，DMD）、成像光路和圖像采集器（Charge-coupled Device，CCD）。其中圖1 為空間頻域成像系統結構示意圖、圖2 為空間頻域成像實物圖。采集過程：DMD 發出的結構光經過透鏡后變成平行光，入射到分光鏡后，部分光源反射到樣品上，經過樣品的吸收和散射后，反射光經過透鏡聚焦后，由CCD 接收。

圖1 空間頻域成像系統結構示意圖

圖2 空間頻域成像系統結構實物圖

平臺選用TI 公司生產的高性能數字微鏡DLP LightCrafter 4500 作為投影光源；FLIR Grasshopper3系列的GS3-U3-51S5C 產品作為圖像采集器。為了獲取穩定的實驗結果，關閉了CCD 所有的自動調節功能，如：自動白平衡、自動曝光等設置，手動設置并鎖定參數。通過數據接口與DMD 連接以實現同步，并控制探測器采集實驗數據。

2 SFDI 光學系統校正

由于數字微鏡DMD 投影的混合光的空間調制圖案存在如下問題：①光強空間分布不均勻；②光強的強度響應非線性；③CCD 探測器采集漫反射光圖像存在通道污染。以上問題，始終影響正常的MTF 數值的獲得，對于光學參數和生理參數的獲取帶來了困難，因此我們分別對SFDI 光路系統的光強空間分布強度曲線和通道污染進行校正。

2.1 光強空間分布和光強強度曲線校正

將SFDI 光路系統認為一個黑箱系統，DMD 投影的圖案為輸入信號，CCD 采集的圖案為輸出信號，通過DMD 投影不同的圖案，便可以建立DMD 投影的圖案與CCD 采集圖案的空間關系和光強關系。

首先，DMD 投影點陣圖（每格點間隔5 個像素，每格點由9 個像素組成）于朗博體，CCD 采集點陣圖，這樣便可以建立DMD 圖像像素坐標與CCD 圖像像素坐標之間的關系。

其次，DMD 投影光強強度分別為1～256（分別單獨投影紅、綠、藍3 個光源）的平面圖于朗博體上，CCD 采集不同光強強度的圖像，便可建立DMD 光強與CCD光強之間的關系。

最后，結合以上2 點便可以得到DMD 與CCD 各點的光強空間分布和各點光強曲線關系。

為使CCD 采集到的圖像空間分布均勻，光強變化線性，可以通過上面建立的2 個關系（圖3），通過MATLAB 中的interpl2 函數可以快速地反演出DMD需要投影的圖像。

圖3 光強空間分布和光強強度校正邏輯關系圖

基于以上想法，對SFDI 進光強空間分布和光強強度校正。光強強度校正的效果如圖4 所示，系統校正之前DMD 與CCD 之前光強響應曲線呈現非線性，經過在一小塊區域內（15×15 像素大?。┻M行線性平均，使其能夠呈現出線性響應。

圖4 校正前后DMD 光強響應曲線對比

光強空間校正的結果如圖5 所示，圖5（a），圖5（b）為未校正的DMD 投影平面光圖像和CCD 采集到的圖像（為了便于對比校正效果，CCD 采集的圖像都減去整體平均），經過以上校正方法校正后，DMD 投影圖5（c），CCD 采集得到圖5（d）的結果。顯然，校正后的圖像，不僅整體光強幅度變化變小，整體也變得更加平均。

圖5 光強空間校正圖

為了驗證校正的效果，分別查看了校正前后由CCD 拍出的圖像，在x 和y 2 個方向上分別有哪些變化。由圖6 和圖7 可以明顯地看出，在校正前，圖像呈現出在x 方向上中間亮、兩頭暗，y 方向上亮度逐漸減小的效果；而經過校正以后，圖像則呈現出在x 及y方向上都比較均勻的效果并且拉高了整體光強，無論是平面光還是條紋圖。經計算，其誤差（有效區域內的光強分布）在2%～4%左右，可見校正有效。

圖6 校正前后CCD 采集到的平面光在x 和y2 個方向上的對比

圖7 校正前后CCD 采集到的條紋光在x 和y2 個方向上的對比

2.2 CCD 通道污染校正

CCD 通道污染問題產生的原因：CCD 在響應特定波段的光強時，同時還響應了其他波段的光強。比如CCD紅通道對625 nm 附近波段較為敏感，而對其他波段也有響應，因此，DMD 投影混色光時，紅通道不僅得到了623 nm 波段的信息，還受到其他波段的污染，因此在使用混合光（多波段）作為光源時必須考慮通道污染問題。

首先，我們建立在單色光源下，CCD 采集到3 個單色光下的光強信息：紅色單色光（r1，g1，b1），綠色單色光（r2，g2，b2）和藍色單色光（r3，g3，b3），因此，CCD 的相機響應矩陣可以寫為

當投影混合光時，CCD 采集混合光強（Rmix，Gmix，Bmix），顯示此混合光強的Rmix，Gmix，Bmix并不是純凈的，其每個獨立的光強都是受到其他波段的污染，與真實漫反射光強（Rraw，Graw，Braw）之間的關系為

因此，通過式（2）可以得到真實反射光強

此校正對獲取調制傳遞函數的準確度量至關重要，我們使用此法以標準生物組織樣本為標準進行驗證得到表1 數據。

表1 混合光校正后與單色光對比結果

可以看出，經過CCD 通道污染校正后，混合光與單色光的MTF 值已經非常接近，可以說明，此校正很成功。

3 結束語

光子方法對生物組織的檢測診斷依賴于對包括微觀結構、物理性質和局部微循環等的定量成像。利用光與介質的相互作用全面解析組織性狀是其發現病變組織、準確疾病診斷、客觀跟蹤疾病進程和評估治療效果等的基礎?；诳臻g頻域成像技術提取光學、生理參數具有潛在的臨床應用價值。其光學系統是否能夠有效工作是基礎也是關鍵，從校正結果來看，SFDI 系統經過校正后，其線性度、均勻度都得到了很大改善。通過非侵入式檢測組織的光學參數分布圖像，發展一種可降低病患痛苦、提高檢測效率和準確率、節約各項成本的疾病檢測方法，具有重大的科學和社會意義。