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Light: 千赫兹散射介质成像|半色调编码与结构光相结合的漫射光学成像

发布时间:2021-12-21 09:50   点击次数:

1. 导读

近日,北京航空航天大学的研究人员提出了一种新的漫射光学成像方法,利用结构光对吸收和散射效应进行解耦合,使用同时具有数百万调控单元和数十微秒调控速度的数字微镜阵列作为结构光调控器件,通过半色调(halftone)编码方法和散射介质的低通特性,打破了数字微镜阵列连续调(continuous-tone)编码造成的调控速度瓶颈,相比state-of-the-art,将成像速度提高了近100倍。该方法可以对生物组织、血流、浑浊气体等散射介质的吸收和散射系数进行数千赫兹的高速、无标记、非接触、宽视场定量成像;结合比尔-朗伯定律,还可对散射介质各成分的浓度和分布进行千赫兹高速定量监测

 

2研究背景

吸收和散射系数是散射介质的重要光学特征,吸收系数和介质中吸光成分的浓度相关,而散射系数与介质中的颗粒大小有关。常见的散射介质有生物组织、血流、浑浊气体等。通过测量不同波长下的吸收系数,利用比尔-朗伯定律,可以定量计算散射介质中各成分的浓度,例如生物组织中氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、水、脂质、胶原蛋白等组织成分的浓度,血液中的血红蛋白、血脂浓度,发动机燃烧(浑浊)气体中的水汽浓度等等。

由于散射效应,直接通过光强难以测量吸收系数。长期以来,研究人员提出了各种方法对吸收和散射效应进行解耦合,从而定量测量介质的吸收和散射系数。例如,反向倍增法结合积分球系统,可有效提取介质的吸收和散射系数,但该方法仅能获取单点信息,且难以在体测量。漫射光学层析成像采用光源、探测器阵列,可对生物组织等进行接触式在体测量,但空间分辨率较低(厘米量级)。漫反射光谱成像是一种时域方法,通过对入射光进行MHz频率的正弦调制,同时利用同频率出射光相比入射光的强度和相位变化,定量计算吸收和散射系数;这一方法采用光纤测量,成像过程需手持探头在介质表面逐点扫描,空间分辨率约为1厘米,成像时间通常为10-20分钟(约1e-3 Hz),无法实现高分辨动态监测。相比之下,空间频域成像(SFDI)是一种新兴的漫射光学成像方法,如图1所示,利用数字微镜阵列(DMD)产生若干个在空间域正弦调制的结构光照射物体,通过相机拍摄结构光的漫反射图像定量计算吸收和散射系数。该方法具有无标记、非接触、宽视场等优点,其空间分辨率可达100微米。

1 空间频域成像系统示意图

 

然而,数字微镜阵列仅能对光强进行最大23 kHz的二值化振幅调控,传统传统空间频域成像技术采用调节占空比的方法,用连续调编码产生正弦结构光,对应调控速度不超过290 Hz;而测量单个波长下的吸收和散射系数通常需要若干个不同的结构光图像,因此传统空间频域成像的测量速度通常在10 Hz左右,难以对高速、动态散射介质进行测量。

 

3. 创新研究

针对上述问题,研究人员利用散射介质的低通特性,通过二值化的半色调编码替代传统的连续调编码来产生正弦结构光图像(图2),提出了半色调空间频域成像方法(halftone-SFDI)。该方法可以充分利用数字微镜阵列的高速振幅调控特性,能以最大23 kHz的速度获取散射介质的结构光漫反射图像,将传统空间频域成像的速度提高近100

2a)连续调编码下的正弦结构光转化为半色调编码,从而实现23 kHz高速调控;(b)利用散射介质的低通特性,半色调编码采集的图像与连续调编码所得图像等价。

 

利用这一新方法,研究人员在实验中展示了对鼠脑(图3)、高速动态流体(图4)等散射介质进行高达千赫兹的无标记、非接触、宽场双波长光学吸收和散射系数测量,并通过双波长吸收系数结合比尔-朗伯定律得到同等时间分辨率的血氧、血红蛋白浓度、流体成分浓度等信息。

3 鼠脑血红蛋白及血氧定量成像

 

高速流场及其成分浓度的宽场定量监测

 

4. 应用与展望

半色调空间频域成像(halftone-SFDI)具有无标记、非接触、宽视场的特性,空间分辨率约100微米,视场可从几毫米至几米灵活调节,光学吸收和散射系数成像速度可达7.6 kHz。该方法用于脑成像,其数千赫兹的时间分辨率与脑电(EEG)测量速度在同一量级,且可提供高空间分辨率的血氧、血红蛋白浓度分布及绝对值;用于生物组织,可定量测量含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、水、脂质、胶原蛋白等组织成分的浓度;用于流体力学,可定量测量血液等浑浊流体中各成分的浓度;用于燃烧科学,可定量测量燃烧产生的浑浊气体中各成分的浓度,从而反向优化发动机设计等。可以预见,该研究成果有望在生物医学成像、脑科学、神经科学、流体力学、血流动力学、发动机燃烧效率优化等领域发挥重要作用。

 

该研究成果以“Halftone spatial frequency domain imaging enables kilohertz high-speed label-free non-contact quantitative mapping of optical properties for strongly turbid media”为题在线发表在Light: Science & Applications。本文通讯作者为北京航空航天大学生物医学工程高精尖中心樊瑜波教授赵雁雨副教授(第一作者)。该研究成果得到了国家自然科学基金、北航医工百人计划和青年拔尖人才计划的经费支持。