本發(fā)明涉及計算成像、生物醫(yī)學(xué)成像、壓縮感知、圖像重構(gòu)等技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非侵入式成像方法。

背景技術(shù)：

在醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)檢測等領(lǐng)域，往往需要對諸如生物組織細(xì)胞、工業(yè)芯片等微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像以作為分析診斷和檢測的依據(jù)；但是由于這些成像介質(zhì)往往是半透明的散射層，傳統(tǒng)的基于幾何光學(xué)的成像方法不再適用，除非破壞散射層或往散射層內(nèi)注入輔助成像的物質(zhì)，但這些手段容易對所觀察的物體造成破壞。

近年來，一種基于激光散斑掃描的非侵入式成像方法被提出，它可以在不破壞散射層的前提下得到隱藏在散射層背后的物體的清晰的像。在這種方法中，一束激光射到散射層的固定位置，在散射作用下形成激光散斑并照射在熒光物體所在的平面上；落在熒光物體上的散斑激發(fā)出的熒光被反射回散射層且被采集，采集到的熒光光強(qiáng)加起來的和作為激光在該入射角度下的總熒光量；將激光按照掃描角度矩陣中的角度進(jìn)行逐一掃描，可以得到相應(yīng)熒光強(qiáng)度矩陣，即熒光強(qiáng)度矩陣中的每一元素值為激光按照掃描角度矩陣中對應(yīng)元素的角度入射下的總熒光量；最后可以利用相位恢復(fù)算法從熒光強(qiáng)度矩陣中恢復(fù)出物體的像。

如圖1所示，為傳統(tǒng)的基于激光散斑掃描的非侵入式成像裝置的示意圖，包括散射介質(zhì)10、熒光物體20和相機(jī)30，當(dāng)一束激光40垂直攝入散射介質(zhì)1所在的層時，在熒光物體2所在平面(記為u-v平面)形成散斑圖樣，記為s(u,v)，當(dāng)激光以與發(fā)現(xiàn)成θ角(θ＝(θx,θy))入射時，散斑存在的“記憶效應(yīng)”使得此時u-v平面上的散斑只是發(fā)生平移，而圖樣基本不發(fā)生改變，即此時s′＝s(u-d1θx,v-d1θy)，從而在熒光采集端的總熒光量為：

i(θ)＝∫∫o(u,v)s(u-d1θx,v-d1θy)dudv＝[o*s](θ)

將入射激光按照掃描矩陣θ上的角度進(jìn)行逐一掃描，記錄每一個入射角度下的總熒光量，最終形成熒光強(qiáng)度矩陣i。在這種傳統(tǒng)的方法中，為了得到較好的成像效果，掃描矩陣的尺寸需要足夠大，因此需要激光掃描的總的角度數(shù)量巨大，而且由于在實(shí)際中熒光信號較弱，需要加大熒光采集裝置的曝光時間，最終使得總的成像數(shù)據(jù)的采集時間十分漫長。由于長時間的激光照射，容易造成被測物品的損害，因此必須要降低掃描復(fù)雜度，減少掃描時間。

以上背景技術(shù)內(nèi)容的公開僅用于輔助理解本發(fā)明的構(gòu)思及技術(shù)方案，其并不必然屬于本專利申請的現(xiàn)有技術(shù)，在沒有明確的證據(jù)表明上述內(nèi)容在本專利申請的申請日已經(jīng)公開的情況下，上述背景技術(shù)不應(yīng)當(dāng)用于評價本申請的新穎性和創(chuàng)造性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種非侵入式成像方法，在不影響成像的質(zhì)量的前提下，大大縮短成像數(shù)據(jù)的采集時間。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明公開了一種非侵入式成像方法，包括以下步驟：

a1：將掃描角度矩陣進(jìn)行分塊形成多個矩陣塊，其中每個所述矩陣塊的大小為p×q；

a2：從步驟a1中所有的所述矩陣塊中隨機(jī)選出部分所述矩陣塊來進(jìn)行采樣；

a3：對于步驟a2選出的每一個采樣的所述矩陣塊，同時將n＝p·q束強(qiáng)度相同、波長相同的激光束入射到散射介質(zhì)的同一入射點(diǎn)，每束所述激光束的入射角度為采樣塊中對應(yīng)元素的掃描角度；

a4：生成尺寸為m×n的壓縮感知的測量矩陣φ，其中m＜n；

a5：對于i＝1、2、……、m，按照所述測量矩陣φ的第i行的n個分量依次對n束激光束進(jìn)行光強(qiáng)的調(diào)制，記錄下此時被觀察物體所激發(fā)出的總熒光量yi，遍歷所有的行后，得到壓縮熒光向量y；

a6：重復(fù)步驟a3至a5，對所有采樣的所述矩陣塊進(jìn)行采集得到各個采樣的矩陣塊相對應(yīng)的壓縮熒光向量y；

a7：對于每一個采樣的所述矩陣塊，通過壓縮感知重構(gòu)算法從其相對應(yīng)的壓縮熒光向量y和測量矩陣φ中重構(gòu)出完整的熒光向量并將重構(gòu)出的完整的熒光向量還原為熒光強(qiáng)度矩陣中對應(yīng)位置的塊iblock，將所有采樣的所述矩陣塊作同樣處理，得到不完整的熒光強(qiáng)度矩陣其

a8：通過不完整的熒光強(qiáng)度矩陣重構(gòu)得到完整的熒光強(qiáng)度矩陣i；

a9：根據(jù)完整的熒光強(qiáng)度矩陣i恢復(fù)得到物體的圖像。

優(yōu)選地，步驟a1中，p和q分別取值為3或4。

優(yōu)選地，步驟a2具體為從步驟a1中所有的所述矩陣塊中隨機(jī)選出ρ％的所述矩陣塊來進(jìn)行采樣，其中ρ的取值為60～75。

優(yōu)選地，步驟a4具體包括：首先生成尺寸為m×n的高斯隨機(jī)矩陣，其中的每個元素為獨(dú)立高斯分布的隨機(jī)變量，均值為0，方差為1/m；然后將所述高斯隨機(jī)矩陣歸一化為0到1上的數(shù)的矩陣，形成壓縮感知的測量矩陣φ。

優(yōu)選地，步驟a5中對n束激光束進(jìn)行光強(qiáng)的調(diào)制具體采用衰減片或者空間光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制。

優(yōu)選地，步驟a7具體包括：對于每一個采樣的矩陣塊，通過下式l1基于范數(shù)最小化的壓縮感知重構(gòu)算法可以從其壓縮熒光向量y和測量矩陣φ中重構(gòu)出完整的熒光列向量

其中，為事先訓(xùn)練的針對非侵入式激光掃描成像的稀疏字典；

然后將還原為熒光強(qiáng)度矩陣中對應(yīng)位置的塊iblock，待所有采樣的矩陣塊處理完畢后，得到不完整的熒光強(qiáng)度矩陣

優(yōu)選地，步驟a8具體包括：通過求解基于全變分范數(shù)正則化的重構(gòu)模型將不完整的熒光強(qiáng)度矩陣重構(gòu)得到完整的熒光強(qiáng)度矩陣i：

其中，ω為屬于采樣的矩陣塊的所有元素的索引集合，全變分范數(shù)定義為：

本發(fā)明還公開了一種非侵入式成像裝置，包括散射介質(zhì)和熒光物體、以及多個獨(dú)立光源、第一4f系統(tǒng)和第二4f系統(tǒng)，第一4f系統(tǒng)包括第一振鏡和第一透鏡組，第二4f系統(tǒng)包括第二振鏡和第二透鏡組，其中：

多個所述獨(dú)立光源射出的激光束的光線入射至所述第一振鏡的同一個點(diǎn)上，多條光線通過所述第一振鏡反射至所述第一透鏡組，再經(jīng)所述第一透鏡組入射至所述第二振鏡的同一個點(diǎn)上；多條光線再次通過所述第二振鏡反射至所述第二4透鏡組，最后再經(jīng)所述第二透鏡組入射至所述散射介質(zhì)上的同一入射點(diǎn)上；所述第一振鏡和所述第二振鏡分別能夠繞各自的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，所述非侵入式成像裝置還包括光強(qiáng)調(diào)制器，所述光強(qiáng)調(diào)制器設(shè)置在多個所述獨(dú)立光源與所述第一振鏡之間，以調(diào)節(jié)多個所述獨(dú)立光源射出的激光束的光強(qiáng)。

優(yōu)選地，所述非侵入式成像裝置還包括光強(qiáng)采集器，所述光強(qiáng)采集器用于采集所述散射介質(zhì)上的入射點(diǎn)處的光強(qiáng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的非侵入式成像方法及裝置，可以在保證成像質(zhì)量的前提下，顯著地減小數(shù)據(jù)采集復(fù)雜度，大大縮短成像數(shù)據(jù)的采集時間，從而實(shí)現(xiàn)快速高效的成像。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)的基于激光散斑掃描的非侵入式成像裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的非侵入式成像方法的流程示意圖；

圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于壓縮感知光源調(diào)制的非侵入式成像系統(tǒng)的光路圖。

具體實(shí)施方式

下面對照附圖并結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖2所示，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例公開了一種非侵入式成像方法，包括以下步驟：

a1：將掃描角度矩陣進(jìn)行分塊形成多個矩陣塊，每個矩陣塊的大小為p×q；

其中，掃描角度矩陣即為根據(jù)傳統(tǒng)方法需要掃描的角度組成的矩陣，在一些實(shí)施例中，p和q分別取值為3或4，在進(jìn)一步的實(shí)施例中，p＝q＝3或4。

a2：從步驟a1中所有的矩陣塊中隨機(jī)選出部分矩陣塊來進(jìn)行采樣；

具體地，從步驟a1中所有矩陣塊中隨機(jī)選出ρ％的矩陣塊來進(jìn)行采樣，其中在一些實(shí)施例中，ρ的取值為60～75；此時，不僅達(dá)到顯著減小數(shù)據(jù)采集復(fù)雜度的效果，同時仍然能夠不影響成像質(zhì)量。

a3：對于步驟a2選出的每一個采樣的矩陣塊，同時將n＝p·q束強(qiáng)度相同、波長相同的激光束入射到散射介質(zhì)的同一入射點(diǎn)，每束激光束的入射角度為采樣塊中對應(yīng)元素的掃描角度；

具體地，n＝p·q束激光束是分別來自同型號獨(dú)立光源的；更換采樣的矩陣塊時，可以通過振鏡掃描系統(tǒng)編程控制每束激光的入射角度，同時保證在散射介質(zhì)上的入射點(diǎn)不變，從而實(shí)現(xiàn)以所有入射激光束作為整體光源的角度掃描。

a4：生成尺寸為m×n(m＜n)的壓縮感知的測量矩陣φ；

具體地，生成尺寸為m×n(m＜n)的高斯隨機(jī)矩陣，其中每個元素為獨(dú)立高斯分布的隨機(jī)變量，均值為0，方差為1/m；然后將其歸一化為0到1上的數(shù)的矩陣，以此為壓縮感知測量矩陣φ。

a5：對于i＝1、2、……、m，按照測量矩陣φ的第i行的n個分量依次對n束激光束進(jìn)行光強(qiáng)的調(diào)制，記錄下此時被觀察物體所激發(fā)出的總熒光量yi，遍歷所有的行后，得到壓縮熒光向量y；

其中，對n束激光束進(jìn)行光強(qiáng)的調(diào)制，具體為采用衰減片或者空間光調(diào)制器等原件根據(jù)測量矩陣φ的數(shù)值，對激光束的光強(qiáng)進(jìn)行相應(yīng)的衰減；例如元素1表示完全透過，元素0表示完全阻攔，元素0.5表示阻擋50％的光強(qiáng)等；

記錄下此時被觀察物體所激發(fā)出的總熒光量yi，具體為：設(shè)定第j(j＝1、2、…、n)束激光束單獨(dú)入射時的總熒光量為ξj，由于激光束是來自不同光源的，它們在物體平面上的散斑發(fā)生光強(qiáng)疊加，所以此時被觀察物體所激發(fā)出的總熒光量遍歷所有的行后，得到壓縮熒光總量y＝φξ。

a6：重復(fù)步驟a3至a5，對所有采樣的矩陣塊進(jìn)行采集得到各個采樣的矩陣塊相對應(yīng)的壓縮熒光向量y；

a7：對于每一個采樣的矩陣塊，通過壓縮感知重構(gòu)算法從其相對應(yīng)的壓縮熒光向量y和測量矩陣φ中重構(gòu)出完整的熒光向量并將重構(gòu)出的完整的熒光向量還原為熒光強(qiáng)度矩陣中對應(yīng)位置的塊iblock，將所有采樣的矩陣塊作同樣處理，得到不完整的熒光強(qiáng)度矩陣

具體地，對于每一個采樣的矩陣塊，通過下式l1基于范數(shù)最小化的壓縮感知重構(gòu)算法可以從其壓縮熒光向量y和測量矩陣φ中重構(gòu)出完整的熒光列向量

其中，為事先訓(xùn)練的針對非侵入式激光掃描成像的稀疏字典；

然后將還原為熒光強(qiáng)度矩陣中對應(yīng)位置的塊iblock，待所有采樣的矩陣塊處理完畢后，得到不完整的熒光強(qiáng)度矩陣

a8：通過求解基于全變分(tv)范數(shù)正則化的重構(gòu)模型將不完整的熒光強(qiáng)度矩陣重構(gòu)得到完整的熒光強(qiáng)度矩陣i：

其中，ω為屬于采樣的矩陣塊的所有元素的索引集合，全變分范數(shù)可以定義為：

a9：根據(jù)完整的熒光強(qiáng)度矩陣i，恢復(fù)得到物體的圖像；

其中，可以通過相位恢復(fù)算法將完整的熒光強(qiáng)度矩陣i恢復(fù)得到物體的圖像。具體地，可以采用如下步驟：

1)計算熒光強(qiáng)度矩陣的自相關(guān)為：ii＝(o*s)(o*s)＝(oo)*(ss)；由于散斑的自相關(guān)為尖峰函數(shù)，故有ii≈oo；其中，i為integratedintensity(總光強(qiáng))，o為object(待成像物體)，s為speckle(激光散斑)，*為卷積符號(convolution)，★互相關(guān)符號(correlation)；

2)對自相關(guān)做傅里葉變換可得

3)利用hybridinput-output算法(混合輸入輸出算法)即可從以及o的非負(fù)性等先驗(yàn)條件中恢復(fù)出o。

本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的非侵入式成像方法，只需隨機(jī)選出ρ％的矩陣塊來進(jìn)行采樣，對于每個矩陣塊(含n個元素)，使用壓縮感知的方法，原本需要采集n個熒光量的，采用本方法只需要采集m個熒光量，也就是說效率為m/n，這樣總體上的數(shù)據(jù)采集效率為(ρm/n)％；在更具體的實(shí)施例中，對于p＝q＝4時，此時n＝pq＝16，此時m可以取值為5～7，ρ取值為65～75，此時總體效率最低可以為24％左右，也就是減少了約76％的復(fù)雜度；對于p＝q＝3時，此時n＝pq＝9，此時m可以取值為4～6，ρ取值為60～70，此時總體效率也同樣是大大降低。

本發(fā)明的非侵入式成像方法，首先將掃描角度矩陣進(jìn)行分塊，從所有矩陣塊中隨機(jī)選取一部分進(jìn)行采樣，對于每一個采樣塊，同時將n束分別來自同型號獨(dú)立光源的強(qiáng)度相同、波長相同的激光束，分別經(jīng)過衰減后入射到散射介質(zhì)的同一個點(diǎn)，使得熒光物體在每束激光產(chǎn)生的散斑疊加下激發(fā)出熒光，并記錄下總熒光量，依次利用壓縮感知測量矩陣φ中的每一行的n個元素對n束激光進(jìn)行衰減最終得到每一個采樣塊對應(yīng)的壓縮熒光向量；利用重構(gòu)算法從壓縮熒光向量中重構(gòu)出所有的采樣塊，然后利用基于全變分范數(shù)正則化的重構(gòu)模型即可重構(gòu)出完整的熒光強(qiáng)度矩陣，從而恢復(fù)得到物體的圖像。本發(fā)明的非侵入式成像方法可以在保證成像質(zhì)量的前提下，顯著地減小數(shù)據(jù)采集復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)快速高效的成像。

如圖3所示，是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例還公開了一種基于壓縮感知光源調(diào)制的非侵入式成像系統(tǒng)，包括散射介質(zhì)10和熒光物體20，還包括多個獨(dú)立光源50、第一4f系統(tǒng)和第二4f系統(tǒng)，第一4f系統(tǒng)包括第一振鏡61和第一透鏡組62，第二4f系統(tǒng)包括第二振鏡71和第二透鏡組72，其中多個獨(dú)立光源50射出的激光束的光線入射至第一振鏡61的同一個點(diǎn)上，多條光線第一振鏡61反射至第一透鏡組62，再經(jīng)第一透鏡組62入射至第二振鏡71的同一個點(diǎn)上；多條光線再次通過第二振鏡71反射至第二透鏡組72，最后再經(jīng)第二透鏡組72入射至散射介質(zhì)10上的同一入射點(diǎn)上；第一振鏡61和第二振鏡71分別能夠繞各自的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；在本實(shí)施例中，第一振鏡61能夠繞水平軸轉(zhuǎn)動，第二振鏡71能夠繞垂直軸轉(zhuǎn)動。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括光強(qiáng)調(diào)制器80和光強(qiáng)采集器90，光強(qiáng)調(diào)制器80設(shè)置在多個獨(dú)立光源50與第一振鏡61之間，以調(diào)節(jié)多個獨(dú)立光源50射出的激光束的光強(qiáng)，光強(qiáng)采集器90則用于采集散射介質(zhì)10上的入射點(diǎn)處的光強(qiáng)。該非侵入式成像系統(tǒng)通過多束來自同一型號不同獨(dú)立光源50的激光分別經(jīng)過光強(qiáng)調(diào)制后經(jīng)過兩組4f系統(tǒng)(由繞水平軸旋轉(zhuǎn)和繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的振鏡以及兩個透鏡組組成)后入射到散射介質(zhì)上的同一入射點(diǎn)，其中振鏡的作用是改變?nèi)肷浼す獾娜肷浣嵌?，而兩個透鏡組的作用是保證入射光的入射位置不變，即所有入射的激光束都繞著同一固定入射點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；從而可以通過該非侵入式成像裝置來實(shí)現(xiàn)前述的非侵入式成像方法。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。