基于空间频域成像技术的光学系统校正方法

潜霞飞

（杭州市第一人民医院城北院区，杭州 310000）

随着新颖光子技术（包括吸收、散射、荧光和拉曼光谱，漫射光、光层析、荧光和光声成像，以及各种显微镜等）的蓬勃发展，光学在生命科学中的应用开始进入一个崭新的时代。由于其对组织光学参数的检测成像在临床发现病变组织、定位病灶区域、形成疾病诊断、跟踪疾病进程和评估治疗效果等都具有重要价值，正获得生物医学领域中日益广泛的应用[1-2]。生物组织可看成是一种光学浑浊介质，生物体的许多生理特性变化如血糖、血氧和肌氧含量等或动脉硬化、癌变等组织特性的变化都会导致生物组织的光学特性参数的改变。因此，如何准确探测组织光学特性参数是医学光子学应用于临床诊断与治疗的重要前提，也是精准医疗的发展趋势之一。

漫射光成像技术利用光散射获取组织的结构信息，目前其中最具潜力的是空间频域成像（Spatial Freq uency Domain Imaging，SFDI）。SFDI 是一种全新的无损、非接触、大视场定量成像技术，具有通过空间调制频率控制探测深度及同时解析出浑浊介质（如生物组织）的光学散射与吸收特性的独特优点，具有广泛的应用价值[3-6]。通过测量不同空间频率的调制入射光在样品表面的反射，获得样品的调制传递函数，并反演得到其空间分辨的包括吸收系数（μa）和约化散射系数（μs′）的光学特性。从多波长SFDI 测得的吸收系数进而可得到血氧含量及饱和度等信息。反映组织结构变化的约化散射系数（μs）′的量化是SFDI 区别于其他光学成像法如超光谱技术的一个亮点[7-8]。SFDI 在物理上消除了不同对比机制引起的反射率变化中的串扰，通过分离和量化多光谱吸收和散射性质，推导生理相关参数以评估组织状态。具体而言，SFDI 可以在空间上解析局部组织水平的氧饱和度（StO2），血容量（THb）和水分（H2O）等发色团的含量。由于组织特定的光学特性，反射后的空间调制图案发生衰减。这些空间调制图案被解调并计算组织调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF），并用扩散光模型分析MTF 以确定漫反射率R 和相应的组织光学性质（吸收系数和散射系数）。基于SFDI 提出的单次多频快照解调法（Single Snapshot Multiple-frequency，SSMD）,更好地解决传统三相移处理SFDI 的局限。

1 空间频域成像的系统构成

基于空间频域成像技术的原理搭建空间频域成像系统实验装置如图1、图2 所示，该系统装置共3 个部分，分别是成像光源（Digital Micromirror Device，DMD）、成像光路和图像采集器（Charge-coupled Device，CCD）。其中图1 为空间频域成像系统结构示意图、图2 为空间频域成像实物图。采集过程：DMD 发出的结构光经过透镜后变成平行光，入射到分光镜后，部分光源反射到样品上，经过样品的吸收和散射后，反射光经过透镜聚焦后，由CCD 接收。

图1 空间频域成像系统结构示意图

图2 空间频域成像系统结构实物图

平台选用TI 公司生产的高性能数字微镜DLP LightCrafter 4500 作为投影光源；FLIR Grasshopper3系列的GS3-U3-51S5C 产品作为图像采集器。为了获取稳定的实验结果，关闭了CCD 所有的自动调节功能，如：自动白平衡、自动曝光等设置，手动设置并锁定参数。通过数据接口与DMD 连接以实现同步，并控制探测器采集实验数据。

2 SFDI 光学系统校正

由于数字微镜DMD 投影的混合光的空间调制图案存在如下问题：①光强空间分布不均匀；②光强的强度响应非线性；③CCD 探测器采集漫反射光图像存在通道污染。以上问题，始终影响正常的MTF 数值的获得，对于光学参数和生理参数的获取带来了困难，因此我们分别对SFDI 光路系统的光强空间分布强度曲线和通道污染进行校正。

2.1 光强空间分布和光强强度曲线校正

将SFDI 光路系统认为一个黑箱系统，DMD 投影的图案为输入信号，CCD 采集的图案为输出信号，通过DMD 投影不同的图案，便可以建立DMD 投影的图案与CCD 采集图案的空间关系和光强关系。

首先，DMD 投影点阵图（每格点间隔5 个像素，每格点由9 个像素组成）于朗博体，CCD 采集点阵图，这样便可以建立DMD 图像像素坐标与CCD 图像像素坐标之间的关系。

其次，DMD 投影光强强度分别为1～256（分别单独投影红、绿、蓝3 个光源）的平面图于朗博体上，CCD 采集不同光强强度的图像，便可建立DMD 光强与CCD光强之间的关系。

最后，结合以上2 点便可以得到DMD 与CCD 各点的光强空间分布和各点光强曲线关系。

为使CCD 采集到的图像空间分布均匀，光强变化线性，可以通过上面建立的2 个关系（图3），通过MATLAB 中的interpl2 函数可以快速地反演出DMD需要投影的图像。

图3 光强空间分布和光强强度校正逻辑关系图

基于以上想法，对SFDI 进光强空间分布和光强强度校正。光强强度校正的效果如图4 所示，系统校正之前DMD 与CCD 之前光强响应曲线呈现非线性，经过在一小块区域内（15×15 像素大小）进行线性平均，使其能够呈现出线性响应。

图4 校正前后DMD 光强响应曲线对比

光强空间校正的结果如图5 所示，图5（a），图5（b）为未校正的DMD 投影平面光图像和CCD 采集到的图像（为了便于对比校正效果，CCD 采集的图像都减去整体平均），经过以上校正方法校正后，DMD 投影图5（c），CCD 采集得到图5（d）的结果。显然，校正后的图像，不仅整体光强幅度变化变小，整体也变得更加平均。

图5 光强空间校正图

为了验证校正的效果，分别查看了校正前后由CCD 拍出的图像，在x 和y 2 个方向上分别有哪些变化。由图6 和图7 可以明显地看出，在校正前，图像呈现出在x 方向上中间亮、两头暗，y 方向上亮度逐渐减小的效果；而经过校正以后，图像则呈现出在x 及y方向上都比较均匀的效果并且拉高了整体光强，无论是平面光还是条纹图。经计算，其误差（有效区域内的光强分布）在2%～4%左右，可见校正有效。

图6 校正前后CCD 采集到的平面光在x 和y2 个方向上的对比

图7 校正前后CCD 采集到的条纹光在x 和y2 个方向上的对比

2.2 CCD 通道污染校正

CCD 通道污染问题产生的原因：CCD 在响应特定波段的光强时，同时还响应了其他波段的光强。比如CCD红通道对625 nm 附近波段较为敏感，而对其他波段也有响应，因此，DMD 投影混色光时，红通道不仅得到了623 nm 波段的信息，还受到其他波段的污染，因此在使用混合光（多波段）作为光源时必须考虑通道污染问题。

首先，我们建立在单色光源下，CCD 采集到3 个单色光下的光强信息：红色单色光（r1，g1，b1），绿色单色光（r2，g2，b2）和蓝色单色光（r3，g3，b3），因此，CCD 的相机响应矩阵可以写为

当投影混合光时，CCD 采集混合光强（Rmix，Gmix，Bmix），显示此混合光强的Rmix，Gmix，Bmix并不是纯净的，其每个独立的光强都是受到其他波段的污染，与真实漫反射光强（Rraw，Graw，Braw）之间的关系为

因此，通过式（2）可以得到真实反射光强

此校正对获取调制传递函数的准确度量至关重要，我们使用此法以标准生物组织样本为标准进行验证得到表1 数据。

表1 混合光校正后与单色光对比结果

可以看出，经过CCD 通道污染校正后，混合光与单色光的MTF 值已经非常接近，可以说明，此校正很成功。

3 结束语

光子方法对生物组织的检测诊断依赖于对包括微观结构、物理性质和局部微循环等的定量成像。利用光与介质的相互作用全面解析组织性状是其发现病变组织、准确疾病诊断、客观跟踪疾病进程和评估治疗效果等的基础。基于空间频域成像技术提取光学、生理参数具有潜在的临床应用价值。其光学系统是否能够有效工作是基础也是关键，从校正结果来看，SFDI 系统经过校正后，其线性度、均匀度都得到了很大改善。通过非侵入式检测组织的光学参数分布图像，发展一种可降低病患痛苦、提高检测效率和准确率、节约各项成本的疾病检测方法，具有重大的科学和社会意义。