一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的方法及测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于空间频域成像检测复杂组织体形貌和光学参数的方法，其包括以下步骤：一、光源产生具有一定空间频率的调制光；二、利用参考平面进行系统标定；三、将调制光投射到待测组织体，由相机采集经样品散射后的反射光图像；四、利用傅里叶轮廓术获取三维面形；五、根据高度和角度校正图像照度；六、逐行傅里叶变换，分解直流和交流频谱分量，再通过傅里叶逆变换得到直流和交流分量图像；七、匹配拟合得到光学参数。本方法只需单次成像，即可获得面形和光学参数信息；同时校正了由于复杂面形导致的光照度误差，测量速度快、精度高。

A Method and Device for Measuring Tissue Morphology and Optical Parameters Based on Spatial Frequency Domain Imaging

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的方法及测量装置
本专利技术属于光学与测量
，更具体涉及一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的方法，还涉及一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的测量装置，适用于测量生物组织的吸收系数和约化散射系数。
技术介绍
公开号为CN105510253A的的中国专利“用空间频域成像检测农产品组织光学特性的装置及方法”，公布了空间频域成像技术，通过将具有一定空间频率的正弦调制光投射到待测组织样本上，由相机采集经组织散射后的漫反射光照度图像，利用特定的光传输模型，如论文“CucciaJD,BevilacquaF,DurkinJA,etal.Quantitationandmappingoftissueopticalpropertiesusingmodulatedimaging[J].JournalofBiomedicalOptics,2009,14(2):024012.”提到的漫射近似方程或蒙特卡罗方法模拟来逐点匹配拟合组织的吸收系数和约化散射系数，从而获得待测组织的光学特性参量分布。由于吸收系数通常与化学成分相关，约化散射系数通常与微观结构等物理性质有关，因此该光学特性检测可用于疾病的诊断和农产品品质的检测等方面。空间频域成像技术可以进行宽场成像，具有无接触、大面积检测的优势。但传统的空间频域成像采用三相移法进行解调，即需要采集同一调制频率下3个不同相位的漫反射图像才能解析出该调制频率下的调制深度；而要同时获得吸收系数和约化散射系数，需要测量2个甚至更多个调制频率下的调制深度，需要对待测样品多次成像，制约了测量的实时性。另外，当待测组织体表面高度不一致时，投射到组织体表面的结构光不满足正弦分布规律，而相机采集到的光照度也会受到组织体面形带来的干扰，造成数据畸变，影响了光学参数测量的准确性。公开号为CN105466889B的中国专利“一种空间频域成像中复杂组织体表面光照度的采集方法”提出了一种通过修改投射的灰度图片和修正CCD相机采集到的图像来降低光照度数据采集误差的方法，但该方法需要计算出组织体表面的三维高度后再次成像，更加制约了测量的实时性。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的缺陷，目的在于提出了一种基于空间频域成像技术测量组织体形貌和光学参数的方法，方法易行，操作简便，只需单次成像即可检测复杂组织体三维面形和光学特性，同时还校正了由于面形导致的光照度误差，提高了测量速度和准确度。本专利技术的另一个目的在于一种基于空间频域成像测量组织体形貌和光学参数的测量装置为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施：一种基于空间频域成像技术测量组织体形貌和光学参数的方法，其步骤是：(1).上位机生成一张空间频率为fx的二维正弦波调制灰度图片，控制投影仪投影该图片，产生正弦调制光，正弦调制光在x方向光强度呈正弦变化；(2)上位机控制投影仪将步骤(1)中的正弦波调制灰度图片投影到标准漫反射板上，上位机再控制CCD相机采集标准漫反射板上的参考光场光照度分布图像信号I0(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I0(x,y)显示条纹图像；所述标准漫反射板位于参考平面，所述投影仪和CCD相机位于参考平面上方的同一高度，使投影仪投射的影像在参考平面清晰投影，同时CCD相机完整采集参考平面上的影像，所述投影仪光轴垂直于参考平面，所述CCD相机的光轴与参考平面的法线方向相交形成夹角A，其中x、y为图像信号的坐标，y方向与x方向垂直，表示参考光场内的条纹方向，H为CCD相机到参考平面的垂直距离，d为投影仪中心与CCD相机中心的距离，r0(x,y)是标准漫反射板的反射率，为已知值；(3)将待测组织体置于参考平面，通过投影仪将正弦调制灰度图片投影到待测组织体上，由CCD相机采集经组织体散射后的变形光场光照度分布图像信号I(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I(x,y)显示变形条纹图像；(4)通过傅里叶变换轮廓术得到待测组织体的三维形貌，据此对变形光场光照度分布图像信号I(x,y)进行校正，得到修正后的信号Icorrected(x,y)；(5)再通过逐行傅里叶变换和频谱数据分解，得到调制深度MTFDC(x,y)、MTFAC(x,y)；(6)在步骤(1)前根据待测组织体的光学参数范围，对待测组织体的光学参数范围内的吸收系数和约化散射系数进行离散，组合吸收系数和约化散射系数得到若干组光学参数；利用蒙特卡洛模拟获得每一组光学参数对应的组织体模型在无限窄垂直光束激励下的漫反射光的空间分布；根据空间域与频域之间的傅里叶变换关系，计算所有组织体模型对应的调制传递函数(MTF)，建立数据库；(7)步骤(5)中的调制深度与数据库中的模型匹配拟合，得到吸收系数和约化散射系数。进一步地，在步骤(4)中所述的傅里叶变换轮廓术包括以下步骤：S01.上位机对步骤(3)中的信号I(x,y)沿y方向对每行数据逐行进行傅里叶变换，选取带通滤波器滤出受待测组织体表面高度调制的信号I(x,y)的基频分量；得到变形光场的基频分布其中A是谐波的振幅，r(x,y)是待测组织体表面非均匀反射率，是变形条纹图像的相位分布；S02.为了消除投影系统发散照明所导致的附加相位调制的影响，上位机对步骤(2)中的信号I0(x,y)也进行步骤(4)的处理，得到原始光场的基频分布其中r0(x,y)是标准漫反射板的反射率，是条纹图像的相位分布；S03.上位机由变形光场的基频分布g1(x,y)和参考光场的基频分布g0(x,y)根据公式计算：*表示共轭运算；S04.上位机根据步骤S01获得的s(x,y)的虚部，计算由待测组织体高度引起的相位调制值Im[s(x,y)]表示取复数的虚部，Re[s(x,y)]取复数的实部,上位机根据经相位展开后可得到真实的相位函数S05.上位机再由相位值转换得到待测组织体高度值分布h(x,y)：其中d为投影仪中心与CCD相机中心的距离，H为CCD相机到参考平面的垂直距离，fx为二维正弦波调制光的空间频率；S06.上位机根据待测组织体的高度值分布h(x,y)，对步骤(3)中获得的信号I(x,y)进行修正，得到待测组织体表面的漫反射光强分布Isurf(x,y)：其中θ(x,y)为组织体表面法线方向与CCD光轴的夹角，可根据其三维面形和空间几何关系求得；根据正弦调整光的光强分布Icos(x,y)和受待测组织体表面高度影响的实际光强分布Ireal(x,y)对Isurf(x,y)进行修正，得到修正后的信号Icorrected(x,y)：其中和分别表示傅里叶变化和傅里叶逆变换：进一步地，步骤(5)包括以下步骤：S07.上位机对信号Icorrected(x,y)逐行进行傅里叶变换，采用滤波器分解直流分量和交流分量，再对直流分量和交流分量分别进行傅里叶逆变换，求得直流DC频谱图像信号Icorrected,DC(x,y)和交流AC频谱图像信号Icorrected,AC(x,y)；S08.按照步骤S07的方法，对步骤(2)中的信号I0(x,y)逐行进行处理，求得直流DC频谱图像信号I0,DC(x,y)和交流AC频谱图像信号I0,AC(x,y)；S09.根据调制深度公式输入步骤S07和S08获得的信号：Icorrected,DC(x,y)、I本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于上述方法的组织体形貌和光学参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)上位机生成一张空间频率为fx的二维正弦波调制灰度图片，控制投影仪投影该图片，产生正弦调制光，正弦调制光在x方向光强度呈正弦变化；(2)选取标准漫反射板置于参考平面，将正弦波调制灰度图片投影到标准漫反射板上，由CCD相机采集标准漫反射板上的参考光场光照度分布图像信号I0(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I0(x,y)显示条纹图像，其中x、y为图像信号的坐标，y方向与x方向垂直，表示参考光场内的条纹方向；(3)将待测组织体置于参考平面，将正弦调制光投影到待测组织体上，由CCD相机采集经组织体散射后的变形光场光照度分布图像信号I(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I(x,y)显示变形条纹图像；(4)通过傅里叶变换轮廓术得到待测组织体的三维形貌，据此对变形光场光照度分布图像信号I(x,y)进行校正，得到修正后的信号Icorrected(x,y)；(5)再通过逐行傅里叶变换和频谱数据分解，得到调制深度MTFDC(x,y)、MTFAC(x,y)；(6)在步骤(1)前根据待测组织体的光学参数范围，对待测组织体的光学参数范围内的吸收系数和约化散射系数进行离散，组合吸收系数和约化散射系数得到若干组光学参数；利用蒙特卡洛模拟获得每一组光学参数对应的组织体模型在无限窄垂直光束激励下的漫反射光的空间分布；根据空间域与频域之间的傅里叶变换关系，计算所有组织体模型对应的调制传递函数(MTF)，建立数据库；(7)步骤(5)中的调制深度与数据库中的模型匹配拟合，得到吸收系数和约化散射系数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于上述方法的组织体形貌和光学参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)上位机生成一张空间频率为fx的二维正弦波调制灰度图片，控制投影仪投影该图片，产生正弦调制光，正弦调制光在x方向光强度呈正弦变化；(2)选取标准漫反射板置于参考平面，将正弦波调制灰度图片投影到标准漫反射板上，由CCD相机采集标准漫反射板上的参考光场光照度分布图像信号I0(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I0(x,y)显示条纹图像，其中x、y为图像信号的坐标，y方向与x方向垂直，表示参考光场内的条纹方向；(3)将待测组织体置于参考平面，将正弦调制光投影到待测组织体上，由CCD相机采集经组织体散射后的变形光场光照度分布图像信号I(x,y)，上位机接收CCD相机的信号I(x,y)显示变形条纹图像；(4)通过傅里叶变换轮廓术得到待测组织体的三维形貌，据此对变形光场光照度分布图像信号I(x,y)进行校正，得到修正后的信号Icorrected(x,y)；(5)再通过逐行傅里叶变换和频谱数据分解，得到调制深度MTFDC(x,y)、MTFAC(x,y)；(6)在步骤(1)前根据待测组织体的光学参数范围，对待测组织体的光学参数范围内的吸收系数和约化散射系数进行离散，组合吸收系数和约化散射系数得到若干组光学参数；利用蒙特卡洛模拟获得每一组光学参数对应的组织体模型在无限窄垂直光束激励下的漫反射光的空间分布；根据空间域与频域之间的傅里叶变换关系，计算所有组织体模型对应的调制传递函数(MTF)，建立数据库；(7)步骤(5)中的调制深度与数据库中的模型匹配拟合，得到吸收系数和约化散射系数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的傅里叶变换轮廓术包括以下步骤：S01.上位机对步骤(3)中的信号I(x,y)沿y方向对每行数据逐行进行傅里叶变换，选取带通滤波器滤出受待测组织体表面高度调制的信号I(x,y)的基频分量；得到变形光场的基频分布其中A是谐波的振幅，r(x,y)是待测组织体表面非均匀反射率，是变形条纹图像的相位分布；S02.上位机对步骤(2)中的信号I0(x,y)也进行步骤(4)的处理，得到原始光场的基频分布其中r0(x,y)是标准漫反射板的反射率，是条纹图像的相位分布；S03.上位机由变形光场的基频分布g1(x,y)和参考光场的基频分布g0(x,y)根据公式计算：*表示共轭运算；S04.上位机根据步骤S01获得的s(x,y)的虚部，计算由待测组织体高度引起的相位调制值Im[s(x,y)]表示取复数的虚部，R...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁驰竹，谭佐军，陈建军，程其娈，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42