[发明专利]一种基于低秩约束的多模光纤内窥镜成像系统

说明书

本发明公开了一种基于低秩约束的多模光纤内窥镜成像系统，包括：激光器、偏振片、相位调制器、分束器、光纤耦合器、多模光纤、光纤准直器、光强探测器和低秩约束图像重构模块。激光经偏振片起偏后，经相位调制器加载随机调制相位；由光纤耦合器将调制光耦合入多模光纤；在出射端的光纤准直器后对调制光场预校准；使用预校准光场对待测样品进行成像，通过光强探测器测量样品反射光强；低秩约束图像重构模块根据测量矩阵与光强探测器响应值，应用低秩约束算法对内窥镜图像进行恢复。本发明是一种全新的多模光纤内窥镜成像方式，极大减少内窥镜的尺寸，同时具有一定的抗光纤弯折扰动的特性，相比于现有重构算法可实现更高质量的内窥镜成像。

技术领域

本发明涉及多模光纤内窥镜成像技术领域，特别涉及一种基于低秩约束的多模光纤内窥镜成像系统。

背景技术

医用内窥镜技术经过多年的发展，已成为临床医学中实现微创或无创的在线活体检查和治疗的重要手段之一。目前已获得应用的内窥镜结构主要可分为三类：硬管式、电子式和光纤式内窥镜。其中，硬管式内窥镜不可弯曲，探头体积大，只可应用于活体表层部位；电子式内窥镜的探头大小也受限于其前端的图像传感器尺寸，无法满足细胞级成像需求。因此，发展具有微小探头的内窥镜深入活体器官或者组织内部，实现细胞级成像，是目前内窥镜技术亟待突破的重要技术问题，而光纤式内窥镜为攻克该问题提供了全新的解决方案。

现有的基于单模光纤的内窥镜仍存在诸多问题：单光纤扫描成像的方案需加入机械扫描结构，探头体积大，难以进行高速成像；多根单模光纤聚束传导图像的方案，其分辨率受限于光纤数目，而单模光纤芯径较小而芯间距较大的特点使其无法满足高分辨成像的需求。鉴于多模光纤中多个导波模式并行传输的特性，单根多模光纤已被广泛用于传输二维图像信息，基于多模光纤的内窥镜技术也因此受到广泛关注。

在已有的研究中，基于压缩感知算法的多模光纤内窥镜成像方案已发现该种内窥镜对光纤扰动有一定的抵抗性，并有着图像质量随着测量次数增加而提高的趋势。但是亦有研究发现，即便重复测量次数不断提升，重构图像中信号部分仍由离散点组成，目标图像不连续，影响对具体目标的识别判定，这是制约压缩感知多模光纤内窥镜图像质量的主要因素。参考文件1：Amitonova,Lyubov V.,and Johannes F.De Boer.Compressiveimaging through a multimode fiber.Optics letters 43.21(2018):5427-5430；参考文件2：Lan,Mingying,et al.Robust compressive multimode fiber imaging againstbending with enhanced depth of field.Optics express 27.9(2019):12957-12962.

利用基于压缩感知算法的多模光纤恢复出的图像存在离散点，主要由其内禀的稀疏约束条件引起，因其需要假定目标在某个变换域上的稀疏先验特性。

发明内容

本发明针对目前多模光纤内窥镜采用压缩感知算法恢复出的图像存在离散点的问题，提出了一种基于低秩约束的多模光纤内窥镜成像系统，基于内窥镜探测中目标的自我相似性特征，利用低秩约束进行图像恢复，能够显著改善重构图像的连续性，兼有抗光纤扰动的特性，并在简单目标的成像中更具有显著优势。

本发明提供的一种基于低秩约束的多模光纤内窥镜成像系统，包括：激光器、偏振片、相位调制器、分束器、光纤耦合器、多模光纤、光纤准直器、光强探测器和低秩约束图像重构模块。激光器发出的一束激光经过偏振片起偏后，照射到相位调制器上。相位调制器中加载预先制作好的一系列随机相位掩模，对激光进行随机相位调制。记录相位调制器中每个相位掩模板上的随机相位分布以及相位掩模的播放顺序。经过相位调制的空间光束经分束器，将透射光束射入光纤耦合器。调节光纤耦合器将调制后的空间光束耦合入多模光纤，在多模光纤的出射端设置光纤准直镜，通过光纤准直镜将多模光纤内传输的光场解耦为空间光束，照射在待测物体上。待测物体的反射光被光强探测器探测。