[发明专利]单相机提取双视角表面信息的光学断层扫描系统

说明书

本发明涉及一种单相机提取双视角表面信息的光学断层扫描系统。首先，利用线结构光扫描以及可调整的光路设计，获取被测物体上表面和下表面双视角的表面几何结构；其次，该系统也可使用点状光源扫描，获取荧光分子断层扫描图像和扩散光学断层扫描图像。该系统集成度高，标定方法稳定，可获得被测生物样品的表面形态信息、荧光分子三维分布以及光学参数分布。该系统具备造价低廉、成像精度高和多生物体参数整合的优势，在生物成像领域具备较好的产业化前景。

技术领域

本发明涉及一种扫描技术，特别涉及一种单相机提取双视角表面信息的光学断层扫描系统。

背景技术

随着光学和分子影像学的发展，光学分子成像已成为生物医学研究的重要工具。传统的光学平面成像的一个主要限制是由于活体组织的高度散射特性而缺乏深度信息。为了获得三维信息，已经提出了几种光学断层扫描成像方法来解决表面下的结构异常或分子变化，它们包括了扩散光学断层扫描(Diffuse Optical Tomography,DOT)和荧光分子断层扫描(Fluorescent molecular tomography,FMT)，其中，DOT主要解决测量血红蛋白浓度和氧化水平的组织固有光学特性(散射和吸收系数)，而FMT专注于可视化荧光探针的空间分布，可以反映细胞或器官水平上的细微分子变化。

光学断层扫描成像可以分为成像系统和重建算法两个部分。其中，光学层析成像系统根据照明光路设计，分为接触式(主要用光纤)和非接触式(主要用空间自由光),其中在非接触式系统之中，FMT和DOT两种成像模式的系统又有着非常相似的硬件结构，它们都是由光源、振镜、载物台、滤波轮和采集设备组成，所以它们有着集成为一种多功能的成像系统的基础。在层析成像算法上，实验物体精准的结构信息放入重建算法不仅能够给重建结果带来非常大的提升，而且捕获的三维表面信息可以对物体的大小进行量化，能够快速、准确地获得实验品形体信息的结构变化，摆脱以前传统测量带来的误差。

现有的带有表面信息获取功能的荧光分子断层成像系统分为两类：一类是和其他模态进行联合成多模态系统，例如结合MRI、CT等获得结构信息。这种方法带来的难题是需要进行两种模态之间的配准，使得在系统结构设计和算法设计的难度提升，并且导致造价成本提升，失去了一些光学层析成像本该有的优点；另一类则是使用单独的表面信息提取模块，例如结构光深度相机获得表面信息，这类的做法相对于多模态系统一定程度上简化了系统的复杂度，但是大部分带有单独表面提取模块的断层扫描系统通常只有单一视角，只能得到有限视角的表面信息。

在现有的获得多个视角表面信息的光学层析系统中，其方法主要是通过旋转被测物体或者增加探测器数量实现。其中，旋转被测物体以获得全视角的表面信息会导致生物体在测试时发生不可预料的移动误差。而增加探测器会导致成本的上升以及结构的复杂度上升。

现在非接触光学断层成像系统中，光学宏观成像与其他医学成像模态结合的多模态系统的表面信息获取装置设计复杂高且加大了系统成本，并为图像配准带来了新难题；带有表面信息获取功能的光学断层成像系统，例如使用线结构光获取三维信息时，需要进行标定以获取振镜相对于相机的位姿，标定完成以后成像元件不可移动，只能捕获一个视角的表面信息，得到有限角度的表面信息，导致重建的精度低。

带有获取多个视角的表面信息获取功能的光学断层成像系统，通过多个相机和投影仪进行获取表面信息或者转动被测物体来获得全身的表面信息。前者的系统只能获得生物体侧面和上表面的表面信息，无法对下底面的底部表面信息进行捕捉，且成本上升，后者由于生物体的移动会给重建带来系统误差。

发明内容

针对现在非接触光学断层成像系统存在问题，提出了一种单相机提取双视角表面信息的光学断层扫描系统，利用线结构光线扫描技术、直线滑动燕尾台和相机景深的特点，获得被测物体上表面和下表面双视角的表面几何结构，利用点扫描获取荧光分子断层扫描图像和扩散光学断层扫描图像，该系统集成度高，标定方法稳定，可获得生物的多维信息。