一种基于自校正点扩散函数的三维光声显微成像方法

本发明涉及光声显微成像，更具体地，涉及一种基于自校正点扩散函数的三维光声显微成像方法。

背景技术：

1、作为新陈代谢过程中关键的功能单位，血液微循环系统的生理状态可以监测许多疾病，包括糖尿病、高血压和冠心病等。此外，在临床实践上，研究微循环可以评估在血管疾病存在下组织灌注效果；在临床前研究上，研究微循环可以检测药物开发中的治疗效果。目前，已有很多互补的成像技术用于研究微循环，包括甲襞毛细血管镜检查、偏振光谱成像、高频超声成像和磁共振成像等。然而，它们都不能在单一模式中同时提供所需的灵敏度、分辨率和成像深度。

2、光声显微成像(photoacoustic microscopy pam)技术的出现解决了上述问题。该技术凭借非电离、非侵入和多尺度等特性，推动着生命科学研究与医学影像应用的快速发展。一方面，它具有比光学成像更强的穿透能力；另一方面，它相比于超声成像呈现生物组织更丰富的散射和吸收信息。结合光学和声学特性，已成为微循环的结构和功能成像的可行工具；但是，现有的光声显微成像方法，仍然存在成像误差大、精度不够高，导致医疗误诊。

3、为获取微血管网络的三维结构信息，需要克服离焦区成像模糊的困难。该难点主要是两种原因造成的：器件加工精细度、光路设计存在缺陷和搭建对准误差引入了像差；聚焦光斑尺寸的固有特性，随着离焦距离的增加弥散圆也逐渐增大。在空间上的失校正，将影响到结构细节信息的准确显示，进而导致医疗误诊。如何优化光声显微成像的图像采集及校正处理方法，以实现重构被测物精确的三维结构图，是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于自校正点扩散函数的三维光声显微成像方法，有效提高了光声显微成像的精度。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于自校正点扩散函数的三维光声显微成像方法，包括以下步骤：

4、s1.利用单分散黑色聚苯乙烯微球的三维样品进行光声显微成像，获取光声显微系统的psf响应样本集；

5、s2.基于采集到的psf响应样本集，标定光声显微系统的基准面；

6、s3.利用最大投影法提取颗粒卷积图像集，使用多强度投影交替迭代法求解光声显微系统像差；

7、s4.通过共轭相位补偿系统像差，获得三维点扩散函数表征集，然后与标定的高斯函数作差，通过差值对比来检验校正效果；

8、s5.构建空域高斯分布的正则化算法，用xyz轴等采样成像数据，反卷积求解三维原始成像物。

9、根据上述技术手段，在本发明中，一方面，对于像差的引入问题，在光路中附加空间光调制器加载共轭相位在数值上补偿来进行校正。另一方面，对于弥散圆的固有问题，通过测量黑色聚苯乙烯微球在不同离焦量的激发响应图，建立三维成像模糊核堆栈，借助反卷积算法从失真的图像中恢复出原始信号。本发明在综合考虑两种造成离焦区成像模糊问题的前提下，提高聚焦光源质量并逆滤波失真数据，以准确提供微循环网络的三维结构信息。综上，本发明能有效补偿光声系统的像差，与非自校正的重建成像技术相比，点扩散函数集的获取不易受实验测量误差的影响，提升成像质量。进而求解出微循环真实的三维细节信息，极大得提高了pam的性能指标。

10、在其中一个实施例中，所述步骤s1具体包括：

11、s11.根据光声耦合透镜计算光声显微系统的理想分辨率，选择匹配粒径大小的黑色聚苯乙烯微球溶液，稀释后，以单分散的形式固化到明胶中；

12、s12.使用高精度亚微米电机，对目标样本进行等间距三维采样，获得psf响应样本集。z轴即光声信号的采样间隔时间乘以声信号在样本中传播的平均速度。xy轴为电机二维扫描方向。

13、在其中一个实施例中，所述步骤s2中标定光声显微系统的基准面包括：成像区域为以对焦面为基准，离焦区为上下对称的三维空间；根据激光聚焦原理，光斑尺寸最小的t轴位置对应于z＝0。

14、在其中一个实施例中，所述步骤s3中使用多强度投影交替迭代法求解光声显微系统像差包括：

15、s31.对所提取的颗粒卷积图像集，选用最大2d灰度图像的堆栈作为卷积投影观测集；

16、s32.获得随机初始对焦面光场分布，光场分布的相位部分乘以观测集内随机传输因子传递至正离焦面；进行二维傅里叶变换，保留变换后的相位，用正离焦面的观测值代替幅度值；进行傅里叶逆变换，光场分布的相位部分乘以逆随机传输因子传递至负离焦面；

17、s33.在傅里叶逆变换后的光场分布下，进行二维傅里叶变换，保留变换后的相位，用正离焦面的观测值代替幅度值；进行傅里叶逆变换，光场分布的相位部分乘以逆随机传输因子传递至负离焦面；

18、s34.重复步骤s32和s33，传递至负焦面则完成相位迭代的一次循环；每次迭代结束时计算损失函数，判断是否满足自定义阈值的迭代收敛条件；

19、s35.如果满足迭代收敛条件，则停止迭代；如果不满足迭代的收敛条件，且小于达到设定的最大迭代次数，则继续迭代操作，从而得到对焦面的相位信息；

20、其中，在每一次迭代的过程中，系统像差波前均选用前36项泽尼克多项式表示，随机赋予各项归一化初始值，波前表示的归一化系数以波长作为最大初始值；即相位变化2π，归一化系数为1。如532nm，波前像素点的权重系数应小于等于532。

21、在其中一个实施例中，所述损失函数定义为傅里叶变换后的光场幅值fft(xij)与观测值yij之间的欧氏距离；损失函数表达为：

22、

23、式中，n代表第几个像素，i代表像素横坐标，j代表像素纵坐标。

24、在其中一个实施例中，在所述步骤s3中，每次迭代的远场平面帧数大于等于三个，包括对焦面，正离焦面和负离焦面。

25、在其中一个实施例中，所述步骤s4中通过共轭相位补偿系统像差包括：在空间光调制器上加载共轭相位来补偿像差，与对焦面相位相比，共轭相位具有相同的频率，且其空间复振幅为空间复振幅的复共轭。

26、在其中一个实施例中，所述高斯函数为

27、

28、式中，σ是标准方差，x像素横坐标，y像素纵坐标。

29、在其中一个实施例中，为避免图像边缘产生伪影，需要在空域构建基于正则化约束的反卷积算法。因为，在频域中卷积操作是全循环的，但这种假设在图像边缘通常是错误的。所述步骤s5包括：

30、采用贝叶斯最大后验估计表述图像复原问题，根据成像数据y来求解原始信息x表示为一个最小化问题；正则化算法公式表达为：

31、

32、式中，cf表示卷积矩阵，w＝αη2，其中，η2是噪声的方差，α是权重因子，n表示水平和垂直方向梯度滤波器，即gx＝[1-1]和gy＝[1-1]t；考虑噪声呈高斯先验分布情况，简化ρ(z)为|z|2。

33、在另一个实施例中，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述的存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现以上所述方法的步骤。

34、与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于自校正点扩散函数的三维光声显微成像方法，能有效补偿光声系统的像差，与非自校正的重建成像技术相比，点扩散函数集的获取不易受实验测量误差的影响，提升成像质量。进而求解出微循环真实的三维细节信息，极大得提高了pam的性能指标。