具体实施方式

在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对方法和系统的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本方法和系统。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和部件，以免模糊本方法和系统。

尽管这里公开和讨论的例子不限于此，但是这里使用的术语“多个”和“多个”可以包括例如“多个”或“两个或更多个”。在整个说明书中可以使用术语“多个”或“多个”来描述两个或更多个组件、装置、元件、单元、参数等。除非明确说明，否则本文描述的方法示例不限于特定顺序或序列。另外，所描述的方法示例或其元素中的一些可以在相同的时间点发生或执行。

除非另外特别说明，否则如从以下讨论中显而易见的，应当理解，在整个说明书中，利用诸如“添加”、“关联”、“选择”、“评估”、“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“指定”、“分配”等术语的讨论是指计算机、计算机处理器或计算系统或类似电子计算设备的动作和/或过程，其操纵、执行和/或将表示为计算系统的寄存器和/或存储器内的物理(诸如电子)量的数据转换为类似地表示为计算系统的存储器、寄存器或其他此类信息存储、传输或显示设备内的物理量的其他数据。

根据本发明的一些实施例，提供了一种新型光学装置，其目的在于通过采用空间照明来实现通过散射介质的更深成像。

通常，四个主要参数影响光如何在散射介质内传播--以[m-1]为单位测量的吸收系数μ₀，其决定信号的能量损失；以[m-1]为单位测量的散射系数μ₂，其是光在散射之间通过的典型长度的量度，散射各向异性g测量平均值<cos(θ)>，其中θ是散射偏转角(其允许计算典型散射在方向上“向前”的程度)，并且介质折射率n。

从μ_s和g可以导出简化后的散射系数μs′，其中；

μ_s′＝μ_s ^*(1-g) (1)

其表示考虑典型散射方向的实际散射长度。典型的散射时间可以通过简化的散射系数和折射率来计算。

在实际成像情况下，光脉冲通过散射介质投射到样品。由于在介质中的散射，脉冲扩展，可以由弹道、蛇形和漫射信号分量来描述。弹道分量采用通过介质的最短路径并保留图像信息。相比之下，漫射光经历多次散射，在散射介质内行进长距离，并且对形成直接图像没有贡献。蛇形光子在向前方向上经历一些散射，因此保留一些图像信息。然后，光撞击样品，被散射回来或者通过散射介质被在此传输到传感器。

如前所述，信号拉伸并且可以通过弹道、蛇形和漫射光子来描述。

图1是光与散射介质相互作用的光子计数与时间的关系图。示出了通过散射介质从照射光和样品之间的相互作用到达的光子的三个部分(12、14和16)，其被划分为到达传感器的时间。第一部分12包括直接从照明源(B1)到达样品的弹道光子和在与样品(B2)相互作用之后到达传感器的弹道光子。下一部分14，在几皮秒之后，包括两组光子：由于散射介质而在其从样品到传感器的途中散射的光子(B1和P2)，以及由于介质散射到样品方向并且从样品弹道到传感器的光子(P1和B2)。第三部分16包括在到达传感器之前由样品以及由散射介质散射的光子，使得它们最后到达。

已知许多方法从对图像数据没有贡献的光子中筛选对图像数据有贡献的光子。理想的成像方法应该门控第三部分的光子，利用第一部分的光子并从第二部分的蛇光子收集最大量的信息。

已知已经使用了小于t_s'的短光脉冲，以及从光的最早到达起小于100ps的时间门控。这需要昂贵的小于几皮秒的激光源和专用的时间门控传感器。

根据本发明的一些实施例，代替短脉冲和时间门控，用于通过散射介质成像的系统可以采用窄角度的光收集，从而在保持弹道光子的同时省略散射光子。

包括吸收以高于预定角度(例如，0.29°)的角度传播的光的长光学通道的光学系统是已知的，但是可能不适合于在真实的体内条件下通过散射介质成像。此外，在这样的系统中获取的信号通常非常弱，并且易于受到在所有方向上均匀行进的经历多次散射的光子的杂散光的影响。

采用具有短相干长度照明源的基于全息术的方法可以允许更长的脉冲时间。在该方法中，相干长度可以与μ_s'进行比较，只有经历导致小于相干长度的光路的散射的光子才会对干涉图案做出贡献，而行进更长距离的光将被平均化，仅对随机噪声作出贡献。增加散射介质的宽度(沿着成像光束的传播方向(弹道路径)的长度)可以减少干扰光子的数量，同时增加平均噪声。因此，信噪比可以减少样本空间频率重构的模糊和限制。已知，以前曾使用经调制相位对照明进行编码以提高信噪比。然而，假设照射系统直接照射样品，而不像在真实的体内场景中那样通过散射介质散射。此外，这种方法取决于时间复用，这增加了采集持续时间。

根据本发明的一些实施例，可以通过使用空间结构化照明来解决散射限制和高采集时间。这可能需要编码照明图案的自相关。

根据本发明的一些实施例，用于通过散射介质对对象成像的系统可以包括照明系统和成像传感器以及用于处理由成像传感器感测的图像数据的处理单元。

根据本发明的一些实施例，照明系统可以包括产生光束的光源。在一些实施例中，光源可以是例如白光源、发光二极管(LED)、连续激光源、脉冲激光源(例如，飞秒、皮秒、纳秒、毫秒脉冲激光源等)，用于产生成像光束。

空间编码图案生成器可用于对成像光束进行编码，以便通过多个不同的空间编码图案同时照射对象，其中不同编码图案中的每个编码图案的特征在于成像图案的不同波长。

一些不同的编码图案可以全部或部分重叠，但不相关，或者具有在特定点处具有尖锐最大值的相关函数(在这些不同的编码图案之间)。

成像传感器可用于接收透射通过对象或从对象反射后的图像光束，并且处理单元可用于重建由传感器感测的图像数据的图像。

在对象图像的重建中，处理单元可以被设计为执行图像重建算法，该算法解码照射对象的编码空间图案，并通过忽略表示与空间编码图案的偏差的任何图像数据来忽略由散射介质散射的光子。例如，如果绿色光子到达应该由其他颜色(或多种颜色)照射的区域，则在假设它不是弹道光子(例如，它不直接从光源行进到它被检测到的位置，并且最可能在其途中散射)的情况下，在对象图像的重建中它将被忽略。

在本发明的一些实施例中，使用时间门控，以便将弹道光子与散射光子分离。时间门控可以例如通过施加非常短的激光脉冲、通过施加短相干门控(例如，经由干涉)来实现。例如，可以通过采用最早到达光(FAL)方法、执行照明的相干整形以获得期望的时间门控来实现相干门控。

例如，为了应用FAL方法，可以从由光源产生的光束中分离出参考光束，并沿着另一光路将其引导到传感器中，从而允许干涉测量。

空间编码图案可以例如通过采用基于巴克的阵列来获得。可以在样本上投影一组横向移位的巴克编码图案(图1B上所示)。这样的移位可引起样本的图案扫描。

一维(1D)扫描可增强所有方向上的二维(2D)图像，而不管原始扫描方向如何。与根据本发明的一些实施例的系统产生的照明有关的另一特征是其可同时投射不同波长的多个图案。然后可以分离和分析(例如，使用波长多路复用)移位图案照明的样本图像以增加获取时间。

图1B示出了一对基于巴克的阵列，其可用于通过散射介质成像的系统中。在该示例中，13×13基于巴克的阵列(a)，其中每行是基本巴克编码向量的5像素移位。阵列(b)是(a)的巴克阵列的自相关。在本发明的一些实施例中也可以使用其他布置(其他像素数、其他编码矢量)。

可以与图1A相关地计算相干长度。直接的方法可以涉及确定相干长度，使得仅来自第一部分的光子将干涉。增加相干长度可以允许从中间部分收集更多的光子，从而增加信号和噪声。然后，空间编码消除来自对数据没有贡献的B1+P2光子的噪声，同时保留了对数据有贡献的蛇光子。

图2A示出了根据本发明的一些实施例的使用一维照明图案通过散射介质成像的系统。该系统可以被设计为对照明光束的不同波长执行不同的空间编码，以执行分辨率增强并看到散射组织之外。

系统100包括照明源102，例如激光束发生器，诸如连续激光器、脉冲激光器(例如，在一些实施例中为飞秒、皮秒脉冲激光器，在其它实施例中为纳秒或毫秒脉冲激光器--更快的脉冲可以更好地有助于高分辨率成像结果)。由光源102生成的光束可以由分束器104分成两个光束。一个光束用作参考光束，并由反射镜(106和118)引导通过第二分束器126进入光学成像传感器130。另一光束(下文中称为成像光束)被引导通过空间编码图案生成器105，例如一系列光学元件。根据本发明的一些实施例，空间编码图案生成器被配置为跨第一轴将多个不同的空间编码图案成像到要成像的对象上，该第一轴垂直于成像光束的传播方向，并且被配置为跨第二轴将所述多个不同的空间编码图案执行到对象上的傅里叶变换，该第二轴既垂直于第一轴又垂直于成像光束的传播方向。

首先，成像光束穿过衍射光栅栅格G1 108，例如每毫米300行，其它光栅可以在每毫米200到2/λ(中心照射波长)光栅行的范围内，并且被衍射成多个平行光束，然后当通过柱面透镜L1时，在X轴方向上进行傅里叶变换。L1被表征为对于两个正交轴中的每一个具有两个不同的焦距值(例如，Y轴中的f和X轴中的2f，例如分别为25.4mm和50.8mm)，衍射光栅栅格G1 108与L1相距2f(L1的X轴焦距)，使得X轴中的傅里叶共轭平面位于L1的X轴焦点处，并且光束的成像平面位于Y轴焦点处。这使得成像光束在不同的偏转位置处分离成不同波长的多个光束，对应于它们在X平面中的波长，其中光束在Y平面中的原始高度保持不变。编码图案元件112(例如，两个基于巴克的阵列114，诸如例如图1B中描绘的阵列)进一步沿成像光束的传播方向向下设置，位于距L1 2f的距离(L1的X轴焦距)处，以相应地编码不同波长的多个光束中的每个光束。接下来，成像光束穿过透镜L2 116，透镜L2 116的X轴焦距再次是该透镜在Y轴上的焦距的两倍(例如，分别为25.4mm和50.8mm)。编码图案元件112与L1110(L1的X轴焦距)相距2f(L1的X轴焦距)，在该点处形成编码图案在Y轴上的图像，并且透镜L2 116位于2f(L1的X轴焦距)的距离处，并且用于将成像光束在X轴上加宽回到其原始宽度。

从L2 116射出的光被引导到样本(例如，患者体内的组织)上，该样本可以位于距L2 2f的距离处(L2的X轴焦距)。光透射通过样品并由光学成像传感器130收集。分束器126可以放置在该路径中，以便在撞击光学成像传感器130之前将参考光束与成像光束组合。

L1和L2的相应X轴焦距Y轴焦距可以相同或不同。

图2B示出了根据本发明的一些实施例的在不同平面上的特定波长的光强度的图像。图像(a)示出了成像光束到达L1时的强度图像，在X轴焦平面处，刚好在编码图案之前。图像(b)示出了在遍历编码图案之后成像光束的强度图像。仅有一行明显通过，在Y轴上编码。图像(c)是成像光束在对象上的投影强度。

最后，在图2的例子中，(从L1出现的多个波长中的)每个波长的结果是在Y轴上遵循编码图案和在X轴上遵循原始光束轮廓的光点。根据编码图案，每个波长将在对象上产生不同的图案。

使用编码图案来引入一组横向移位的图案(例如2D图像，以图2所示的图案编码单行的图案，对每个波长移位编码行)，我们可以支持图像增强和相干门控信号，如在介绍中所解释的。

图3示出了根据本发明的一些实施例的使用二维照明图案通过散射介质成像的系统。

系统200的设计类似于图2A的系统100，但是在空间编码图案发生器中具有一些附加的光学元件，沿着空间编码图案发生器的光路依次为：第二衍射光栅栅格120和第三透镜L3 122。第三透镜L3 122的X轴焦距是该透镜在Y轴上的焦距的两倍(例如，分别为25.4mm和50.8mm)。

衍射光栅栅格120(例如每毫米300行，其它光栅可以在每毫米200至2/λ(中心照明波长)光栅行的范围内)位于透镜116的X轴焦点和透镜L3 122的X轴焦点处。

透镜的焦距(X，Y)不必相同(在图2B和图3所示的任一系统中)。

由于添加了光学元件，在该设置中生成的空间编码图案投影是二维的。

本发明的一些实施例可以利用离散波长编码图案。本发明的一些实施例可以利用连续波长(频带)编码图案。

第二衍射光栅栅格G2 120可以被设计为满足所需的功能。

例如，对于离散的波长，G2被设计成具有频率其中v₀是G1的频率，f_L1X和f_L2X是L1和L2的X轴焦距。

对于连续波长带，具有单个频率G2的网格可以具有频率ΔΩ，使得：其中，N_num是将投影在目标上的不同图案的数量，λ₀是最小投影波长和Δλ。

使用编码图案来引入一组横向移位的图案(例如，图1B所示图案的2D图像，对于每个波长在水平方向上将编码循环移位一个像素)，可以增强图像重构，并且如上所述获得相干门控信号。

空间编码图案生成器的光学设置的数学描述提供如下：

对于平面U(X₀，Y₀)，假设波前恒定，并且向栅格倾斜θ：

具有频率v₀的网格G1后面的平面U(X₁，Y₁)

平面U(X₂，Y₂)用f1*lambda缩放的傅里叶变换我们假设我们只取第一衍射级并得到：

u₂(x₂，y₂)＝δ(x₂-[f₁·sinθ+f₁v₀λ])

对于离散波长：

透镜具有不同的焦点，使得U(x1，y1)到平面U(x2，y2)之间的长度是fx＝2*fy，因此可以产生y平面中的成像和x平面中的傅里叶变换。

在X平面中，透镜具有有限直径的孔径D，使得在平面U(x2，y2)中有足够的位置来放置图案，照明强度的变化最小：

u₂(x₂，y₂)＝δ(x₂-[f₁·sinθ+f₁v₀λ])sinc(D·x₂)

空间编码图案元素(编码掩模)可以放置在L1的焦平面之前，以便再次得到相同直径的正弦函数。

在这些条件下，在编码掩模之前，可以获得离散位置中的不同色斑，其以[f₁·sinθ+f₁v₀λ]为中心。对于每个位置，可以匹配编码图案，如图4所示。系统400中的激光源402生成成像光束，该成像光束穿过光栅栅格404、透镜406并将离散的分离的颜色点(蓝色410、绿色412和红色414)照射到空间编码图案元素408上。

平面X₃乘以编码图案：

以f2*lambda缩放的平面X₄傅里叶变换：

引入grid2：

为了将斑点联合在一起，grid2应该与相同：

平面X6傅里叶变换：

这意味着栅格将每个波长偏转到光轴位置，而不管波长如何。

另一种解决方案涉及产生连续波长带、一个频率光栅。

透镜具有不同的焦点，使得U(x1，y1)到平面U(x2，y2)之间的长度为fx＝2*fy，因此可以获得y平面中的成像和x平面中的傅里叶变换。

在X平面中，孔径D可以被打开，使得在平面U(x2，y2)中，对于每个波长存在δ函数：

平面X₃乘以编码图案：

u₃(x₃，y₃)＝δ(x₃-[f₁·sinθ+f₁v₀λ])B(x₃-f₁v₀λ_min) (11)

注意，在所讨论的示例中，编码图案是从大小为ΔX_pt的N_p个离散像素构建的，这意味着每个图案可能需要长度为L_pt＝NpΔX_pt。如果期望N_num个不同的图案，则可能需要大小为L_num＝N_numL_pt＝N_numN_pΔX_pt的光点。

这意味着激光光谱带应为：

f₁v₀Δλ＝N_numN_pΔX_pt (12)

以f2*lambda缩放的平面X₄傅里叶变换：

引入仅具有一个频率的电网G2：

假定t f₁＝f₂且θ＝0：

其中ΔΩ当前将是未确定的

平面X₅乘以网格2：

平面X₆傅立叶变换：

对于单个波长，图5示出了用于单个波长的等式10卷积分量。顶部是等式的左分量，底部是等式的右分量，并且图6中描绘了每个波长的最终卷积。

图6示出了涉及单个波长的最终卷积的等式10。

因此，对于无限数量的订单，整个空间可以用编码图案覆盖，但是可能需要缩放的巴克码。

最小波长位置是：

x₀＝λ₀f₃v₀ (11)

与第一波长重叠的下一波长是：

λ₀f₃v₀＝λ₁f₃(v₀-ΔΩ)

通常，第n个重叠是：

为了使用整个带宽，采用网格频率，使得精确地获得N_num个副本：

最后：

如果f₁≠f₂ 并且到处都是θ＝0：v₀，则将其替换为

通常，第n个重叠是：

注意，从等式(14)，每个图案区域λ_n-λ_n-1具有不同的光谱尺寸，因此图案应该在每个图案区域中缩放。

图7示出了光谱轴的图示，其中标记了不同的光谱区域。开始于每个区域的波长以黑色虚线标记。每一区域将最终移位到基础光谱区域。

每个区域中的图案像素被缩放以适合基本光谱区域中的N个相等间隔的像素。在图的底部，每个图案像素由蓝线示出，并且通过填充指定图案像素内的空间来示出不同的图案。放在L1透镜X轴焦点中的编码图案应该由这些波长对应位置中的整个编码图案组成，如底部的总图案所示。

图8示出了溶液2的光谱区域和图案像素。第n个光谱区域具有λ_n-λ_n-1的区域，每个区域具有不同的光谱尺寸。区域中的像素由蓝线标记，每个图案不同地填充不同的光谱像素。最终，编码掩模在透镜L1的X轴焦平面中的平面的空间轴中的对应位置中包括如本文所示的相同图案。

为了找到Np个像素在第一区域中相等间隔的尺度，从等式(14)和等式(15)，通过网格乘法的第一图案重叠是：

并且第一状态是λ₁-λ₀被划分为Np个等间隔的像素，每个像素长度是：

并且每个像素的起始光谱波长为：

因此，在每个第n复制品中，第m像素的起始光谱波长为：

解决方案3：建议连续波长、多频光栅。

在前一节中，示出了包括一个频率的栅格G2，该频率将投影照明折叠在最小波长的G1偏转位置。

相反，这可以使用具有多个频率的不同G2光栅来完成，每个频率将朝向期望位置偏转不同的波长。该方法的优点在于，与单频网格方法相比，它使成像光束偏转得更靠近光轴。

为了计算将开始每个新图案的所需频率和波长，可以如下考虑迭代：λ₁，v₁

在这种情况下，光轴中的复制品可以在图8中示出。在该图中示出了空间轴平面上的每个新G2网格频率的偏转。示出了三个示例电网频率。较粗的线(在lambda(λ)轴上)标记每个不同编码图案频率之间的分离波长。

应用上述迭代关系迫使网格中的每个新频率将波长偏转到已知位置，使得激光源带宽中的部分保持在特定部分中的特定计算波长之间。注意，虽然在(G1-v₀)λ₀至(G1-v₀)λ₁之间的第一空间部分中，空间编码图案的集合是完整的，但是可以通过采用附加波长、移位或投射到到达空间位置的波长中的另一时间来放大空间区域。

在对象图像的重构中，从反射自对象或透射通过对象的编码成像光束中检索的不同编码图案中的每个编码图案的图像可以乘以相应的解码图案以获得乘积，并且所有乘积可以相加以获得对象的重构图像。

根据本发明的一些实施例，以上述方式解码适合于通过散射介质成像以及将成像分辨率提高到超分辨率。

图9示出了根据本发明的一些实施例的多芯纤维内窥镜800，其包括用于通过散射介质对对象成像的系统。内窥镜800可以包括细长的多芯纤维体802，其具有一个或多个照明纤维804和一个或多个成像纤维812。可以提供空间编码图案生成器806，其光学地链接到一个或多个照明光纤804，照明光纤804被设计为引导由空间编码图案生成器806生成的多个不同的空间编码图案通过内窥镜主体802离开其远端，以便照明对象814(例如，患者体内的组织)。内窥镜的一个或多个成像光纤812接收来自对象814的反射照明光并将其(例如，经由分束器808)传输到成像装置810中，成像装置810包括成像传感器816和处理单元818。

图10是根据本发明的一些实施例的用于通过散射介质对对象成像的方法的图。方法900可以包括生成902光束。方法900还可包括使用空间编码图案生成器，对成像光束进行编码904以便通过多个不同的空间编码图案同时照射对象，其中所述不同的编码图案中的每个编码图案特征在于成像图案的不同波长。

方法900还可以包括使用成像传感器，接收906透射通过对象或从对象反射的编码成像光束，以及使用处理器，从成像解码908图像数据并重建对象的图像。

本发明的一些实施例可以以系统、方法或计算机程序产品的形式实施。类似地，一些实施例可以体现为硬件、软件或两者的组合。一些实施例可以体现为以体现在其上的计算机可读程序代码的形式保存在一个或多个非暂时性计算机可读介质(或多个介质)上的计算机程序产品。这样的非暂时性计算机可读介质可以包括当被执行时使处理器执行根据示例的方法步骤的指令。在一些示例中，存储在计算机可读介质上的指令可以是安装的应用的形式和安装包的形式。

这样的指令可以例如由一个或多个处理器加载并被执行。

例如，计算机可读介质可以是非暂时性计算机可读存储介质。非暂时性计算机可读存储介质可以是例如电子、光学、磁性、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或其任何组合。

计算机程序代码可以用任何合适的编程语言编写。程序代码可以在单个计算机系统上或在多个计算机系统上执行。

上文参考描绘根据各种实施例的方法、系统和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了一些实施例。

这里讨论的各种实施例的特征可以与这里讨论的其它实施例一起使用。已经出于说明和描述的目的呈现了实施例的前述描述。其并非旨在穷举或限制所公开的精确形式。本领域技术人员应当理解，鉴于上述教导，许多修改、变化、替换、改变和等同物是可能的。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。