[论文解读] Imaging at depth in tissue with a single-pixel camera

Vicente Durán, Fernando Soldevila+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2014

Random lasers and scattering media参考文献 24被引用 3

一句话总结

本文提出了一种无需相干光的非侵入式方法，利用单像素相机和结构化非相干照明实现深层组织成像。通过将压缩感知应用于单个探测器测量的光强波动，该技术成功在可见光波段下重建了嵌入6 mm厚鸡胸组织中的物体的高保真度图像，展示了在无需时间门控或光栅扫描系统情况下的生物医学诊断实际潜力。

ABSTRACT

One challenge that has long held the attention of scientists is that of clearly seeing objects hidden by turbid media, as smoke, fog or biological tissue, which has major implications in fields such as remote sensing or early diagnosis of diseases. Here, we combine structured incoherent illumination and bucket detection for imaging an object completely embedded in a turbid medium. A sequence of low-intensity microstructured light patterns is launched onto the object, whose image is accurately reconstructed through the light fluctuations measured by a single-pixel detector. Our technique is noninvasive, does not require coherent sources, raster scanning nor time-gated detection and benefits from the compressive sensing strategy. We experimentally retrieve the image at visible wavelengths of a transilluminated target embedded in a 6mm-thick sample of chicken breast.

研究动机与目标

• 为克服在浑浊生物介质（如组织）中成像深层嵌入物体的挑战。
• 开发一种非侵入式成像方法，避免使用在生物环境中往往不切实际或具有损伤性的相干光源。
• 利用单像素探测器和结构化照明，在散射介质中实现高分辨率图像重建。
• 证明压缩感知与桶探测结合在深层组织成像中的可行性。
• 在无需时间门控或光栅扫描技术的情况下，实现厚而高度散射样本（如鸡胸）中的清晰图像恢复。

提出的方法

• 该方法采用结构化非相干照明，即一系列微结构光图案被投射到嵌入浑浊介质中的目标上。
• 单像素探测器为每种照明图案收集总透射光强（桶信号），以捕获样品的整体响应。
• 利用压缩感知算法进行图像重建，利用目标图像在合适基下的稀疏性，从少于传统方法所需的测量数中恢复出物体。
• 该技术避免了相干照明、时间门控检测和机械扫描，转而依赖于照明图案与测量光强之间的统计相关性。
• 重建过程使用由照明图案导出的已知测量矩阵，并通过求解优化问题来恢复图像。
• 该方法通过使用6 mm厚的鸡胸样本作为散射介质进行了实验验证，采用可见光波段照明和单像素探测器。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用非相干光和单像素探测器在高度散射的生物组织中实现对深层嵌入物体的高保真度成像？
• RQ2 在无相干照明的情况下，压缩感知在浑浊介质中能将图像重建所需的测量数减少到何种程度？
• RQ3 单像素相机系统能否在无需时间门控检测或光栅扫描的情况下，可靠地恢复厚而散射的样品中的图像？
• RQ4 与传统成像技术相比，该方法在分辨率、信噪比以及生物环境中的实用性方面表现如何？
• RQ5 该非相干、单像素、压缩感知方法在离体组织中能达到的最大成像深度是多少？

主要发现

• 该方法仅使用单像素探测器和非相干照明，成功重建了嵌入6 mm厚鸡胸组织样本中的透射目标的高保真度图像。
• 图像重建过程中未使用相干光源、时间门控检测或机械光栅扫描，显著简化了实验装置。
• 该技术利用压缩感知，从远少于目标图像像素数的测量数中恢复出图像。
• 实验结果表明，尽管组织中存在强烈的光散射，单像素相机系统仍能分辨出目标的精细结构细节。
• 即使在传统成像因多次散射和信号退化而失效的深度下，该方法仍保持了图像质量和对比度。
• 本研究证实，利用非相干结构化照明和桶探测可实现非侵入式、低成本且生物相容的深层组织成像。