摘要: 快照光谱成像技术在一个或数个采样周期内获取用于重建目标光谱立方体的图像数据，可以有效地提高信息获取的速度。快照式傅里叶变换光谱成像仪是一种计算型的快照光谱成像仪，具有结构紧凑，抗震性好等特性。快照光谱成像技术获取光谱立方体数据的方... 展开 快照光谱成像技术在一个或数个采样周期内获取用于重建目标光谱立方体的图像数据，可以有效地提高信息获取的速度。快照式傅里叶变换光谱成像仪是一种计算型的快照光谱成像仪，具有结构紧凑，抗震性好等特性。快照光谱成像技术获取光谱立方体数据的方式是将图像不同频谱的相关分量同时映射在一个探测器的不同像素区间，因此必然会造成单一分量图像的空间分辨率降低。同时，计算型的快照光谱成像技术普遍面临光谱重建算法复杂，计算效率不高的问题。 本文开展了快照式傅里叶变换光谱成像关键技术研究，并将该技术应用于临床医学检测，具体研究内容如下： 1.分析了快照式傅里叶变换光谱成像技术的基本原理，实现了样机的结构设计。针对双沃拉斯顿棱镜结构参数对傅里叶变换光谱仪的性能影响机理进行了详细的分析，并根据应用需求对光机结构进行了优化设计，完成了快照式紧凑型傅里叶变换光谱成像仪样机的研制。 2.针对快照式傅里叶变换光谱成像仪面临的图像空间分辨率低的问题，研究了利用样机干涉子图阵列间的空间冗余信息进行图像超分辨方法。为获得高空间分辨率图像，现有方案均引入额外光路单独成像，增加了系统体积。本课题利用子图阵列间存在的微小偏移，采用深度学习的方式直接重建高质量全色图像，从而降低了样机结构的复杂度，保持系统紧凑性。在训练阶段，通过同轴分光路的方式同时采集同轴全色图像和快照光谱图像，将全色图像与光谱图像中的部分子图构成训练对进行训练；训练完成后移除普通全色图像光路，即可利用训练后的网络进行高质量全色图像重建。经过特殊设计的深度卷积网络能够同时实现对阵列子图的对比度增强及图像超分辨。在放大倍率约3.5倍情况下，该方法可获得一幅PSNR普遍高于33dB，SSIM普遍高于0.95的全色图像，从而为光谱立方体数据的融合提供质量保障。 3.针对快照式傅里叶变换光谱成像仪光谱重建算法计算效率低的问题，分析了该仪器的数据特性及算法的并发性，并对光谱复原算法进行了并行化设计。针对其中难以并行的子图像配准过程，通过光学设计保证系统子图阵列之间相对位置固定不变，并提出了一种基于模板的阵列化图像并行配准方法。该方法利用棋盘格模板进行预配准的方式，将配准参数以坐标形式进行存储，利用GPU纹理内存的硬件插值特性，直接利用存储的坐标参数，对所有目标子图进行高效并行重采样达到子图对齐的效果。配准过程中的变换模型采用分区线性变换来将子图的微小形变进行分段处理，整体配准效果优于直接进行仿射变换。经过优化过后的样机光谱重建时间缩减到了约90ms，小于探测器的图像传输速率。检测结果表明，样机单谱分辨率优于300cm-1，具有良好的光谱成像效果。 4.开展了快照光谱成像技术在系统性红斑狼疮病情活跃度监测中的应用研究。本文以系统性红斑狼疮患者的特异性皮肤表现症状作为切入点，利用快照式紧凑型光谱成像系统的便携、实时光谱成像能力，进行临床患者皮肤损伤光谱数据的采集，建立起基于光谱数据的病情活跃度模型，得到患者病情活跃指数与患者疾病状态之间的对应联系。对比发现，利用光谱仪所分析得到的患者病情活跃指数与医生对患者皮损活跃状态的人工评级相一致，病情活跃指数在对应人工评级上呈现正态分布。通过对比患者病情活跃指数的变化与表征患者疾病状态的补体C3/C4水平、dsDNA水平以及SLEDAI评级的变化发现，病情活跃指数变化与患者病情活跃性变化保持一致。因此，利用快照式傅里叶变换成像光谱仪能够实现对系统性红斑狼疮疾病活跃度的辅助监测。 收起