一种用于快速活体氧分压检测的像增强频域磷光寿命成像系统及方法

本发明属于生物医学光学成像，进一步涉及频域磷光寿命成像、弱光荧光探测技术，具体为一种用于快速活体氧分压检测的像增强频域磷光寿命成像系统及方法，可用于活体组织肿瘤缺氧、移植组织存活、创伤修复场景下的快速氧分压定量检测。

背景技术：

1、氧分压是评价组织供氧状态、血流灌注、肿瘤缺氧、创伤修复、移植组织存活状态及治疗反应的重要生理参数。利用氧敏磷光探针进行磷光寿命检测，是实现氧分压定量成像的重要技术路径。氧分子能够对氧敏磷光探针产生动态猝灭作用，使磷光寿命随氧分压升高而缩短，因此可通过寿命测量反演局部氧分压。

2、频域磷光寿命成像通过对激发光进行周期性调制，并检测发射磷光相对于激发光的相位延迟和调制度变化，从而求取磷光寿命。双抽头频域flim相机是一种适用于频域寿命测量的成像探测器，其像素内包括至少两个电荷存储抽头，可在不同解调相位下完成互补积分，并输出第一抽头图像和第二抽头图像，以支持频域相位求解。

3、在活体氧分压检测中，氧敏磷光信号通常较弱。一方面，活体组织存在吸收、散射、自发荧光及背景反射；另一方面，为避免光毒性、组织温升和探针光漂白，激发功率和曝光时间通常不能无限提高。弱磷光信号会降低双抽头频域flim相机的解调信噪比，并限制氧分压图像的更新速度。现有方法通常通过延长曝光时间、增加相位采样帧数或多次重复平均来提高寿命计算精度。然而，在活体成像中，较长曝光时间和多帧采集会降低成像速度，并增加呼吸、心跳、血流波动和组织运动造成的伪影。因此，如何在保证定量准确性的同时提升活体氧分压成像速度，是频域磷光寿命氧分压检测中的关键问题。

4、像增强器能够通过光电转换及电子倍增机制放大弱光信号。将像增强器设置在双抽头频域flim相机前端，可以在磷光信号进入图像传感器之前进行增强，从而提高有效信号强度。借助像增强器开展频域磷光寿命成像，可依托弱光信号放大，以更少相位采样帧、更低重复平均次数完成信号采集，有效提升活体氧分压成像采集速率，该方案大幅改善了弱磷光信号探测灵敏度，在快速生物成像领域具备显著技术优势。但像增强器不具备理想无失真放大特性，成像过程中易引入暗信号、空间增益不均、荧光屏余辉、迟发光、基底磷光延迟及相位偏移等干扰；针对磷光寿命检测场景，器件自身余辉、迟发光信号会与样本磷光信号混叠，直接诱发相位计算偏差、磷光寿命测算误差，最终造成氧分压反演结果失真。仅依靠像增强器单纯放大信号无法消除上述系统误差，必须对像增强器固有基础响应做预标定，并在数据解算环节完成误差补偿。

5、与此同时，在短曝光、少相位采样、低信噪比的高速采集工况下，传统解析重建算法难以稳定输出高精度磷光寿命图与氧分压分布图。现有深度学习重建手段能够拟合快速采集数据与高信噪比标准成像结果的映射关系，若融合频域寿命规律、stern-volmer氧分压物理约束，还可兼顾重建效率与结果物理可解释性，但目前尚未形成一套同步实现像增强器误差标定补偿、物理约束深度学习快速重建的一体化成像检测方案。

6、因此，亟需研发一种可同步实现像增强器误差标定补偿、融合物理约束深度学习重建的活体氧分压成像检测方案。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种用于快速活体氧分压检测的像增强频域磷光寿命成像系统及方法。主要解决现有快速flim成像中像增强器引入系统误差、低信噪比快速采样下重建精度差的技术问题。首先，利用像增强器放大微弱磷光信号，缩短曝光、减少采样次数，提升成像速度；然后，对像增强器各类固有干扰参数统一预标定并完成数据补偿；最后，融合频域寿命与stern-volmer氧分压物理约束搭建残差u-net网络，实现低采样数据高精度重建。本发明能够兼顾活体氧分压成像采集速度与定量检测准确度，消除像增强器器件失真带来的寿命、氧分压反演误差。

2、为实现上述目的，本发明技术方案包括如下：

3、本发明提出一种用于快速活体氧分压检测的像增强频域磷光寿命成像系统，包括：调制激发光源、成像镜头、滤光组件、像增强器、中继镜、双抽头频域flim相机、同步控制模块以及数据处理模块；其中数据处理模块，包括像增强器基础响应预标定模块、快速氧分压重建模块以及有效像素筛选模块；

4、所述调制激发光源，用于向活体待测对象的目标区域输出正弦强度调制激发光，以激发所述目标区域中的氧敏磷光探针；

5、所述成像镜头，用于收集所述目标区域发出的氧敏磷光信号；

6、所述滤光组件，用于抑制激发光、组织反射光及非目标波段背景光；

7、所述像增强器，设置于所述滤光组件与双抽头频域flim相机之间，用于对滤光后的氧敏磷光信号进行光电倍增增强；

8、所述中继镜，用于将所述像增强器输出的增强磷光图像耦合至所述双抽头频域flim相机；

9、所述双抽头频域flim相机，用于对所述增强磷光信号进行图像采集和频域解调，并输出第一抽头图像和第二抽头图像；

10、所述同步控制模块，用于向所述调制激发光源和双抽头频域flim相机提供同步时序信号；

11、所述数据处理模块，获取像增强器及成像链路基础响应参数，并依据该参数对第一抽头图像、第二抽头图像进行校正处理，最后基于校正结果重建磷光寿命图或氧分压图。

12、同时，本发明还提出一种基于上述系统实现频域磷光寿命成像的方法，包括如下步骤：

13、（1）对像增强器及成像链路进行基础响应预标定，获得基础响应参数；

14、（2）利用调制激发光源向活体待测对象的目标区域输出正弦强度调制激发光，以激发所述目标区域中的氧敏磷光探针；

15、（3）收集所述目标区域发出的氧敏磷光信号，并滤除其中的激发光、组织反射光及非目标波段背景光；

16、（4）通过像增强器对滤光后的氧敏磷光信号进行光电倍增增强；

17、（5）将所述像增强器输出的增强磷光图像耦合至双抽头频域flim相机；

18、（6）通过所述双抽头频域flim相机对增强磷光图像进行频域解调，获得第一抽头图像和第二抽头图像；

19、（7）根据所述基础响应参数对所述第一抽头图像和第二抽头图像进行校正，并将校正结果送入快速氧分压重建模块；

20、（8）快速氧分压重建模块根据校正后的图像，生成有效像素置信图和磷光寿命图，或有效像素置信图和氧分压图；并将其输入至有效像素筛选模块；

21、（9）有效像素筛选模块根据输入的有效像素置信图，确定具有有效氧敏磷光响应的像素区域，获取最终有效磷光寿命图或氧分压图。

22、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

23、第一、由于本发明在双抽头频域flim相机前端增设像增强器放大活体微弱磷光信号，使得短曝光、少相位采样场景下频域解调信噪比显著提升，从而大幅缩短成像曝光时长、减少相位采样帧数与信号重复平均次数，有效提升了活体氧分压整体成像采集速率；

24、第二、本发明针对像增强器余辉、迟发光、空间增益不均、相位偏移等固有干扰，完成器件基础响应预标定；使得器件自身失真能够完整建模并在数据解算阶段补偿消除，从而规避器件干扰带来的相位偏差、磷光寿命计算误差与氧分压定量反演失真问题；

25、第三、本发明融合频域寿命、stern-volmer氧分压物理约束构建残差u-net重建网络，使得短曝光低信噪比采样图像可稳定重建高精度寿命图与氧分压分布图，从而兼顾快速成像需求与检测结果的物理可解释性，同时降低活体检测的光漂白、光毒性与运动伪影干扰。