基于单像素空间频域成像与LUT辅助代数重建的双波段NIR-I/II层状光学断层成像技术

《Optics and Lasers in Engineering》：Dual-band NIR-I/II laminar optical tomography via single-pixel spatial frequency-domain imaging and LUT-assisted algebraic reconstruction

　　•双频段单像素SFD-LOT技术可实现NIR-I/II波段的层状光学成像。•该系统将基于DMD的结构化照明技术与双SPAD检测相结合。•受LUT约束的ART算法可提升深度分辨的吸收特性重建精度。•多空间频率灵敏度有助于区分浅层结构。•虚拟实验与体内实验均显示出更优异的光谱稳定性。

引言
空间频率域（SFD）成像是一种宽场、非接触式光学技术，可通过结构化照明和漫反射分析实现对混浊介质光学特性的定量评估[[1], [2], [3]]。通过引入层析正向模型，SFD成像进一步发展为层状光学层析术（LOT），该技术能够在保留SFD成像宽场和非接触特性的同时，实现亚表面光学特性分布的深度分辨重建[[4], [5], [6]]。与传统点源漫射光学层析术相比，SFD-LOT为体积光学成像提供了更高效的测量方案，因此非常适合快速对混浊介质进行大范围特性分析[7,8]。

目前大多数报道的SFD-LOT系统都在可见光及第一近红外波段（NIR-I，700–1000纳米）范围内工作，因为该波段易于使用硅基探测器，且系统设计相对简单[[9], [10], [11]]。将SFD-LOT扩展到第二近红外波段（NIR-II，1000–1700纳米）具有很大研究价值，因为较低的散射强度有助于更好地控制光子传输的空间范围，而水和脂质带来的额外吸收特征则能提供更多光谱信息[12,13]。不过，宽带NIR-II成像通常需要依赖热电冷却的铟镓砷（InGaAs）焦平面阵列，这类器件成本高昂，且噪声水平往往高于硅基器件[14]。这一硬件限制使得双频段NIR-I/II SFD-LOT技术的实际应用面临困难，从而推动了诸如单像素成像（SPI）之类的替代检测架构的发展[15,16]，这类架构无需依赖短波红外相机阵列，即可利用单个探测器实现宽带数据采集。

尽管在测量设计方面取得了进展，但SFD-LOT中的体积重建仍受到漫射逆问题固有不适定性的制约[17]。在稳态边界测量条件下，现有信息通常不足以同时精确还原吸收和散射特性，这会导致参数间强耦合以及联合重建的不稳定性[18]。在传统的稳态SFD-LOT中，逆问题通常在基于扩散模型的线性扰动框架内构建，其敏感度矩阵是根据预设的背景光学特性来设计的[5,11]。因此，实际重建往往只关注某一主导对比度参数，如吸收扰动，而散射系数则被视为已知值、经过校准的值或根据先验知识固定的值。这样一来，重建得到的吸收分布就会受到所设定的散射背景以及基于扩散模型的正向模型误差的影响。在NIR-II/长波红外波段，由于散射减弱、水/脂质的吸收增强，以及μs′/μ比值降低，光子传输特性会发生改变，进而使系统对模型误差和吸收-散射相互干扰的敏感性上升[19,20]。

作为一种常用的基于模型的策略，均匀介质LUT反演方法已被应用于SFD成像，用于将吸收和散射特性与漫反射信号分离[21]。在此基础之上，人们还开发了双层LUT或分层逆模型，以考虑表层效应，从而提高分层介质中光学特性的估算精度[12,22]。最近的多频率SFDI模型也试图实现对分层组织中光学特性的深度敏感型估算[23]。然而，这些方法本质上仍属于表面或分层映射技术，通常需要预设层的几何结构、厚度或固定光学参数，无法直接实现体素级的深度分辨吸收重建。这一局限促使人们尝试将基于LUT得到的光学特性估算结果转化为具有物理依据的约束条件，以此稳定体积层析反演过程。

与此同时，基于学习的方法也被用来规范漫射光学逆问题，加快光学特性的重建速度[24,25]。不过，这类方法的性能在很大程度上依赖于具有代表性的模拟或实验训练数据，当成像几何结构、波长选择、光学特性范围、采样策略或噪声统计特性与训练数据存在差异时，其泛化能力和迁移能力可能会下降。因此，对于双频段单像素SFD-LOT技术而言，一种基于物理原理、无需训练的数据处理方法——即结合实验估算得到的光学特性先验信息——仍然具有很大的应用价值。

在本研究中，我们提出了一种双频段NIR-I/II SFD-LOT框架，该框架将基于SPI的宽场数据采集技术与基于查表辅助的代数重建技术（LUT–ART）整合到一个统一的成像流程中。在系统层面，我们设计了一种宽场架构，通过采用光谱分离式的SPAD单像素检测技术，实现在NIR-I和NIR-II两个波段范围内的宽带数据采集，从而无需依赖热电冷却的InGaAs焦平面阵列。这种双频段设计带来了互补的光谱灵敏度：NIR-I波段有助于光子更深入地穿透介质，同时具备更好的信噪比；而NIR-II波段则能增强光子在表层的空间定位能力，并通过额外的吸收特征提升光谱对比度。在重建层面，我们引入了LUT–ART框架，将该框架中基于LUT得到的吸收和散射图作为具有物理依据的背景约束条件，用于体积反演过程。通过约束散射背景并重建吸收扰动，这一方法减少了自由未知数的数量，降低了吸收-散射相互干扰的影响，即使在数据稀疏或光子数量有限的条件下，也能实现稳定的深度分辨重建。在本研究中，由于该方法在生物医学应用中具有重要价值，我们主要通过吸收特性重建来验证其性能。虚拟实验和体内实验均表明，该方法能够实现光学特性的精准分离、稳定的定量分析结果以及可靠的深度分辨成像性能，充分体现了所提出的“测量与重建协同设计”框架的有效性。

方法部分
本节介绍了所提出的双频段单像素SFD-LOT系统的实验平台与计算框架。该系统的方法论主要包括四个部分：首先，构建了一种基于结构化照明和单像素光子计数检测的双频段光学成像系统；其次，通过锁相光子计数解调技术实现多波长信号的分离；再次，利用离散余弦变换等方法重建空间调制的反射率图像。

结果部分
为评估所提出的双频段单像素SFD-LOT框架的性能，我们开展了控制性的虚拟实验及体内验证实验。实验中使用了具有独立可调吸收和散射特性的琼脂基组织模拟体，以此作为具有明确参考标准的测试对象。实验结果按不同层次对框架的性能进行了逐步验证：3.1节通过LUT反演技术验证了平面光学特性的分离效果；3.2节则对系统的定量分析能力进行了评估。

讨论部分
第3节呈现的结果从测量和重建两个方面共同证明了所提出的双频段单像素SFD-LOT框架的有效性。该方法的稳定性并非仅仅依赖于更多的测量维度，而是源于数据采集策略与逆向建模之间的协同设计。

所提框架的一个关键特点是将光学特性估算分为两个阶段。首先通过LUT反演……

结论部分
在本研究中，我们提出了一种基于单像素SFD成像及查表辅助的代数重建技术（LUT–ART）的双频段NIR-I/II层状光学层析框架。通过整合结构化照明、频分复用光子计数检测以及基于DCT的单像素数据采集技术，该系统能够在不依赖短波红外焦平面阵列的情况下，实现715、830、1050和1200纳米波段的无相机宽带SFD-LOT成像。

本研究的主要创新点在于……

资助情况
中国国家自然科学基金（NSFC）（项目编号：62075156、62575205、62205239）。

关于稿件准备过程中生成式AI及AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，作者们使用了ChatGPT（OpenAI）和Gemini（Google）工具来协助语言润色和学术写作。作者们对内容进行了必要的审核和修改，并对最终发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献说明
白文兴：论文撰写——初稿撰写、可视化、软件应用、方法设计、实验实施、形式分析、数据整理、概念构思。吴烨：论文撰写——审稿与编辑、结果验证、软件应用、方法设计。柴成思：论文撰写——审稿与编辑、结果验证、方法设计。曹景宇：论文撰写——审稿与编辑、结果验证、方法设计。张立民：论文撰写——审稿与编辑、结果验证、方法设计。刘东远：论文撰写——审稿与编辑、软件应用、项目管理。高峰：

利益冲突声明
作者们声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

白文兴|吴烨|柴成思|曹景宇|张立民|刘东远|高峰