偏振光学成像是一种非标记、无损伤的检测技术，对亚波长微观结构的变化比较敏感，可以提供丰富的组织结构和光学信息。然而，在可见波段范围内，生物组织是强散射介质，光在组织中传播时会经历多次散射，失去原本携带的相位和偏振信息，从而影响光学成像的对比度和分辨率。本团队结合空间频域成像和偏振光学成像方法，搭建了偏振空间频域成像系统。通过高频空间频域成像控制照明光的穿透深度，利用穆勒矩阵表征样品浅层的偏振参数，进而反映样品浅层的微观结构信息。实验结果显示：偏振空间频域成像系统测得的灰阶板漫反射率与标准值线性相关（R²=0.99988）；退偏系数与脂肪乳体积分数成正比关系，二向衰减系数随二向衰减器导致的二向衰减增大而增大；该系统可以准确测量四分之一波片和全波片的相位延迟，表明该系统可以准确测量样品的偏振参数。对比传统偏振光成像和偏振空间频域成像结果可以发现，偏振空间频域成像可以有效控制成像深度，精确测量样品浅层的穆勒矩阵。采用该系统对烧伤猪皮进行检测，测量结果显示：猪皮组织内部的胶原蛋白结构被破坏，相位延迟降低。本研究结果预期能够有效提升浅层组织偏振特性检测的准确性，促进肿瘤的早期检测。

Photodynamic therapy (PDT) dosimetry, including light dose, photosensitizer dose and tissue oxygen, has been a research focus in PDT. In this work, we present a three-dimensional (3D) quantification of protoporphyrin IX (PpIX) using combined spatial frequency domain imaging (SFDI) and diffuse fluorescence tomography (DFT). The SFDI maps both the distributions of tissue absorption and scattering properties at three wavelengths and accordingly provides the optical background for DFT and extracts the tissue oxygenation for assessing the therapeutic outcomes, while DFT dynamically monitors the 3D distribution of PpIX dose from measured fluorescence signals for the procedure optimization. A pilot in vivo application in tumor nude models showed that the proposed SFDI/DFT is able to dynamically trace changes in the PpIX concentration and tissue oxygen during the treatment, rendering it a potentially powerful tool for PDT to improve clinical efficacy.Photodynamic therapy (PDT) dosimetry, including light dose, photosensitizer dose and tissue oxygen, has been a research focus in PDT. In this work, we present a three-dimensional (3D) quantification of protoporphyrin IX (PpIX) using combined spatial frequency domain imaging (SFDI) and diffuse fluorescence tomography (DFT). The SFDI maps both the distributions of tissue absorption and scattering properties at three wavelengths and accordingly provides the optical background for DFT and extracts the tissue oxygenation for assessing the therapeutic outcomes, while DFT dynamically monitors the 3D distribution of PpIX dose from measured fluorescence signals for the procedure optimization. A pilot in vivo application in tumor nude models showed that the proposed SFDI/DFT is able to dynamically trace changes in the PpIX concentration and tissue oxygen during the treatment, rendering it a potentially powerful tool for PDT to improve clinical efficacy.

针对目前临床上尚缺乏有效可行的烧伤程度精准诊断的难题，本课题组研究了基于空间频域成像的烧伤程度无创定量评估方法。本课题组通过基于单次快照多频解调方法的空间频域成像技术，实时、大面积、高分辨地反演出了与烧伤组织结构、生理特性紧密相关的光学参数(吸收系数与约化散射系数)，并结合系统聚类方法与多参数降维分析，提高了烧伤程度分类的准确性，缩短了分类时间。鼠烧伤模型的实验结果表明：动态监测光学参数的变化趋势可以显著区分出三种不同的烧伤程度，系统聚类分析缩短了分类时间，基于主因子的多参数降维分析表现出了更强的抗干扰性。本文方法为临床烧伤的早期诊断提供了一种极具潜力的实现途径。

本文提出了一种单像素空间频域成像的实时化方法，该方法可动态测量多波长下的空间频域漫反射图像，并快速重构光学参数。动态单像素成像采用交叠成像窗口方式，即只更新少数测量值来重建新一帧图像，其他测量值与前一帧共享，因此在相同的测量时间内可以获得传统方法两帧图像间的多帧中间状态图像，有效提高了单像素成像的帧率。针对空间频域漫反射图像的频谱分布，设计了圆形路径下单像素采样模板的测量顺序及成像窗口交叠长度，以保证动态成像过程中漫反射图像的直流成分和交流成分同步更新。为快速重构光学参数图像，提出一种基于区间优化和像素优化的快速查表法，该方法有效减少了传统查表法重构光学参数过程的冗余运算，提高了重构速度。使用搭建的单像素空间频域成像系统对所提方法进行了一系列仿体验证，结果表明，所提方法可以实现超过10 frame/s的多波长漫反射图像的实时测量，并可以以低于2%的误差实时重构光学参数图像。

针对信息隐藏技术中大容量信息嵌入会导致隐蔽性和鲁棒性降低的问题,提出了一种基于光学空频域变换的自适应图像分块隐藏技术。利用灰色关联分析和回声状态网络构成自适应嵌入机制,当嵌入容量达到饱和阈值时,该机制会根据灰度关联序自动调整嵌入位置,保证鲁棒性不会大幅下降;在此基础上采用二维离散余弦变换对图像进行空频域互换,结合人眼对光学高频区域不敏感的特性实现信息在变换域的隐藏,保证隐蔽性不受影响。仿真和对比实验证明:大容量信息嵌入载体图像后视觉透视性未受影响;引入高斯、椒盐噪声干扰和旋转、缩放几何攻击后,结果表明,信息载体对噪声干扰和几何攻击不敏感。说明该技术在保证信息容量嵌入的同时也兼顾了隐蔽性和鲁棒性。

为了消除空间频域(SFD)成像中形貌对组织体光学特性提取精度的影响,提出了一种基于目标形貌测量的SFD成像校正方法。该方法采用相位轮廓技术获取目标的三维形貌,并对获取的SFD漫反射图像进行频率与光强校正。其中,频率校正采用基于多频查表的光学特性插值方法,入射和反射光强的校正则基于光照度定律和Minnaert模型。用基于高灵敏度锁相光子计数检测技术的单像素SFD成像系统进行实验,并用二维离散余弦变换模式的单像素成像方法获取低采样率下的目标形貌与多波长光学特性拓扑图像。实验结果表明,目标体表面形貌高度在每个像素点的误差不超过1 mm,校正后重建的吸收系数和约化散射系数分别降低了51.1个百分点和6.7个百分点。

空间频域算法作为白光干涉测量的重要算法之一，被广泛应用于微纳结构表面形貌测量领域。然而，传统空间频域算法中存在着由被测样品倾斜及表面形貌起伏变化引起的相位误差累积效应，并且该相位误差与干涉信号中零光程差位置的偏移程度密切相关。为此，对相位误差累积效应的原理进行分析，并在传统空间频域算法的基础上提出了一种基于包络信号辅助分析的方法以抑制相位误差累积。该方法首先通过包络信号分析对原始干涉信号中的零光程差位置的偏移进行对称性校正，再通过空间频域算法对校正后的对称信号进行相位分析，从而尽可能抑制零光程差位置偏移对空间频域分析的影响。为了验证本文方法的有效性，分别从仿真和实验的角度对该方法进行讨论。

基于锁相光子计数技术,提出一种多波长并行检测的单像素空间频率域成像(SFDI)系统。以一个数字微镜器(DMD)为待测多波长漫反射光的调制光源,以另一个DMD为漫反射光采集、编码与会聚设备,使得会聚后的漫反射光通过锁相光子计数技术实现不同波长的解调分离,同时降低了系统成本。引入压缩感知图像恢复理论,有效缩短了多次空间编码引起的单像素成像时间。实验结果表明,所提SFDI系统只需要进行像素总数20%左右的编码,即可准确重构多波长下仿体表面漫反射光图像。

提出了一种基于空间频域分析的白光干涉测量算法,该算法通过消除相位信息中的2π模糊来实现高精度的表面形貌测量。在频域分析中可以同时提取样品的相干形貌和相位形貌。相干形貌虽然不受2π模糊的影响,但是包含测量误差,精度较低。相位形貌虽然能够实现较高精度的表面形貌测量,但存在2π模糊问题。因此采用相干信息与相位信息相结合的方式来消除相位信息中的2π模糊。此外,针对由背景噪声和光源扰动所引起的局部相位突变,提出了相邻像素点差分分析方法,有效消除了局部相位突变,从而提高了测量的稳定性。该方法不需要复杂的计算,工作效率较高。分别从理论和实验两个方面进行分析,以验证提出方法的有效性。