CN110383019A - 基于图像的手持式成像仪系统及使用方法 - Google Patents

基于图像的手持式成像仪系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

提出了一种基于图像的手持式成像仪系统，该系统利用消费级二维相机阵列，同时解决了图像质量、灵敏度和成像深度等问题。

Description

基于图像的手持式成像仪系统及使用方法
背景技术
本发明通常涉及成像，并且更具体地说，涉及成像装置。
在耳镜检查的成像中，手持式成像仪通常用于临床环境。目前的黄金标准，耳镜是基于放大镜，该放大镜提供了大的焦深。因此，较少受到由于临床医生通过透镜进行观察而导致的手持式成像仪的运动影响。自OCT问世以来，技术已从传统的耳镜改进为最近报道的如美国专利第8,115,934号和美国公布第2016/0040978号中所揭示的手持式OCT成像仪。但是，由于OCT提供微米分辨率具有一定成像范围的深度解析(depth resolved)图像，手持式探头的不自主运动不仅会改变OCT结果的成像目标的深度，而且如果运动大于OCT的成像范围，也可能导致无OCT结果。为了像传统的耳镜一样方便使用，必须考虑OCT成像仪在手持式设置中的运动，以便长OCT成像深度优选地用于容易跟踪关注目标的当前深度。尽管某些SS-OCT系统可以达到大于1厘米的成像深度，但目前这种系统的成本阻碍了在初级护理办公室采用基于SS-OCT的系统。在美国专利第8,115,934号中，手持式成像仪是基于使用线扫描相机的SD-OCT配置。虽然该手持式成像仪提供了优美的OCT图像，但线扫描相机和相应的帧抓取器以及对准要求的使用也大大增加了系统的成本。这种系统的成像深度约为4mm。使用光谱分辨率较高的光谱仪可以实现更长的成像深度，这大大增加了成本。
在美国公布第2016/0040978号中，提出了一种使用区域扫描相机的手持式成像仪。这种成像仪的主要优点是比美国专利第8,115,934号中所报道的成像仪的成本低。在该配置中，干涉信号直接投射到区域传感器上，然后进行解调，形成有用的信息。但是其中一个缺点是成像深度。使用8兆像素传感器时，成像深度小于1mm。对于消费级区域扫描相机来说，要达到几毫米的成像深度是非常困难的。此外，由于每个像素只对由点扩散函数(function)控制的位置周围的信号起作用，因此，这种配置的灵敏度与SD-OCT相比有所让步。所有的光学器件和区域扫描相机都必须包含在手持式成像仪中的事实意味着手持式成像仪的尺寸也比在美国专利第8,115,934号中的大得多。与SD-OCT系统相比，这一事实加上较长的积分(integration)时间(>100us)会导致更严重的条纹冲刷(washout)。
对于面向初级护理用途的OCT耳镜成像，基于SD-OCT配置，一个更现实的方法是使用具有通用消费级相机，其具有通用连接器，如USB或以太网。这种配置可以很容易地与笔记本电脑或平板电脑集成，从而形成便携式系统。这种系统的成本对于在初级护理办公室中使用这种系统来说是合理的。此外，考虑到其可用性，系统应提供在适当的成像深度情况下的足够性能。
本发明试图解决这些问题以及其他问题。
发明内容
本文提供了利用具有传感器阵列的二维传感器的基于图像的手持式成像仪系统的系统、方法和设备，同时也解决了图像质量、灵敏度和成像深度的问题。
在下面的描述中，部分地阐述了该方法、系统和设备，并且部分地从描述中显而易见，或者可以通过实践该方法、设备和系统来学习。这些方法、设备和系统的优点将借助于所附权利要求中特别指出的要素和组合来实现和得到。应当理解，上述一般性说明和以下详细说明均仅是示例性和说明性的，并不是对所要求保护的方法、设备和系统的限制。
附图说明
在附图中，在本发明的一些优选实施例中，相同的元素通过相同的附图标记来标识。
图1是显示在使用区域扫描传感器时仍然捕获信号时，导致使用线扫描传感器时信号损失的对准误差的示意图。
图2是显示校正对准中的旋转误差的图像处理程序的示意流程图。
图3是显示系统配置的示意图。
图4A是人类受试者体内结果的OCT图像；图4B是通过人类受试者体内结果的OCT图像所获取的深度解析数据的曲线图。
图5是显示低相干干涉测量数据智能表征程序的示意流程图。
图6是现实健康和患病情况的总厚度的测量图。
具体实施例
通过结合附图阅读，本发明的上述和其他特征和优点在以下示例性实施例的详细描述中是显而易见的。详细描述和附图对本发明仅是说明性的，而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
现在将参考附图来描述本发明的实施例，其中相同的附图标记在整个过程中反映相同的元素。本文呈现的在描述中所使用的术语不旨在以任何有限或限制性的方式解释，仅仅是因为它是与对本发明的某些具体实施例的详细描述结合使用的。此外，本发明的实施例可以包括几个新颖特征，其中没有一个特征单独对其期望属性负责，或者对于实施本文所述的本发明是必不可少的。本文应用近端和远端词语来表示本文所述仪器的部件的具体端部。近端是指在使用仪器时靠近仪器操作者的仪器的端部。远端是指远离操作者并向患者和/或植入物的手术区域延伸的部件的端部。
在描述本发明时，使用术语“一种”和“一个”和“该”以及类似的指示，应理解为包括单数和复数，除非在本文另有说明或明显与上下文相矛盾。还应当理解，术语“包括”、“包含”、“含有”、和/或“具有”在本文使用时，规定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的描述，仅旨在用作速记方法，单独指代属于该范围内的每一个单独的数值，并且每一个单独的数值被并入说明书中，如同在本文中对其进行的单独引用一样。当伴随数值时，“约”一词将被解释为表示与所述数值的偏差不超过10％，包括10％。除非另有要求，否则使用本文提供的任何和所有实例，或示例性语言(“例如”，或“诸如”)，仅仅是为了更好地说明本发明，而不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表明任何未要求保护的元素对于本发明的实践是必不可少的。
参考“一个实施例”、“一种实施例”、“示例实施例”、“各种实施例”等，可指示如此描述的本发明的实施例可包括特定特征、结构或特性，但不是每一个实施例都必须包括该特定特征、结构或特性。此外，重复使用短语“在一个实施例中”或“在示例性实施例中”并不一定指同一实施例，尽管它们可以是同一实施例。
本文所用的术语“方法”指完成一项特定任务的方式、方法、技术和程序，包括但不限于相关技术领域的从业人员已知或容易从已知的方式、方法、技术和程序中发展出来的那些方式、方法、技术和程序。
本文所用的术语“相机”应指适于将场景成像到传感器上并将光学图像转换为电信号的装置。传感器是“相机”的部件，作为定义事项，用于本说明书和所附的任何权利要求。相机也可在此称为光电检测器，尽管应当理解，在本发明范围内相机还可包括其它光学部件，例如一个或多个透镜。
术语“OCT”或“光学相干断层成像”是指使用低相干干涉测量(LCI)的任何类型的过程，并且包括LCI、TD-OCT、SD-OCT、SS-OCT和任何大量其他OCT模式。SS-OCT可以通过捕获来自扫频源的每个k分量作为一个相机图像/帧来来实现。
术语“低相干”(或“宽带”，本文中可互换使用)适用于相干长度小于30μm和/或Δk/k0至少为10％的照明源，其中k0表示照射样本的光谱的中心波数，而Δk表示照射波数的范围。应当理解，在本发明的范围内，不需要及时固定源的波长，实际上，可以及时扫过(swept)所述源的波长。
基于图像的手持式成像仪系统
一般而言，公开了一种基于图像的手持式成像仪系统，其使用具有新颖改进的区域扫描相机来实现临床相关解决方案。基于图像的手持式成像仪系统在不在图像质量上有所让步的前提下，具有放松的对准要求。将参考用于基于图像的手持式成像仪的基于OCT的系统进行描述，仅用于示例性目的。因为传统SD-OCT系统中的光谱仪由于严格的对准要求而具有极高的加工公差，所以基于图像的手持式成像仪系统解决了传统SD-OCT系统的基本约束。基于图像的手持式成像仪系统包括多种算法，以便于智能地表征低相干干涉(LCI)数据。该多种算法包括利用FD-OCT中的复共轭模糊性，有效地加倍了成像深度，并且改善了LCI数据的解释能力。
在不在图像质量上有所让步的情况下放松的对准要求
在典型的SD-OCT系统中，线扫描相机的使用在检测的对准中具有很高的公差。因为线传感器的高度通常为数十微米，因此所有的光都必须在这一维度内沿线传感器聚焦。这样的高公差大大增加了SD-OCT系统的成本。为了降低对准的公差，从而降低成本，基于图像的手持式成像仪系统包括两步法。首先，如图1所示，使用区域扫描相机10和圆柱透镜12来替换线扫描相机14和凸透镜16。像传统的SD-OCT系统一样，由准直器准直的信号通过光栅色散。与传统的SD-OCT系统不同，圆柱透镜将信号聚焦到区域扫描传感器上。如果发生对不准、例如光栅衍射平面相对于相机传感器倾斜，由于区域传感器的平面检测性质，信号仍然被捕获。图1示出了在线扫描传感器的情况下的一个示例，其中部分信号由于倾斜而未被捕获，但是在区域扫描传感器的情况下，所有信号都被传感器捕获。因此，与线扫描传感器相比，对准公差大大降低。
其次，基于图像的手持式成像仪系统包括具体的信号处理方案，以进一步减小对不准的影响。信号处理方案和相关算法可由计算机可读存储介质操作，该存储介质与具有处理器的计算机连接，该计算机运行软件程序或模块以实现信号处理方案和相关算法。使用区域扫描传感器，在获取图像后，可以沿相同波长分量的方向进行平均。这种平均操作大大降低了检测器噪声，并且提高了系统的灵敏度，同时也提供了自由度，以校正图1中所示的由于对不准引起的旋转角度。图2图示了图像处理程序。在实践中，可以将虚像(phantom)(例如镜子)放置在样本臂的适当深度，使得可以清楚地观察到周期性的条纹图案。如果不使用LCI，可以清楚地观察到已知的参考光谱，而不是周期性的条纹图案。在一个实施例中，只需要虚像一次来查找倾斜角度，但在补偿倾斜角度时不需要。在一个实施例中，在使用光谱仪时不需要虚像，而只在对准阶段需要虚像。在步骤110中从区域扫描传感器获取2D图像，在步骤112中识别并校正由于与平均方向相关的对准误差引起的倾斜角度。在步骤114中，基于图像的手持式成像仪系统可以采用一种算法来检测倾斜角度，并在步骤116中根据该角度旋转整个图像。该算法基于以下事实：如果没有倾斜角度，则条纹垂直于平均方向定向，并且因此在平均过程中不会发生条纹冲刷。如果不使用LCI，已知的参考光谱可以垂直于平均方向定向，并且因此在平均过程中不会发生已知的参考光谱冲刷。在步骤118中，傅立叶变换后的LCI信号将是与条纹冲刷情况下相比的最大信号。执行背景减除步骤120，并在步骤122获得最高信噪比(SR)。如果未获得最高SNR，则再次执行更新的倾斜角度步骤114和旋转图像步骤116，然后沿竖直方向执行平均步骤112。如果获得了最高SNR，则执行日志显示步骤124。为此，开发了最大数值搜索算法以找到倾斜角度。不必每次使用系统时进行倾斜角度的检测。倾斜角度的检测仅在对准过程中执行，并且将是校准的一部分。通过将平均操作方向改变为倾斜角度而不旋转图像，可以等效地实现软件校正。
根据一个实施例，图3示出了SD-OCT系统300的一个配置。例如，通过分束器322将来自低相干源320(例如超发光二极管(SLD))的光分束成到样本臂324中的样本光束和到干涉仪的参考臂326中的参考光束。样本臂324中的样本光束由手持式成像仪328中的焦光学聚焦到样本上，而参考光束被引导向自由空间参考臂326，该自由空间参考臂326具有反射镜332，反射镜332用于将光反射回干涉仪。在一个实施例中，手持式成像仪328可包括聚焦透镜和反射镜。在一个实施例中，参考臂326可包括偏振板(polarization paddle)334。由样本散射的光被引导向检测臂330进入准直器316、光栅310、圆柱透镜312和传感器314。
使用区域扫描相机和提出的图像处理方法，虽然可以实现对准的较小公差，但SD-OCT系统的性能不应有所让步，以提供有意义的临床数据。在一个实施例中，传感器314是采用索尼Pregius IMX 249传感器的消费级区域扫描相机。在其他实施例中，传感器是光电检测器阵列，是检测器元件的二维阵列，并且通常是CCD或CMOS，但是任何二维检测器阵列都在本发明的范围内。在一个实施例中，OCT手持式成像仪系统在大约500μm深度处达到>100dB的灵敏度，在1mm深度和>7mm深度处滚降(roll off)<1.65dB。图3示出了根据一个实施例的SD-OCT系统300的配置。SD-OCT的理论成像深度直接由干涉信号中k分量或波长的采样分辨率确定，这也影响到滚降参数。为了达到足够的波长采样，根据一个实施例，使用1800 1/mm@840nm光栅310。如果半高宽较大，则可以使用1/mm较小的光栅，其中1/mm的选择也由圆柱透镜的焦距和2D传感器的尺寸确定。与100mm焦距的圆柱透镜312一起，35nm的光谱带宽信号被色散并准直成10mm宽的光束，然后被2D传感器314捕获。在一个实施例中，使用具有约5.86μm象素尺寸的索尼Pregius IMX 249传感器导致>7mm的成像深度。替代的成像深度可与替代的传感器一起被采用。为了取得更好的滚降特性，使用60mm焦距透镜316来准直从干涉仪发射的信号。在区域传感器处计算出的光斑尺寸约为8.15μm，减少了检测时的串音。SD-OCT系统使用20log10标准实现成像深度>7mm，在约1mm的范围内实现了1.6dB的滚降。为了更好地保证手持式环境的稳定性，手持式成像仪中的光学器件提供了约1mm的共焦参数探测光束，以确保围绕焦点的稳定的光束曲线。由于使用了区域扫描传感器，因此每个A线信号的原始数据都是2D图像。如果不使用LCI，则A线信号是光谱信号，并且可以是1D图像。在获取2D图像后，根据图2对信号进行处理以生成一个A线结果。如果不使用LCI，则在获取1D图像后，根据图2对信号进行处理以生成1D光谱结果。干涉仪的检测臂可包括光谱仪，该光谱仪可并入其他成像检测系统中，诸如不限于LCI数据。
与美国专利8,115,934相比，在大大降低成本的情况下放松了对准要求，并且干涉仪可以简单地与笔记本或平板电脑集成，而图像质量并未有所让步。与美国公布第2016/00409781号相比，系统具有更高的灵敏度，其中速度不受影响，积分时间较短导致由于成像仪/人体运动导致的主观能力差，手持式设计更紧凑，因为不需要将2D传感器置于手持式成像仪中，并且对传感器像素数的要求较低，以实现长的成像深度。这些性能参数使得这样的系统更适合在初级护理临床环境中使用。
图4示出了使用所提出的系统对健康人类受试者进行体内LCI扫描的结果。这一结果清楚地显示了鼓膜(TM)的厚度，并表明了在临床环境上的利用。通过计算LCI数据中两个峰值之间的距离，获得了成像部位的TM厚度，这两个峰值对应TM的两层，即表皮(外部)层和粘膜(内部)层。在一个实施例中，每个成像部位的TM厚度被估计为从以相机帧速获取的100深度解析曲线或A线的序列获得的平均厚度。在一个实施例中，帧速率在约数十Hz至约2kHz之间。
便于智能表征低相干干涉(LCI)数据的计算机可读算法
与传统OCT图像相比，在临床环境下，由于信息量较少，图像处理后获取的单A线曲线不太直观地解释。如果以初级护理为目标，有必要向临床医生提供更好的可理解的结果。此外，与2D OCT不同，LCI中的复共轭模糊性可能难以区分(differentiate)。“复共轭模糊性”导致重叠图像，其中负频点(negative frequencies)的图像被镜像到正频点(positivefrequencies)，这在OCT中通常是避免的。在手持式环境中当前耳镜检查的情况下，考虑到手持式探头的运动以及一些时候的成像对象，这种模糊性的情况也可能更容易发生。在其他实施例中，探头或对象的任何运动都可能导致这种模糊性。为了解决这些问题，根据一个实施例，基于图像的手持式成像仪系统包括两步法来解释临床使用的A线数据。
基于OCT的手持式成像仪方法500包括对LCI数据502的具体处理，以利用正常结果和镜像结果两者生成有用的A线曲线，这有效地使LCI的成像范围加倍。如图5所示，首先，计算背景噪声水平以生成1D干涉数据502中的所有A线结果的平的背景水平。为了利用正常信号和镜像信号两者，以不同参数执行数值色散补偿504，这可能导致不同的背景曲线。为了正确地表征这两种情况的背景曲线，对每一原始干涉数据以两个不同参数实施数值色散补偿，产生两个不同的A线曲线，记为Anormal和Amirrored。由于在成像过程中恒定的探头运动，每个获取的原始干涉数据可能由于纤维扭曲、拉伸等引起而在A线上有所不同。因此，为了生成正确的背景曲线，而不是对原始干涉数据进行平均，从每个原始干涉数据中获得的Anormal和Amirrored两者都在所有当前获取的数据上进行平均，以获得正常情况和镜像情况506的噪声背景，分别称为Nnormal和Nmirrored。这样，在每次成像开始时，用100fps相机，Nnormal和Nmirrored将是几秒钟后大约数百条A线的平均数。用于平均的数包括大量的A线，其中数越大越好；然而，这一数越大，获取这一A线数所需的时间就越长。在一个实施例中，在几秒钟内足够平均几百条A线。在其他实施例中，在几秒钟内足够平均至少一千条A线。
其次，基于OCT的手持式成像仪方法包括分别用Nsignal和Nmirrored减去Asignal和Amirrored，并在锐度测量508上进行比较，以确定镜像图像是否发生在当前获取的A线上。具有整体上更高锐度的A线曲线被认为是复共轭模糊性的正确A线曲线表征。锐度是可以评估的一个定量度量。不同的OCT图像或A线将导致完全不同的锐度测量。在一个实施例中，为了确保这种方法的成功，添加具有高群延迟色散的材料到OCT系统的两个臂中的任何一个臂中，导致两个臂之间大的色散不匹配。在一个实施例中，具有高群速度色散的材料是火石玻璃，而在一个实施例中，材料仅包括在参考臂中，因为样本臂中的材料可能会产生不期望的衰减。在其他实施例中，如果最佳实例更为具体，则将具有高群速度色散的材料置于样本臂中。这样，数值色散补偿算法就使得Asignal和Amirrored之间的A线曲线更加明显。例如，在Asignal具有尖峰的情况下，Amirrored将有加宽的峰体，该峰体具有较低的峰强度。锐度是A线曲线的一种定量度量，也可以用最大强度等来评估。然后，执行关于是否有足够SNR的阈值检查，例如，在一个实施例中，最大信号比该A线曲线的噪声水平高10dB。在其他实施例中，足够的SNR比噪声水平高至少3dB。如果通过了SNR检查510，那么该A线曲线被认为是有用的514，记为Auseful。在这种镜像图像情况下，Auseful将被反转516，以保持显示与正常的LCI曲线一致。如果未通过SNR检查，则不考虑A线。对于显示，无需反转，因为所有镜像图像都将以相同的方式显示(与正常的LCI曲线不一致)，这样用户就不会混淆。对于每个Auseful，根据一个实施例，然后分析相应的表面图像518，以确定是否在关注位置(即TM)执行该A线扫描。如果在关注位置，执行相应的表面图像520，则将此Auseful视为用于分析的最终A线曲线，并将其记为Afinal。图5说明了这些步骤的流程图。如果它没有通过SNR检查512，则数据被忽略522，或者Auseful将被反转516，以保持显示与正常的LCI曲线一致。对于每个Auseful，如果对相应的表面图像进行分析518以确定是否在关注位置上执行了这种A线扫描，则数据被忽略526。
如图6所示，基于有用的A线曲线执行具体分析600以提供更好的可理解的结果。在获取每个Afinal之后，沿着深度曲线的第一峰值被识别602，这预期是根据一个实施例的TM表面的信号。该峰值之后的信号强度被拟合为曲线。如图6所示，对于健康的TM 604，当信号下降到噪声水平时，这种曲线将具有非常陡峭的斜坡。在一个实施例中，陡峭的斜坡与系统的轴向分辨率有关，并且在约1μm至50μm范围内具有约5％至95％的过渡。人类TM的厚度为约100μm，Paritosh Pande,Ryan L.Shelton,Guillermo L.Monroy,Ryan M.Nolan andStephen A.Boppart,"A Mosaicking Approach for In Vivo Thickness Mapping of theHuman Tympanic Membrane Using Low Coherence Interferometry,"J Assoc ResOtolaryngol.17(5)，403-416页，2016年，"A Mosaicking Approach for In VivoThickness Mapping of the Human Tympanic Membrane Using Low CoherenceInterferometry,"J Assoc Res Otolaryngol.17(5),403-416,2016，也通过曲线表明了这点。然而，对于患病的TM 606，由于TM后面存在病理性物质，该曲线发生变化。患病的TM的一个共同特征是图6所示的总厚度比正常TM厚度大608。因此，总厚度定义为第一个峰值与信号下降到噪声水平的位置之间的距离。作为初级护理办公室的筛查工具，利用总厚度来评估TM后面病理性物质的存在。作为一个示例，在实践中，由于对几百甚至几千条A线曲线进行了评估，给予临床医生的结果可以是指示TM病理的所有评估的总厚度的中值。总厚度的分布也可以被利用来指示测量的有效性。
总之，该方法使用消费级相机实现了基于SD-OCT的低成本手持式成像仪系统，用于初级护理环境下的耳镜成像。此外，这些提出的解决办案可适用于医疗和非医疗两方面的其他应用。这种系统除了具有两种新颖性外，对这些应用具有足够的灵敏度和稳定性。
总之，基于图像的手持式成像仪系统使用区域扫描相机，该相机可用于耳镜成像的初级护理环境，或任何成像设置或配置，诸如用于检眼镜、皮肤镜等。与其他已报道的SD-OCT系统相比，该基于图像的手持式成像仪系统在不在图像质量方面让步的情况下具有放松的对准要求，其包括使用具有圆柱透镜的区域扫描相机，并且实现了与传统SDOCT相似的SNR；以及计算机可读介质算法，以进一步提高对准的鲁棒性。光谱仪的设计可并入其他临床成像应用。
计算机可读介质算法便于智能地表征低相干干涉(LCI)数据，包括利用正常结果和镜像结果两者进行有效加倍成像深度的数据；以及识别深度方面散射信号的宽度，以表征生理特征。
基于图像的手持式成像仪系统使用了区域扫描相机和提议方案中提出的处理方法，在不在图像质量方面让步的情况下，实现了放松的对准要求。此外，实现了较低的费用，这有助于初级护理办公室的应用。
基于图像的手持式成像仪系统与A线曲线不同，由于其直接提供了A线曲线的解释，并利用正常信号和镜像信号两者有效地使成像范围加倍。在一些实施例中，除了自动解释之外，在某些情况下还根据需要单独使用A线曲线。
修改
在软件校正中实现倾斜角度检测的替代方法。除了所描述的基于识别最高LCI信号的倾斜角度检测方法外，还可以从在高反射虚像获取的图像上的条纹取向直接检测倾斜角度。为了获得条纹，代替上述在样本臂处使用虚像，替代地将具有两个表面的透明材料(诸如盖玻片或载玻片)插入在相机2D传感器的前面作为共同路径配置。条纹图案的周期然后由材料的厚度决定。在获取条纹后，通过跟踪图像上相同光谱频率分量的局部极大值和极小值的取向，可以识别倾斜角度。
在软件中实现对不准校正的替代方法因此进一步放松了对准公差。从2D传感器获取每个图像后，可以实现计算波前校正方案。简单地说，测量了来自高反射虚像的条纹图案，即二维图像。为了校正波前，对2D图像进行傅立叶变换，并且与相位滤波器相乘作为波前校正，然后进行傅立叶逆变换。为了寻找正确的相位滤波器，用很好对准的光谱仪预先确定了同一个虚像的正确条纹图案。然后，开发了一种波前校正算法，以搜寻最佳相位滤波器，以将捕获的条纹图案转换为正确的条纹图案。
替代方法提供更好的可理解结果以便智能表示LCI数据。除了上述测量总厚度外，还可以提供M模式图像。M模式图像为每个新获取的A扫描进行更新，以便用户更好地跟踪当前位置。图像分析可以在M模式图像上执行，而不是在每条单独的A线上执行。
信号下降到TM内侧噪声水平处的斜率可作为另一个特征来计算，以评估中耳腔中是否存在病理性物质。对于正常健康的TM，由于TM后面没有物质，TM后的LCI信号迅速下降到噪声水平，导致极大的斜率。当观察到LCI信号的渐变从而使斜率变小时，表明存在病理性物质，诸如在Cac T.Nguyen et al.,“Noninvasive in vivo optical detection ofbiofilm in the human middle ear,”Proc Natl Acad Sci 109(24),9529-34,2012中公开的生物膜或渗出物。
计算机执行的部件或系统
如本申请中所使用的，术语“部件”和“系统”旨在指与计算机相关的实体，无论是硬件、硬件和软件的组合、软件，还是正在执行的软件。例如，部件可以是但不限于，在处理器运行的进程、处理器、对象、可执行程序、执行线程、程序和/或计算机。举例来说，在服务器上运行的应用程序和服务器都可以是部件。一个或多个部件可以驻留在一个进程和/或执行线程中，并且一个部件可以在一台计算机上本地化和/或分布在两台或多台计算机之间。
通常，系统可以包括程序模块，其中可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、部件、数据结构等。此外，本领域技术人员将理解，本发明方法可与其他计算机系统配置一起实施，包括单处理器或多处理器计算机系统、小型计算机、主机计算机以及个人计算机、手持式计算装置、基于微处理器或可编程消费电子等，每种计算机系统配置均可操作地耦合到一个或多个相关装置。在分布式计算环境中也可以实践所示的创新方面，其中某些任务由通过通信网络连接的远程处理装置执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地存储装置和远程存储装置中。
计算机通常包括各种计算机可读介质。计算机可读介质可以是计算机可以访问的任一可用介质，包括易失性介质和非易失性介质、可移动介质和不可移动介质。举例来说，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质，而不限于此。计算机存储介质包括在任何存储信息的方法或技术中实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质，如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能磁盘(DVD)或其他光盘存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其他磁存储设备，或可用于存储所需信息并可供计算机访问的任何其他介质。
通信媒体通常体现在调制数据信号中的计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据，如载波或其他传输机制，并包括任何信息传递媒体。“调制数据信号”一词是指一个或多个特征被设定或改变的信号，其方式是对信号中的信息进行编码。例如但不限于，通信媒体包括有线媒体，如有线网络或直连有线连接，以及无线媒体，如声学、RF、红外和其他无线媒体。上述任何组合也应包括在计算机可读介质的范围内。
软件包括应用程序和算法。软件可以在智能手机、平板电脑或个人计算机、云端、可穿戴设备或其他计算机或处理设备中实现。软件可以包括日志、期刊、表格、游戏、录音、通讯、短信、网站、图表、互动工具、社交网络、VOIP(互联网协议语音)、电子邮件和视频。在一些实施例中，本文描述的部分或全部功能或过程由计算机程序执行，计算机程序由计算机可读程序代码形成并且包含在计算机可读介质中。“计算机可读程序代码”一词包括任何类型的计算机代码，包括源代码、对象代码、可执行代码、固件、软件等。“计算机可读介质”一词包括计算机能够访问的任何类型的介质，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。
本说明书中提到的所有出版物和专利申请均以提及的方式并入本文，其程度与每个单独的出版物或专利申请均被明确和个别地指明以提及的方式并入本文的程度相同。
虽然已结合各种实施例描述了本发明，但应理解，本发明能够进一步修改。本申请旨在涵盖本发明一般遵循本发明的原则的任何变化、用途或变通，并包括在本发明所属的技术的已知和习惯实践中偏离本发明的情况。

Claims (19)

1.一种光谱仪，包括：
检测臂，所述检测臂包括准直器、光栅、圆柱透镜和传感器，用于处理从样本反射的信号以产生光谱信号，其中所述光谱信号包括原始数据，以及每个光谱信号的所述原始数据是2D图像，并且在获取所述2D图像后处理信号以产生一个1D光谱结果。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，通过识别由于与平均方向相关的对准误差而引起的倾斜角度并校正所述倾斜角度来处理所述信号；
检测正确的倾斜角度，并根据所述正确的倾斜角度旋转所述2D图像；
如果在平均过程中没有倾斜角度并且没有已知的参考光谱冲刷，则将所述已知的参考光谱垂直于所述平均方向定向；
傅立叶变换处理后计算所述信号；
减去背景减除并获得最高信噪比(SNR)，其中：
如果未获得所述最高SNR，则更新倾斜角度，再次旋转图像，然后沿竖直方向进行平均；以及
如果获得所述最高SNR，则执行日志显示。
3.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，检测所述倾斜角度仅在对准过程中执行。
4.根据权利要求3所述的光谱仪，还包括：在不旋转所述2D图像时，将平均操作方向改变为所述倾斜角度。
5.根据权利要求4所述的光谱仪，其中，还包括光纤耦合器，其可操作地耦合到所述检测臂。
6.根据权利要求5所述的光谱仪，其中，所述传感器选自消费级区域扫描相机，光电检测器阵列和二维检测器。
7.根据权利要求6所述的光谱仪，其中所述已知参考光谱为条纹。
8.根据权利要求7所述的光谱仪，其中所述光栅为至少1/mm，以便达到波长采样。
9.根据权利要求8所述的光谱仪，还包括样本臂，所述样本臂在适当深度处包括反射镜，使得观察到多种周期性条纹图案。
10.一种有助于表征低相干干涉(LCI)数据以增加成像范围的方法，包括：
计算背景噪声水平，以产生平的背景水平用于1D干涉数据中的多个A线结果；
用至少两个不同参数执行数值色散补偿，以产生至少两个不同的背景曲线和至少两个A线曲线，Anormal和Amirrored；以及
在所有当前获取的干涉数据上对从每个原始干涉数据获得的Anormal和Amirrored求平均，以获得Anormal和Amirrored的噪声背景，分别为Nnormal和Nmirrored。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，每个所获取的原始干涉数据由于纤维扭曲或拉伸可以在A线方面有所不同。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，Nnormal和Nmirrored是至少一秒钟后在至少一百条A线上的平均值。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
分别用Asignal减去Nsignal和Amirrored减去Nmirrored，并通过锐度测量比较结果，以确定当前A线是否出现镜像图像；
获得所述最高锐度A线，作为复共轭模糊性的正确A线曲线；
执行阈值检查，以确定用于最大信号的足够信噪比(SNR)是否比用于所述A线曲线的噪声水平高出至少约3dB；
如果通过所述阈值检查，则所述A线曲线被视为Auseful；
如果在镜像图像情况下未通过所述阈值检查，则不考虑所述A线；分析每个Auseful的相应表面图像，以确定是否在关注位置执行A线扫描；以及
如果在所述关注位置执行所述相应表面图像，则将Auseful指定为最终的A线曲线，并记为Afinal。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，用干涉仪获得所述LCI数据，所述干涉仪包括高群延迟色散材料，所述材料进入干涉测量系统的参考臂或样本臂中的任一个中，以导致所述参考臂和所述样本臂之间的大的色散不匹配，并在Asignal和Amirrored两者之间形成不同的A线曲线。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述不同的A线曲线包括锐度曲线和强度曲线。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括对有用的A线曲线进行具体分析，包括：
在获取每个Afinal之后，识别沿着深度曲线的第一峰值，将所述第一峰值之后的信号强度拟合为曲线。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，当信号下降到所述噪声水平时，所述曲线包括陡峭的斜坡，这指示厚度约为100μm的健康鼓膜。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括通过大于健康鼓膜的总厚度来检测患病鼓膜，其中所述总厚度定义为所述第一峰值与信号下降到噪声水平的位置之间的距离。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括利用总厚度的分布来指示测量的有效性。
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