CN102151121B - 基于干涉光谱相位信息的光谱标定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于干涉光谱相位信息的光谱标定方法及系统。在扫频光学相干层析成像系统中，利用马赫曾德干涉仪产生的马赫曾德干涉仪干涉光谱信号，在计算机中基于数字希尔伯特变换得到马赫曾德干涉仪干涉光谱信号的解包裹相位，此解包裹相位与扫频光源的波数成线性关系，利用此非等间隔相位分布对光学相干层析信号进行等相位间隔插值，得到等波数间隔分布的光学相干层析信号采样点进行基于快速傅立叶变换的图像重建算法。本发明利用采集到的全部采样点进行插值，大大提高了插值精度，进而改善了重建信号的信噪比，可得到接近理想分辨率的实际轴向分辨率，并且算法简单，可实现实时、高灵敏度的标定数据处理和图像重建。
Description
技术领域
本发明涉及光学相干层析成像技术和扫频光学相干层析成像技术，尤其涉及一种基于干涉光谱相位信息的光谱标定方法及系统。
背景技术
光学相干层析（Optical Coherence Tomography，简称OCT）成像技术是一种新型的光学成像技术，能够对被测活体样品内部的组织结构与生理功能进行非侵入、非接触、高分辨率在体成像，在疾病的早期诊断和在体活检领域有着广泛应用前景。
傅立叶域光学相干层析成像系统包括谱域光学相干层析系统和扫频光学相干层析系统两种型式。谱域OCT系统采用宽带光源和快速多通道光谱仪的结构，扫频OCT系统采用快速可调谐激光器和点探测器的结构。通过快速采集干涉光谱信号，不需要进行轴向扫描，通过对干涉光谱信号进行快速傅立叶变换即可获得样品的轴向深度信息，具有高速和高灵敏度的特点。然而在扫频OCT系统中扫频光源输出光的波长随时间连续变化，由数据采集卡采集到的干涉光谱信号的各个采样点之间是等时间间隔分布的，而扫频光源输出光的波数通常并不是随时间线性变化的，对采集到的非等间隔波数分布的干涉光谱信号采样点数据直接进行傅立叶变换将会导致轴向分辨率和测量精度的下降。因此在对干涉光谱信号进行基于快速傅立叶变换的图像重建算法之前，必须先得到各个采样点平均分布于波数空间的干涉光谱信号，此过程即为光谱标定。
为了使扫频OCT的干涉光谱信号采样点平均分布于波数空间，国外科研机构提出了很多方法。美国哈佛大学医学院G. J. Tearney小组提出采用一个窄带固定波长滤波器（如光纤布拉格光栅）来标定扫频输出光的起始点，并且认为波长随时间线性分布，以对干涉光谱信号进行插值的方法，得到等波数间隔分布的干涉光谱采样点。加州大学Irving分校的Zhongping Chen小组和杜克大学Izatt小组提出在扫频OCT系统中引入一个固定的光纤法布里-珀罗干涉仪(FFPI)，每当扫频光源输出的扫频光谱覆盖FFPI的自由光谱范围时，FFPI就产生一个尖峰信号，触发采集卡采集一个采样点，由于这些尖峰信号形成的梳状信号是等波数间隔分布的，采集到的干涉光谱采样点也是等波数间隔分布。美国麻省理工大学的J. G. Fujimoto小组提出利用光纤法布里-珀罗干涉仪产生的梳状信号经过带通滤波器得到与FFPI梳状信号同频率的正弦信号，与OCT干涉光谱信号同步采集，通过最近邻域比较算法得到等波数间隔分布的采样点。在此基础上，美国麻省理工大学的J. G. Fujimoto小组又提出利用马赫曾德干涉仪代替光纤法布里-珀罗干涉仪，直接产生正弦的标定信号，结合最近邻域比较算法得到等波数间隔采样点。美国哈佛大学医学院M. E. Brezinski小组针对马赫曾德干涉仪采样点找到的峰谷值的不精确性，对马赫曾德干涉信号采用遗传算法和插值相结合的算法插值出准确的峰谷值对应的采样点，在一定程度上提高了轴向分辨率和灵敏度。美国约翰霍普金斯大学的Xingde Li小组采用马赫曾德干涉仪结合过零点探测电路得到等波数间隔采样时钟，触发采集卡对OCT干涉信号进行等波数间隔采集，降低了数据采集卡的采集要求。
上述这些方法，都存在其固有缺点，如采用窄带固定波长滤波器（如光纤布拉格光栅）来标定扫频输出光的方法，只能标定起始点的波长固定于一点，不能校正扫频输出光谱变化对分辨率带来的影响；利用光纤法布里-珀罗干涉仪产生的梳状信号对干涉信号进行标定的方法，需要引入较复杂的器件，且只能产生有限多的采样点对干涉信号进行插值，降低了插值精度及系统灵敏度；利用马赫曾德干涉仪同步探测OCT干涉信号结合最近邻域比较算法进行标定的方法，虽然不用引入额外复杂的器件，对分辨率的提高效果也比较好，但是仍然只能产生有限多的等波数间隔采样点，使插值精度及灵敏度降低，且由于奈奎斯特采样定理的限制，使得对于标定大光程差处的干涉信号需要产生更大光程差的马赫曾德干涉信号，降低了算法的标定精度，也增大了采集卡的负担。因此有必要研究易于实现、标定分辨率高、且使信号灵敏度高的光谱标定方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于干涉光谱相位信息的光谱标定方法及系统。在扫频光学相干层析成像系统的标定臂中设置马赫曾德干涉仪，通过计算马赫曾德干涉仪的干涉光谱相位信息对扫频OCT干涉信号进行等波数间隔标定。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一、一种基于干涉光谱相位信息的光谱标定方法：
在扫频光学相干层析成像系统中，利用马赫曾德干涉仪产生的马赫曾德干涉仪干涉光谱信号的光谱相位，得到等波数间隔分布的光学相干层析信号采样点；该方法的具体步骤如下：
1)在扫频光学相干层析成像系统中，设置马赫曾德干涉仪，将扫频光源发出的光分出一部分进入马赫曾德干涉仪，调节马赫曾德干涉仪中两臂的光程差，产生具有一定光程差的干涉光谱信号；
2)通过数据采集卡同步探测马赫曾德干涉仪的干涉光谱信号和扫频光学相干层析系统干涉光谱信号，传输到计算机内存中进行数据处理；
3)通过对马赫曾德干涉仪干涉光谱信号进行数字希尔伯特变换，得到与扫频光源输出光的波数分布成线性关系的干涉光谱信号相位信息，此相位信息与光学相干层析干涉光谱信号采样点数据通过插值得到等波数间隔分布的扫频光学相干层析信号采样点，对其进行基于快速傅立叶变换的数据处理和图像重建算法，得到接近于理想轴向分辨率的OCT图像。
二、一种基于干涉光谱相位信息的光谱标定系统：
包括扫描光源、两个宽带光纤耦合器、宽带光纤环行器、标定臂、样品臂、参考臂、平衡探测器、数据采集卡和计算机；扫描光源发出的低相干光进入第一个宽带光纤耦合器的输入端，宽带光纤耦合器的第一输出端连接标定臂后接数据采集卡，宽带光纤耦合器的第二输出端经宽带光纤环行器和宽带光纤耦合器分别进入样品臂和参考臂之后，返回的干涉光经过第二宽带光纤耦合器分成两路，一路直接连接平衡探测器的一个输入端，另一路经过宽带光纤环形器的第三端到达平衡探测器的另一输入端，平衡探测器输出的信号连接数据采集卡的另一输入端，最后连接计算机。所述的标定臂为马赫曾德干涉仪，它包括两个马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器、两个马赫曾德干涉仪准直镜，和马赫曾德干涉仪平衡探测器；第一马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器的输入端与第一宽带光纤耦合器的第一端连接，第一马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器的第一输出端经两个马赫曾德干涉仪准直镜后，接第二马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器的第一输入端，第一马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器的第二输出端接第二马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器的第二输入端，马赫曾德干涉仪平衡探测器的两个输入端分别接第二马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器的两个输出端，马赫曾德干涉仪平衡探测器的输出端接数据采集卡。
所述的样品臂包括样品臂准直镜，样品臂扫描振镜，样品臂聚焦透镜和样品；样品臂准直镜的输入端与第二宽带光纤耦合器的第一输出端连接，样品臂准直镜发出的准直光经过样品臂扫描振镜和样品臂聚焦透镜投射在样品上；从样品返回的光进入第二宽带光纤耦合器的第一输出端。
所述的参考臂包括参考臂准直镜，参考臂聚焦透镜和参考臂反射镜；参考臂准直镜的输入端与第二宽带光纤耦合器的第二输出端连接，参考臂准直镜发出的准直光经参考臂聚焦透镜投射在参考臂反射镜上；从参考臂反射镜反射光到达第二宽带光纤耦合器的第二输出端。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、完全突破马赫曾德干涉仪的光程差对于系统成像深度的限制，既可以对小光程差处的干涉信号进行等波数间隔标定，又可以对大光程差处的干涉信号进行等波数间隔标定。系统成像深度完全由采集卡和相干长度决定。
2、实时对每个扫频周期的干涉光谱信号进行等波数间隔标定，补偿了各个扫频周期的扫频光谱不重复性带来的分辨率下降，保证了较高的轴向分辨率。
3、能够利用采集到的全部的采样点进行插值，大大提高了插值精度，进而改善了重建信号的信噪比，扩展了动态范围，能得到高灵敏度的图像。
4、算法简单，能实现实时处理，且不用添加额外的较复杂器件，易于实现。
附图说明
图1是本发明的扫频光学相干层析成像系统示意图。
图2是本发明的马赫曾德干涉仪结构示意图。
图3是本发明的扫频光学相干层析成像系统硬件控制结构示意图。
图4是本发明的相位光谱标定方法过程步骤及模拟结果图。
图5是本发明的光谱标定前后轴向空间点扩散函数对比图。
图中：1、扫频光源，2、宽带光纤耦合器，3、马赫曾德干涉仪，4、宽带光纤环行器，5、样品臂准直镜，6、样品臂扫描振镜，7、样品臂聚焦透镜，8、样品，9、参考臂准直镜，10、参考臂聚焦透镜，11、参考臂反射镜，12、平衡探测器，13、数据采集卡，14、计算机，15、马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器，16、马赫曾德干涉仪准直镜，17、马赫曾德干涉仪平衡探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括扫描光源1、两个宽带光纤耦合器2、宽带光纤环行器4、标定臂、样品臂、参考臂、平衡探测器12、数据采集卡13和计算机14；扫描光源发出的低相干光进入第一个宽带光纤耦合器2的输入端，宽带光纤耦合器2的第一输出端连接标定臂后接数据采集卡13，宽带光纤耦合器2的第二输出端经宽带光纤环行器4和宽带光纤耦合器5分别进入样品臂和参考臂之后，返回的干涉光经过第二宽带光纤耦合器2分成两路，一路直接连接平衡探测器12的一个输入端，另一路经过宽带光纤环形器的第三端到达平衡探测器的另一输入端，平衡探测器输出的信号连接数据采集卡的另一输入端，最后连接计算机。
如图2所示，所述的标定臂为马赫曾德干涉仪3，它包括两个马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器15、两个马赫曾德干涉仪准直镜16，和马赫曾德干涉仪平衡探测器17；第一马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器15的输入端与第一宽带光纤耦合器的第一端连接，第一马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器15的第一输出端经两个马赫曾德干涉仪准直镜16后，接第二马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器15的第一输入端，第一马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器15的第二输出端接第二马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器15的第二输入端，马赫曾德干涉仪平衡探测器17的两个输入端分别接第二马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器15的两个输出端，马赫曾德干涉仪平衡探测器17的输出端接数据采集卡13。
如图1所示，所述的样品臂包括样品臂准直镜5，样品臂扫描振镜6，样品臂聚焦透镜7和样品8；样品臂准直镜5的输入端与第二宽带光纤耦合器2的第一输出端连接，样品臂准直镜5发出的准直光经过样品臂扫描振镜6和样品臂聚焦透镜7投射在样品8上；从样品8返回的光进入第二宽带光纤耦合器2的第一输出端。
如图1所示，所述的参考臂包括参考臂准直镜9，参考臂聚焦透镜10和参考臂反射镜11；参考臂准直镜9的输入端与第二宽带光纤耦合器2的第二输出端连接，参考臂准直镜9发出的准直光经参考臂聚焦透镜10投射在参考臂反射镜11上；从参考臂反射镜11反射光到达第二宽带光纤耦合器2的第二输出端。
图3所示为本发明的扫频光学相干层析成像系统硬件控制结构示意图。包括，样品臂扫描振镜6、平衡探测器12、数据采集卡13和计算机14。其中数据采集卡13和计算机14相连，计算机14和样品臂扫描振镜6相连。计算机14控制数据采集卡13对平衡探测器12产生的干涉光谱信号进行采集，通过数据总线传入计算机14进行数据处理和图像重建。计算机14控制样品臂扫描振镜6实现探测光束对样品的横向扫描，以采集样品的二维以及三维信息数据。
图4所示为本发明的相位光谱标定方法过程步骤及模拟结果图。下面对图4中的曲线进行说明。
扫频光源输出的光的波数随时间变化，其变化关系并不是线性的，可用如下表达式表示：
如图4(a)、(b)所示，同步采集光学相干层析干涉光谱信号和马赫曾德干涉仪干涉光谱信号，OCT干涉信号的表达式为：
其中，为波数，
为干涉光谱强度，
为光源功率谱密度函数，
为参考臂反射率，光程差为
处的样品反射率，
为光程差为处的样品反射率，
为光程差为
处的相位，
为光程差为处的相位，第一项为从参考臂返回的直流项光强，第二项为从样品臂返回的直流项和样品内部各层之间的自相干项光强，第三项为样品臂和参考臂的干涉项光强
，对
进行傅立叶变换可以得到样品轴向反射信息。
调节马赫曾德干涉仪两臂的光程差为
，则由扫频光源输出的频率随时间变化的光通过马赫曾德干涉仪后产生光谱域的干涉信号，其表达式为：
由于马赫曾德干涉仪两臂的光程差比较大，产生的干涉信号频率较大，方框中的区域放大显示以表明其波形。
通过对马赫曾德干涉光谱信号进行希尔伯特变换之后，得到对应的复数干涉信号，其表达式为：
通过对上述复数干涉信号进行反正切运算，得到解包裹的相对相位信号，如图4(c)所示。其表达式为：
由上式可见，马赫曾德干涉仪的解包裹相位信号与扫频光源波数间成线性比例关系，比例因子为马赫曾德干涉仪的光程差
。
用此相对相位信号
作为自变量，同步采集到的OCT干涉光谱信号
作为变量，在
的最小值和最大值之间均匀等分为与采样点个数对应的等间隔相位采样点，构成等相位间隔自变量
作为待插值自变量，通过样条插值得到对应于等相位间隔的OCT干涉光谱信号，即得到等波数间隔的扫频OCT干涉光谱信号采样点数据，如图4(d)所示。对此等波数间隔的OCT干涉光谱信号采样点数据进行基于快速傅立叶变换的数据处理，即可得到高轴向分辨率、高信噪比、高灵敏度的轴向空间信号。
图5所示为本发明的光谱标定前后轴向空间点扩散函数对比图。虚线曲线为标定前，对原始采集到的OCT干涉光谱信号直接进行快速傅立叶变换得到的轴向空间点扩散函数曲线；实线曲线为对原始采集到的OCT干涉光谱信号进行光谱标定之后，再进行快速傅立叶变换得到的轴向空间点扩散函数曲线。二者的对比明显表明轴向分辨率得到极大提高，进而提高重建信号信噪比，验证了本算法的可行性。
本发明在确保干涉信号分辨率的前提下实现光谱标定，且不引入任何较复杂的光谱标定器件，实现高信噪比、实时的光谱标定和信号处理，在扫频光学相干层析系统中有很强的实用性。
Claims (4)
1.一种基于干涉光谱相位信息的光谱标定方法，其特征在于：在扫频光学相干层析成像系统中，利用马赫曾德干涉仪产生的马赫曾德干涉仪干涉光谱信号的光谱相位，得到等波数间隔分布的扫频光学相干层析信号采样点；该方法的具体步骤如下：
1)在扫频光学相干层析成像系统中，设置马赫曾德干涉仪，将扫频光源发出的光分出一部分进入马赫曾德干涉仪，调节马赫曾德干涉仪中两臂的光程差，产生具有一定光程差的干涉光谱信号；
2)通过数据采集卡同步探测马赫曾德干涉仪的干涉光谱信号和扫频光学相干层析系统干涉光谱信号，传输到计算机内存中进行数据处理；
3)通过对马赫曾德干涉仪干涉光谱信号进行数字希尔伯特变换，得到与扫频光源输出光的波数分布成线性关系的干涉光谱信号相位信息，用此相位信息φ作为自变量，同步采集到的OCT干涉光谱信号IOCT作为变量，在φ的最小值和最大值之间均匀等分为与采样点个数对应的等间隔相位采样点，构成等相位间隔自变量φeq作为待插值自变量，通过样条插值得到对应于等相位间隔的OCT干涉光谱信号，即得到等波数间隔的扫频OCT干涉光谱信号采样点数据，对其进行基于快速傅立叶变换的数据处理和图像重建算法，得到接近于理想轴向分辨率的OCT图像。
2.实施权利要求1所述方法的一种基于干涉光谱相位信息的光谱标定系统，包括扫描光源(1)、两个宽带光纤耦合器、宽带光纤环行器(4)、标定臂、样品臂、参考臂、平衡探测器(12)、数据采集卡(13)和计算机(14)；扫描光源发出的低相干光进入第一宽带光纤耦合器的输入端，第一宽带光纤耦合器的第一输出端连接标定臂后接数据采集卡(13)，第一宽带光纤耦合器的第二输出端经宽带光纤环行器(4)后经第二宽带光纤耦合器之后再分别进入样品臂和参考臂，返回的干涉光经过第二宽带光纤耦合器分成两路，一路直接连接平衡探测器(12)的一个输入端，另一路经过宽带光纤环形器的第三端到达平衡探测器的另一输入端，平衡探测器输出的信号连接数据采集卡的另一输入端，最后连接计算机；其特征在于：所述的标定臂为马赫曾德干涉仪(3)，它包括两个马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器、两个马赫曾德干涉仪准直镜，和马赫曾德干涉仪平衡探测器(17)；第一马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器(15)的输入端与第一宽带光纤耦合器的第一输出端连接，第一马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器(15)的第一输出端经两个马赫曾德干涉仪准直镜(16)后，接第二马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器(15)的第一输入端，第一马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器(15)的第二输出端接第二马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器(15)的第二输入端，马赫曾德干涉仪平衡探测器(17)的两个输入端分别接第二马赫曾德干涉仪宽带光纤耦合器(15)的两个输出端，马赫曾德干涉仪平衡探测器(17)的输出端接数据采集卡(13)。
3.根据权利要求2所述的一种基于干涉光谱相位信息的光谱标定系统，其特征在于：所述的样品臂包括样品臂准直镜(5)，样品臂扫描振镜(6)，样品臂聚焦透镜(7)和样品(8)；样品臂准直镜(5)的输入端与第二宽带光纤耦合器(2)的第一输出端连接，样品臂准直镜(5)发出的准直光经过样品臂扫描振镜(6)和样品臂聚焦透镜(7)投射在样品(8)上；从样品(8)返回的光进入第二宽带光纤耦合器(2)的第一输出端。
4.根据权利要求2所述的一种基于干涉光谱相位信息的光谱标定系统，其特征在于：所述的参考臂包括参考臂准直镜(9)，参考臂聚焦透镜(10)和参考臂反射镜(11)；参考臂准直镜(9)的输入端与第二宽带光纤耦合器(2)的第二输出端连接，参考臂准直镜(9)发出的准直光经参考臂聚焦透镜(10)投射在参考臂反射镜(11)上；从参考臂反射镜(11)反射光到达第二宽带光纤耦合器(2)的第二输出端。
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