CN102188237B - 基于位相复用的全量程扫频oct成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位相复用的全量程扫频OCT成像方法及系统。在扫频OCT系统的参考臂中设置电光调制器，实现干涉光谱的高速相位调制。通过数据采集卡与电光调制器间的触发同步，使采集到的干涉光谱相邻采样点之间保持预设的相位变化，实现单次扫频周期内干涉光谱的位相复用采集，将采集到的干涉光谱数据采样点按其所对应的附加相位进行分组，然后分别映射到对应同一等间隔采样点的波数空间，形成波数空间的相移干涉光谱数据子集。利用相移干涉光谱数据子集可构建复干涉光谱数据，重建全量程扫频OCT图像。基于电光调制的单次扫频周期内干涉光谱的位相调制与复用，相移速度快、精度高，镜像抑制率高，可实现感兴趣深度区域的高灵敏度成像。

Description

基于位相复用的全量程扫频OCT成像方法及系统

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像(OCT)技术和扫频光学相干层析成像技术，尤其涉及一种基于位相复用的全量程扫频OCT成像方法及系统。

背景技术

光学相干层析(Optical Coherence Tomography，简称OCT)成像技术是一种有前景的光学成像技术，能够非侵入、非接触、高分辨率地对被测活体生物样品组织内部的结构与生理功能进行在体成像，在疾病的早期诊断和在体活检领域有着广泛应用前景。

扫频光学相干层析系统属于一种傅立叶域光学相干层析成像系统。傅立叶域光学相干层析系统有两种实现形式，分别是基于宽带光源和快速多通道光谱仪的谱域OCT系统，以及基于快速可调谐激光器和点探测器的扫频OCT系统。傅立叶域光学相干层析系统无需进行机械式轴向扫描，通过快速采集干涉光谱信号，对干涉光谱信号进行基于快速傅立叶变换的信号处理以获得样品的轴向深度信息，与时域OCT系统相比具有高速和高灵敏度的优点。但是傅立叶域光学相干层析成像也存在其固有缺点，在采集携带样品深度信息的干涉信号的同时，也采集到样品各层之间的互干涉信号、样品各层本身的自相干干涉信号、参考光本身的自相干干涉信号等相干噪声。并且由于采集到的是干涉光谱信号的实部，而不是复数干涉光谱信号，对此实干涉光谱信号进行快速傅立叶变换得到的结果是厄米共轭的，导致了在图像中产生了叠加在样品实际像上关于零光程位置完全对称的共轭镜像。

为了避免傅立叶域光学相干层析图像中的共轭镜像等相干噪声与样品像重叠，通常需要调节样品臂和参考臂之间的光程差使零光程面移到被测样品表面以外，这样可以使实际像和共轭像在图像上不重叠，但由于零光程面附近的条纹可见度最高，即图像灵敏度最高，对光源中各个光谱成分引入同样的光程差，导致样品图像信噪比随着远离零光程面而迅速下降。采用移开零光程面的办法导致高灵敏度的图像区域无法得到利用，并且由于零光程面位于样品之外，导致了傅立叶域光学相干层析系统的成像深度仅仅利用了一半。消除傅立叶域OCT的共轭像镜，可以更好的利用零光程附近的高灵敏度区域，并且使成像深度拓展一倍，国外很多科研机构都开展了这方面的研究。M.Wojtkowski等人提出利用压电陶瓷驱动器步进参考臂中的反射镜的方法即移相法，加州大学Irving分校的Zhongping Chen小组提出采用电光相位调制器的方法，杜克大学Izatt小组提出采用3×3光纤耦合器的方法，通过在相邻的轴向干涉光谱信号间引入固定的附加相位，采用复数干涉光谱恢复算法重建出干涉光谱信号的复数形式，再进行傅立叶逆变换，从而消除复共轭像。美国哈佛大学医学院G.J.Teamey小组提出采用声光移频器对干涉光谱信号进行载频的方法和偏振编码的方法去除复共轭像。Hofer等人提出采用色散材料提供色散并且用复杂的迭代算法消除复共轭像的方法，S.Witte等人对也采用色散材料进行色散编码并提出简化的消除尖峰算法去除复共轭像。罗切斯特大学的J.P.Rolland等人提出利用双平衡探测器分别探测存在90度相位差的两路干涉信号用以构建复数干涉光谱信号从而消除复共轭镜像。

上述这些方法，都存在其固有缺点，如利用压电陶瓷驱动器进行多步移相方法需要对同一个位置进行多次测量，降低了成像速度，且对相位的稳定性要求高，容易受到各种环境扰动对相位的影响；利用电光相位调制器和声光移频器的方法需要引入比较复杂且昂贵的仪器设备，且对系统数据采集速度提出了苛刻的要求；利用3×3光纤耦合器的方法容易受到温度对耦合系数的影响而造成恢复复数干涉光谱的不准确，影响整体的复共轭抑制率；现有提出的利用色散的消镜像方法需要依赖复杂的迭代算法，对算法的简化也降低了复共轭抑制率；利用双平衡探测的方法增加了系统复杂度，且引入的相位差对环境稳定性有较高的要求，不适用于光纤型系统。因此有必要研究易于实现、且复共轭抑制率高的消镜像方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于位相复用的全量程扫频OCT成像方法及系统。在扫频OCT成像系统的参考臂中设置电光调制器，通过干涉光谱位相复用采集的方法来消除图像中的共轭镜像，获得高灵敏度区域的全量程OCT图像。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一、一种基于位相复用的全量程扫频OCT成像方法：

在扫频光学相干层析成像系统的参考臂中设置电光调制器，在参考光中引入附加相位，实现干涉光谱信号的高速相位调制；通过数据采集卡与电光调制器之间的同步触发，使相邻干涉光谱采样点之间存在预设的相位变化，实现单次扫频周期内干涉光谱的位相复用采集；将采集到的干涉光谱数据按其所对应的附加相位进行分组，得到若干组对应于同一附加相位的干涉光谱数据子集，然后分别将每组时间域采集的对应于同一附加相位的干涉光谱数据子集映射到预设等波数间隔坐标的波数空间，即利用这些等波数间隔分布的相移干涉光谱数据子集构建复干涉光谱数据；根据复干涉光谱数据，重建感兴趣深度区域的高灵敏度全量程扫频OCT成像；该方法的具体步骤如下：

1)调节函数发生器，产生一路相位调制驱动信号，输入到参考臂中的电光调制器，对参考光引入附加相位，参考光与样品光汇合之后形成的干涉光谱的相位即受此附加相位调制；

2)设置系统各部分硬件同步工作，使扫频光源输出的触发信号同时触发函数发生器产生波形和数据采集卡采集数据，并且数据采集卡采集频率设置为函数发生器产生的相位调制信号频率的3～5倍，使采集到的相邻数据点之间存在预设的相位变化；

3)由数据采集卡采集到的干涉光谱信号，由于相邻数据点间具有预设的附加相位变化，将具有同一附加相位的数据点分为一组，可形成3～5组对应于不同附加相位的干涉光谱数据子集，分别将每组时间域采集的对应于同一附加相位的干涉光谱数据子集映射到预设等波数间隔坐标的波数空间，利用这些等波数间隔分布的相移干涉光谱信号子集构建复干涉光谱信号，重建感兴趣区域的高灵敏度全量程扫频OCT成像。

二、一种基于位相复用的全量程扫频OCT成像系统：

包括光源、宽带光纤耦合器、样品臂、参考臂和OCT干涉光谱信号探测装置，从光源发出的低相干光进入宽带光纤耦合器，经分光后分别进入参考臂和样品臂，产生的干涉光谱信号进入OCT干涉光谱信号探测装置进行采集；其特征在于：所述光源为扫描光源发出的低相干光，进入第一宽带光纤耦合器的第一端；第一宽带光纤耦合器的第二端的光经过样品臂环行器投射在样品上；第一宽带光纤耦合器的第三端的光进入参考臂的电光相位调制器，在第二宽带光纤耦合器与经样品臂返回的样品光汇合后形成OCT干涉光谱信号，通过第二宽带光纤耦合器第三端和第四端经平衡探测器进行探测，最后经计算机中的数据采集卡进行采集；扫描光源输出的触发信号分为两路，一路与函数发生器连接，产生相位调制信号与电光调制器连接，实现对参考光引入附加相位；另一路直接与数据采集卡进行连接，用于采集干涉光谱数据；数据采集卡采集到的数据输入给计算机进行数据处理和图像重建；数据采集卡产生一路振镜驱动信号与样品臂扫描振镜连接，实现对样品的横向扫描。

所述的样品臂包括样品臂环行器，样品臂准直镜，样品臂扫描振镜和样品臂聚焦透镜；第一宽带光纤耦合器的第二端的光经过样品臂环行器，样品臂准直镜，样品臂扫描振镜，样品臂聚焦透镜投射在样品上，反射光原路返回至第二宽带光纤耦合器。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、通过在一个扫频周期中引入不同的附加相位实现干涉光谱信号的位相复用采集。与多步移相的方法相比，无需在同一个横向扫描位置处停留几个轴向扫描的时间，在一个横向位置实现单次扫频周期内干涉光谱的位相复用采集，就可以重建高灵敏度区域的无镜像图像，成像速度快。

2、本方法采用在一个扫频周期内引入不同附加相位的方案。由于轴向扫描的时间周期很短，相对于多步移相方法需要在不同扫频周期之间引入不同附加相位的方法，本方法的各个干涉光谱信号子集之间的位相稳定性较高，复共轭抑制比较高，可实现高复共轭抑制比的无镜像成像。

3、通过电光调制器可以引入与各个光谱成分对应的准确的附加相位。相比于步进参考平面镜引入附加相位的方法，可以具有匹配由于各个光谱成分移相量不准导致的移相色差的能力，实现无色散的移相，进一步提高复共轭抑制比，确保高速、高灵敏度全量程成像。

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是本发明的基于阶梯波调制位相复用方法采集的干涉光谱信号示意图；

图中：1、扫频光源，2、宽带光纤耦合器，3、样品臂环行器，4、样品臂准直镜，5、样品臂扫描振镜，6、样品臂聚焦透镜，7、样品，8、电光调制器，9、平衡探测器，10、计算机，11、数据采集卡，12、函数发生器。

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，本发明包括光源、宽带光纤耦合器、样品臂、参考臂和OCT干涉光谱信号探测装置，从光源发出的低相干光进入宽带光纤耦合器，经分光后分别进入参考臂和样品臂，产生的干涉光谱信号进入OCT干涉光谱信号探测装置进行采集；所述光源为扫描光源1发出的低相干光，进入第一宽带光纤耦合器2的第一端；第一宽带光纤耦合器2的第二端的光经过样品臂环行器3投射在样品7上；第一宽带光纤耦合器2的第三端的光进入参考臂的电光相位调制器8，在第二宽带光纤耦合器2与经样品臂返回的样品光汇合后形成OCT干涉光谱信号，通过第二宽带光纤耦合器2第三端和第四端经平衡探测器9进行探测，最后经计算机10中的数据采集卡11进行采集；扫描光源1输出的触发信号分为两路，一路与函数发生器12连接，产生相位调制信号与电光调制器8连接，实现对参考光引入附加相位；另一路直接与数据采集卡11进行连接，用于采集干涉光谱数据；数据采集卡11采集到的数据输入给计算机10进行数据处理和图像重建；数据采集卡11产生一路振镜驱动信号与样品臂扫描振镜5连接，实现对样品的横向扫描。图中，电光调制器8采用Uniphase公司生产的高速宽带电光相位调制器，能够通过输入其中的电压对参考光信号引入一个附加相位，与样品光汇合后能够实现干涉光谱信号的相位调制；图中连线规定为：带箭头的折线为电信号连接，不带箭头的曲线为光纤连接。

所述的样品臂包括样品臂环行器3，样品臂准直镜4，样品臂扫描振镜5和样品臂聚焦透镜6；第一宽带光纤耦合器的第二端的光经过样品臂环行器3，样品臂准直镜4，样品臂扫描振镜5，样品臂聚焦透镜6投射在样品7上，反射光原路返回至第二宽带光纤耦合器。

图2所示为本发明的基于阶梯波调制位相复用方法采集的干涉光谱信号示意图。下面对图2中的曲线进行说明。

$I\left(k\right)=S\left(k\right)R_R+S\left(k\right){\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left[R_S\left(\mathrm{\Δz}\right)R_S\left(\mathrm{\Δ}{z}^{\′}\right)\right]}^{1/2}\×\exp \left\{i\right[k(\mathrm{\Δz}-\mathrm{\Δ}{z}^{\′})+\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\Δz}\right)-\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\Δ}{z}^{\′}\right)\left]\right\}\mathrm{d\Δzd\Δ}{z}^{\′}$

$+2S\left(k\right){\∫}_{-\∞}^{+\∞}\sqrt{R_R{R}_S\left(\mathrm{\Δz}\right)}\cos [\mathrm{k\Δz}+\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\Δz}\right)+{\mathrm{\φ}}^{\left(i\right)}]\mathrm{d\Δz},i=\mathrm{1,2,3,4,5}$

其中，φ⁽¹⁾＝-π，

φ⁽³⁾＝0，φ⁽⁵⁾＝π，将采集到的干涉光谱信号I(t)相邻点分别放入五组新的数据组，即I⁽¹⁾(t)，I⁽²⁾(t)，I⁽³⁾(t)，I⁽⁴⁾(t)，I⁽⁵⁾(t)，经过k空间映射并且插值到对应的波数值的运算过程之后，得到I⁽¹⁾(k)，I⁽²⁾(k)，I⁽³⁾(k)，I⁽⁴⁾(k)，I⁽⁵⁾(k)。利用常用的五步移相公式计算复数干涉光谱的振幅和位相，表达式分别为：

$\mathrm{\Ψ}\left(k\right)=\frac{1}{4}{\left(\right\{2[I^{\left(2\right)}\left(k\right)-I^{\left(4\right)}\left(k\right)]{\}}^2+[2I^{\left(3\right)}\left(k\right)-I^{\left(5\right)}\left(k\right)-I^{\left(1\right)}\left(k\right){]}^2)}^{0.5}$

$\mathrm{\Φ}\left(k\right)=\arctan \frac{2[I^{\left(2\right)}\left(k\right)-I^{\left(4\right)}\left(k\right)]}{2I^{\left(3\right)}-I^{\left(5\right)}\left(k\right)-I^{\left(1\right)}\left(k\right)}$

用上式求得的振幅和相位构建复数干涉光谱，其表达式为，

$\tilde{I}\left(k\right)=\mathrm{\Ψ}\left(k\right)\·\exp \left(\mathrm{j\Φ}\left(k\right)\right)$

通过傅立叶变换的图像重建，可得到无镜像的全范围图像信号：

$F{T}^{-1}\left\{\tilde{I}\left(k\right)\right\}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Γ}[\mathrm{\τ}-({\mathrm{\τ}}_r-{\mathrm{\τ}}_n)]$

式中：I(k)代表采集的实数干涉光谱信号强度，k代表光波数，R_R代表参考臂反射率，R_S(Δz)和R_S(Δz′)代表样品各层反射率，Δz和Δz′代表样品内部不同深度的坐标，φ(Δz)和φ(Δz′)代表样品内部各层对干涉光谱信号引入的附加相位，φ⁽ⁱ⁾代表由电光调制器引入的附加相位，Ψ(k)代表重建的复数干涉光谱的幅度，Φ(k)代表重建的复数干涉光谱的相位，

代表重建的复数干涉光谱信号，Γ代表光源的自相关函数，τ代表重建的时间延迟坐标，τ_r代表参考臂的时间延迟，τ_n代表样品各层的时间延迟。

上述实施例中演示的阶梯波信号进行调制的情况，用于调制相位阶梯波信号的每个周期包含五种不同的相位状态，利用本方法的相位复用采集技术得到五组干涉光谱信号子集I⁽¹⁾(k)，I⁽²⁾(k)，I⁽³⁾(k)，I⁽⁴⁾(k)，I⁽⁵⁾(k)来重建复数干涉光谱信号以恢复全量程OCT图像。在利用本方法实际实施的过程中，同样可以采用每个周期由三种相位状态或者四种相位状态组成的阶梯波相位调制信号，用本方法的相位复用采集技术得到相应的三组或者四组干涉光谱信号子集，通过基于最小二乘法的算法即可重建复数干涉光谱信号，恢复全量程OCT图像。

本发明由采集到的同一组干涉光谱数据得到几组不同相位调制的干涉光谱信号，实现了干涉光谱的位相复用。通过这几组干涉光谱信号重建复数干涉光谱信号，实施基于快速傅立叶变换的图像重建，确保了在灵敏度最高的零光程区域有效实现扫频光学相干层析的全量程成像。

Claims (3)

1.一种基于位相复用的全量程扫频OCT成像方法，其特征在于：在扫频光学相干层析成像系统的参考臂中设置电光调制器，在参考光中引入附加相位，实现干涉光谱信号的高速相位调制；通过数据采集卡与电光调制器之间的同步触发，使相邻干涉光谱采样点之间存在预设的相位变化，实现单次扫频周期内干涉光谱的位相复用采集；将采集到的干涉光谱数据按其所对应的附加相位进行分组，得到若干组对应于同一附加相位的干涉光谱数据子集，然后分别将每组时间域采集的对应于同一附加相位的干涉光谱数据子集映射到预设等波数间隔坐标的波数空间，即利用这些等波数间隔分布的相移干涉光谱数据子集构建复干涉光谱数据；根据复干涉光谱数据，重建感兴趣深度区域的高灵敏度全量程扫频OCT成像；该方法的具体步骤如下：

1)调节函数发生器，产生一路相位调制驱动信号，输入到参考臂中的电光调制器，对参考光引入附加相位，参考光与样品光汇合之后形成的干涉光谱的相位即受此附加相位调制；

2)设置扫频光源、函数发生器和数据采集卡同步工作，使扫频光源输出的触发信号同时触发函数发生器产生波形和数据采集卡采集数据，并且数据采集卡采集频率设置为函数发生器产生的相位调制信号频率的3～5倍，使采集到的相邻数据点之间存在预设的相位变化；

3)由数据采集卡采集到的干涉光谱信号，由于相邻数据点间具有预设的附加相位变化，将具有同一附加相位的数据点分为一组，可形成3～5组对应于不同附加相位的干涉光谱数据子集，分别将每组时间域采集的对应于同一附加相位的干涉光谱数据子集映射到预设等波数间隔坐标的波数空间，利用这些等波数间隔分布的相移干涉光谱信号子集构建复干涉光谱信号，重建感兴趣区域的高灵敏度全量程扫频OCT成像。

2.实施权利要求1所述方法的一种基于位相复用的全量程扫频OCT成像系统，包括扫频光源、两个宽带光纤耦合器、样品臂、参考臂和OCT干涉光谱信号探测装置，从扫频光源发出的低相干光进入宽带光纤耦合器，经分光后分别进入参考臂和样品臂，产生的干涉光谱信号进入OCT干涉光谱信号探测装置进行采集；其特征在于：还包括平衡探测器(9)、计算机(10)、数据采集卡(11)和函数发生器(12)；扫频光源(1)发出的低相干光，进入第一宽带光纤耦合器的第一端；第一宽带光纤耦合器的第二端的光经过样品臂环行器(3)投射在样品臂的样品(7)上，从样品(7)反射后经过样品臂环行器(3)进入第二宽带光纤耦合器的第一端；第一宽带光纤耦合器的第三端的光进入参考臂的电光相位调制器(8)，再进入第二宽带光纤耦合器的第二端，在第二宽带光纤耦合器与经样品臂返回的样品光汇合后形成OCT干涉光谱信号，通过第二宽带光纤耦合器第三端和第四端经平衡探测器(9)进行探测，最后经计算机(10)中的数据采集卡(11)进行采集；扫频光源(1)输出的触发信号分为两路，一路与函数发生器(12)连接，产生相位调制信号与电光调制器(8)连接，实现对参考光引入附加相位；另一路直接与数据采集卡(11)进行连接，用于采集干涉光谱数据；数据采集卡(11)采集到的数据输入给计算机(10)进行数据处理和图像重建；数据采集卡(11)产生一路振镜驱动信号与样品臂扫描振镜(5)连接，实现对样品的横向扫描。

3.根据权利要求2所述的一种基于位相复用的全量程扫频OCT成像系统，其特征在于：所述的样品臂包括样品臂环行器(3)，样品臂准直镜(4)，样品臂扫描振镜(5)和样品臂聚焦透镜(6)；第一宽带光纤耦合器的第二端的光经过样品臂环行器(3)，样品臂准直镜(4)，样品臂扫描振镜(5)，样品臂聚焦透镜(6)投射在样品(7)上，经样品臂返回的样品光原路返回至第二宽带光纤耦合器。 

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