CN104849221B - 一种基于光学相干层析成像技术的相位定标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学相干层析成像技术的相位定标方法，包括如下步骤：第一步：用电荷耦合器件采集n空间的光谱光强I与像元数n的关系I～n；第二步：获取所述电荷耦合器件像元数n与波数k的关系k～n；第三步：利用所述像元数n与波数k的关系k～n，对n空间的光谱光强与像元数n的关系I～n进行插值运算，得到k空间的光谱光强与波数k的关系I～k。

Description

一种基于光学相干层析成像技术的相位定标方法
技术领域
本发明涉及成像检测技术领域，特别是涉及一种基于光学相干层析成像技术的相位定标方法。
背景技术
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)技术于上个世纪九十年代被首次提出，具有非接触、无创伤、分辨率高、成像速度快等优点，在生物医学研究和临床诊断中具有广泛的应用。
在OCT中，电荷耦合器件(CCD)采集到的原始光谱是关于CCD的像元n均匀分布的，而在后续的数据处理中需要的是关于波数k均匀分布的光谱，为此需要进行相位定标，将干涉光谱由n空间(I～n)变换到k空间(I～k)。
传统的相位定标方法利用定标灯来了解光谱仪的分光特性，即CCD像元和波长的关系(λ～n)，然后通过插值运算得到光强随波长均匀变化的关系(I～λ)。接下来，利用波长λ和波数k的数学关系，再进行一次插值运算就可以得到光强和波数的关系(I～k)。
这种方法在初次调试光谱仪时必须用到定标灯设备，而且每处理一次扫描数据时都要进行两次插值，计算时间长，数据处理效率低。
上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明(主要)目的在于提出一种基于光学相干层析成像技术的相位定标方法，不需要使用定标灯、提高数据处理效率。
为此，本发明提出一种基于光学相干层析成像技术的相位定标方法。
一种基于光学相干层析成像技术的相位标定方法，其特征在于包括如下步骤：第一步：用电荷耦合器件采集n空间的光谱光强I与像元数n的关系I～n；第二步：获取所述电荷耦合器件像元数n与波数k的关系k～n；第三步：利用所述像元数n与波数k的关系k～n，对n空间的光谱光强与像元数n的关系I～n进行插值运算，得到k空间的光谱光强与波数k的关系I～k。
所述第二步具体包括：用光学相干层析成像设备对放在z1处的反射镜处进行成像、采集第一光谱，对所述第一光谱进行处理，得到第一相位曲线；将反射镜放在z2处采集第二光谱，对所述第二光谱进行处理得到第二相位曲线；将第一相位曲线与第二相位曲线相减得到所述电荷耦合器件像元数n与波数k的关系k～n。
所述第三步中插值运算具体包括：根据需要的波数k的点数，在k的最小值和最大值之间选取若干等间隔的波数k点，由k～n关系得到均匀的波数k点对应的n点，代入光谱I～n中，即可得到在波数k空间均匀分布的光谱I～k。
所述z1、z2的范围为0.4～1.6毫米。
所述第二步中采集的第一光谱为其中，I(k)是光谱强度，|s(k)|2是光谱包络，I0是直流量，z1是光程差，是由于色散带来的相位项，对于采集到的第一光谱，首先使用傅立叶变换得到频域信号，在频域通过截取数据滤去低频的光谱包络|s(k)|2、直流量I0以及各频段的噪声信号，再通过傅立叶逆变换得到的关系，接下来反解相位，就可以得到相位随像元n的变化关系。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明的基于光学相干层析成像技术的相位定标方法，与传统的定标灯相位定标法相比，具有以下优点：(1)无需使用定标灯设备，操作简单快捷。(2)对原始光谱进行处理时，仅需进行一次插值运算，计算时间短，处理效率高。
附图说明
图1是是本发明的基于光学相干层析成像技术的相位定标方法的流程图。
图2是将反射镜放置在不同位置处，进行两次成像的示意图。
图3是作差法消色散以后得到的相位曲线(k～n)。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。
本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
如图1所示，一种基于光学相干层析成像技术的相位标定方法，包括如下步骤：
第一步：用电荷耦合器件采集n空间的光谱光强I与像元数n的关系I～n。
第二步：获取所述电荷耦合器件像元数n与波数k的关系k～n。如图2a所示，用光学相干层析成像设备对放在z1处的反射镜处进行成像。将单一反射镜放在样品台上，反射镜距离零光程差位置距离为z1。由于只有单一反射面、单一成像深度，CCD接收到的第一光谱可以表示为下式：
其中，I(k)是光谱强度，|s(k)|2是光谱包络，I0是直流量，z1是光程差，是由于色散带来的相位项。对所述第一光谱进行处理，得到第一相位曲线。具体处理方法如下：对于采集到的第一光谱，首先使用傅立叶变换得到频域信号，在频域通过截取数据滤去低频的光谱包络|s(k)|2、直流量I0以及各频段的噪声信号，再通过傅立叶逆变换得到的关系，接下来反解相位，就可以得到相位随像元n的变化关系，也即相位曲线
如图2b所示，将反射镜放在z2处采集第二光谱，对所述第二光谱进行处理得到第二相位曲线。得到第二相位曲线的方法流程可以与得到第一相位曲线的方法相同。所得到的第二相位曲线为其中，和分别为在z1和z2深度处对应色散项。由于在z2处成像时，与z1相比，光在样品臂仅多行走了毫米量级的空气，因此可以近似认为：
得：
这样我们就获得了2kΔz～n曲线，由于Δz是常数，因而可以进一步得到k～n关系。即，将第一相位曲线与第二相位曲线相减得到所述电荷耦合器件像元数n与波数k的关系k～n。
在实际测量中，深度z1、z2的大小需选择适中，z1、z2的范围为0.4～1.6毫米。若深度太小，则叠加的余弦信号频率很小，供以反解相位的周期数太少，会造成较大误差。此外由奈奎斯特采样定理，拥有2048个像素元的CCD最多只能探测到1024个周期，因此若深度太大，对应频率太高，也会导致误差。为了进一步减小误差，需要调节使参考臂和样品臂返回的光强相当，这样可以使干涉叠加的余弦信号振幅最大。
第三步：利用所述像元数n与波数k的关系k～n，对n空间的光谱光强与像元数n的关系I～n进行插值运算，得到k空间的光谱光强I～k。插值运算具体包括：根据需要的波数k的点数，在k的最小值和最大值之间选取若干等间隔的波数k点，由k～n关系得到均匀的波数k点对应的n点，代入光谱I～n中，即可得到在波数k空间均匀分布的光谱I～k。
下面再举一个具体例子进行进一步说明。
将反射镜放置在距离等光程位置约0.6mm处，即使z1约为0.6mm，CCD采集得到的原始干涉光谱。我们对其做快速傅立叶变换FFT，然后截取第2800-3000个元素，从而滤除低频的光谱包络和直流量以及其它各频率的噪声信号。对频域滤波后的信号做傅立叶逆变换IFFT，得到
接下来需要解相位，解相位的方法是利用希尔伯特变换构造IFT信号的复数形式，其虚部与实部相除，再求反正切即可得到相位。由于反正切函数的值域是-π/2～π/2，求解时会出现相位缠绕现象，需要通过不断判断相邻相位的大小决定解缠绕的时机。解缠绕后即得到相位曲线
使z2约为1.0mm再按照前述流程得到大光程差的相位曲线，将大、小光程差两次求得的相位曲线直接相减，得到消色散以后的相位曲线(k～n)。
为了检验作差法消色散的有效性，我们用作差法得到的相位曲线作为插值系数对实际物体(倍频片)进行成像。使倍频片薄膜的上表面分别位于0.6毫米深度处和1.35毫米深度处。本发明得到的成像结果在不同深度处图像质量相同，没有出现展宽现象，而一般情况下色散现象的存在会使得改变深度时图像质量下降，因此本方法很好地消除了色散对于成像质量的影响。
至此，我们由原始光谱I～n通过一系列的数据处理得到了k～n关系，接下来按照上节所述的插值方法对I～n进行插值，即可得到在波数k空间均匀分布的光谱I～k。
本发明的相位定标方法，不需要使用定标灯，不依赖波长空间作为转换中介，直接通过波数随CCD像元的关系(k～n)得到光强随波数均匀变化的关系(I～k)，在处理一次轴向扫描数据时只需要进行一次插值，有效地提高了数据处理的效率。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (3)

1.一种基于光学相干层析成像技术的相位标定方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：用电荷耦合器件采集n空间的光谱光强I与像元数n的关系I～n；
第二步：获取所述电荷耦合器件像元数n与波数k的关系k～n；所述第二步具体包括：用光学相干层析成像设备对放在z1处的反射镜处进行成像、采集第一光谱，对所述第一光谱进行处理，得到第一相位曲线；将反射镜放在z2处采集第二光谱，对所述第二光谱进行处理得到第二相位曲线；将第一相位曲线与第二相位曲线相减得到所述电荷耦合器件像元数n与波数k的关系k～n；所述第二步中采集的第一光谱为其中，I(k)是光谱强度，|s(k)|2是光谱包络，I0是直流量，z1是光程差，是由于色散带来的相位项，对于采集到的第一光谱，首先使用傅立叶变换得到频域信号，在频域通过截取数据滤去低频的光谱包络|s(k)|2、直流量I0以及各频段的噪声信号，再通过傅立叶逆变换得到的关系，接下来反解相位，就可以得到相位随像元n的变化关系；
第三步：利用所述像元数n与波数k的关系k～n，对n空间的光谱光强与像元数n的关系I～n进行插值运算，得到k空间的光谱光强与波数k的关系I～k。
2.如权利要求1所述的相位标定方法，其特征在于：所述第三步中插值运算具体包括：根据需要的波数k的点数，在k的最小值和最大值之间选取若干等间隔的波数k点，由k～n关系得到均匀的波数k点对应的n点，代入光谱I～n中，即可得到在波数k空间均匀分布的光谱I～k。
3.如权利要求1所述的相位标定方法，其特征在于：所述z1、z2的范围为0.4～1.6毫米。
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