CN105030201B - 基于静态区域信息的扫频oct数字相位矫正方法与系统 - Google Patents

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本发明公开了一种基于静态区域信息的扫频OCT数字相位矫正方法与系统，现有的扫频光学相干层析成像技术由于扫频光源的扫描触发和采样时钟信号不同步，干涉信号光谱存在随机的错移，导致OCT相位信号的随机跳变。研究发现在样品的静态区域，相比于相位跳变误差，系统SNR决定的相位噪声较小，而环境导致的相位扰动在时间上具有缓变的特征。本发明利用上述相位特征确定相位跳变发生的A‑line位置、以及光谱的错移量，通过相位与成像深度的线性关系，实现相位跳变误差的矫正。该方法属于纯数字矫正，不增加系统的复杂程度，不会引入额外的相位噪声。

Description

基于静态区域信息的扫频OCT数字相位矫正方法与系统
技术领域
本发明涉及扫频光学相干层析成像技术(Swept Source Optical CoherenceTomography，SS-OCT)以及光学多普勒、微血管光学造影等功能成像技术，尤其涉及一种基于静态区域信息的扫频OCT数字相位补偿矫正方法与系统。
技术背景
传统OCT成像的对比度主要来源于样品内部背向散射系数的空间变化，形成样品内部的结构成像。由于对比单一，结构OCT在临床诊断中疾病特异性不强。鉴于此，学者们在探索OCT新的对比机制方面开展了大量的工作，形成了一系列功能拓展型的OCT。相比于结构成像，这些技术综合利用OCT信号的强度和相位信息获得生物组织的生理功能信息，如组织内部的三维微血管造影。
SSOCT具有成像速度快、信噪比(SNR)高等优势，其系统SNR决定的相位噪声小，在基于相位信号的功能成像方面具有较大的潜力。但是由于扫频光源的扫描触发和采样时钟信号不同步，干涉信号光谱存在随机的错移，导致OCT相位信号的随机跳变妨碍功能OCT的成像质量。针对上述由于时间延迟导致的相位跳变误差的矫正是目前SS-OCT成像技术的研究重点之一。
目前的相位噪声矫正技术，大致可以分为两大类，一类主要基于硬件结构，一类基于数字算法。硬件方法在系统中引入新的器件，生成参考信号，常见的硬件方法有三种：1)利用窄带光纤布拉格光栅(FBG)的反射特性标定光波长(波数)，进行光谱错移量的矫正；2)改进样品臂，加入参考单层反射镜，以反射镜的信号作为标准，矫正相位噪声；3)在光路中引入马赫曾德干涉仪(MZI)，同步探测MZI的干涉信号，对样品信号进行矫正。硬件方法增加了系统的复杂度，并且会提高成本费用。数字矫正方法，一般利用固定噪声位置处(系统端面反射造成的固有噪声)的信号，通过迭代或者拟合的方法，计算干涉信号的光谱错移量，但是迭代方法计算量大，用时长，不实用；而拟合方法的问题是稳定性较低，会残留相位噪声。
发明内容
在样品的静态区域，相比于由时间延迟导致的相位跳变误差，系统SNR决定的相位噪声较小，而环境导致的相位扰动在时间上变化缓变。利用上述相位特征，本发明公开了一种基于静态区域信息的扫频OCT数字相位补偿矫正方法与系统，搜索相位跳变发生的A-line位置，确定光谱的错移量，通过相位与成像深度的线性关系实现相位跳变误差的矫正。该方法属于纯数字矫正，不增加系统的复杂程度，不会引入额外的相位噪声。
本发明：1)利用扫频光学相干层析成像技术(Swept Source Optical CoherenceTomography，SS-OCT)，以一定的时间间隔，对具有一定空间相关性的位置进行过采样扫描；2)利用搜索算法和拟合算法确定样品区域的边界，根据静态区域同一深度相邻A-line的相位变化，确定光谱错移量；3)在功能成像之前，对原始OCT复解析信号乘以补偿矩阵，实现相位噪声矫正。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一、一种基于静态区域信息的扫频OCT数字相位补偿矫正方法：
1)在SS-OCT系统中，通过控制扫描振镜与设置数据采集，实现以一定的时间间隔，对具有一定空间相关性的位置进行过采样扫描，采集到干涉信号。
2)对干涉信号进行傅立叶变换，对一帧图像(B-frame)中每条A-line的强度信息，应用浮动阈值搜索算法，找到样品区域的分界点，再由各A-line分界点的轴向坐标，通过拟合算法拟合样品边界。
3)利用每两个相邻A-line轴向多个数量像素点(从拟合出的样品边界开始)的相位信息，根据相位噪声和深度的关系，计算出两两A-line之间的相对光谱错移量。并根据这些相对光谱错移量，归一出每个A-line相对于参考A-line(一帧中的第一个)的光谱错移量。
4)根据光谱错移量和引起相位偏差的关系，以及发生光谱错移的位置，生成相位补偿矩阵，用补偿矩阵乘以原始OCT复解析信号，实现相位跳变误差的矫正。
基于静态区域信息的扫频OCT数字相位矫正系统，包括扫频光源、第一光纤耦合器、第一光纤环行器、第一光纤准直器、聚焦透镜、平面反射镜、第一偏振控制器、第二光纤环行器、第二光纤准直器、二维扫描振镜、物镜、样品、第二偏振控制器、第二光纤耦合器、平衡探测器、采集和处理模块；
扫频光源发出的低相干光经第一宽带光纤耦合器分光后，分别进入参考臂模块和样品臂模块，进入参考臂模块的光，通过第一光纤环行器，经光纤准直器和聚焦透镜作用后，聚焦在平面反射镜上，然后沿原路返回至第一光纤环行器，经过第一偏振控制器到达第二光纤耦合器的一个接口进入样品臂模块的光，依次通过第二光纤环行器、第二光纤准直器、二维扫描振镜、物镜，聚焦在待测样品上，从待测样品上返回的背向散射光返回至第二光纤环行器，再通过第二偏振控制器到达第二光纤耦合器的另一个接口，从待测样品返回的背向散射光与从平面反射镜返回的光，在第二光纤耦合器中发生干涉，两路干涉信号进入平衡探测器，最后进入采集和处理模块。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、相比于硬件矫正方法，本发明不需要在系统中加入额外的硬件设备，系统更加简单，提高了光强利用率，也降低了成本，具有更大的应用范围。
2、相比于其它数字矫正方法，本发明利用样品静态区域的信息，而非端面反射产生的固定噪声信息进行矫正，避免了这种方法中固定噪声位置和强度不稳定带来的限制。
3、相比于其它数字矫正方法，本发明不需要迭代算法、不需要进行二次傅里叶变换，大大减少了运算量，提高图像处理速度，有利于实现实时成像。
附图说明
图1是本发明的成像系统示意图；
图2是本发明的算法处理流程图。
图2中：A1-AN表示有一定空间相关性和时间间隔的，N个空间域A-line复解析信号；B1-BN表示从每两个相邻A-line静态区域相位信息计算出的相对光谱错移量；C1-CN表示归一出的，各个A-line相对于参考信号(frame中第一个A-line)的绝对光谱错移量；D1-DN表示矫正之后的A-line复解析信号。操作①代表由相邻A-line的相位差信息和深度信息，计算出相对光谱错移量；操作②代表由相对错移量计算绝对错移量(相对于第一个A-line)的归一化过程；操作③代表根据光谱错移量进行的相位补偿矫正过程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括扫频光源1、第一光纤耦合器2、第一光纤环行器3、第一光纤准直器4、聚焦透镜5、平面反射镜6、第一偏振控制器7、第二光纤环行器8、第二光纤准直器9、二维扫描振镜10、物镜11、样品12、第二偏振控制器13、第二光纤耦合器14、平衡探测器15、采集和处理模块16；
扫频光源1发出的低相干光经第一宽带光纤耦合器2分光后，分别进入参考臂模块和样品臂模块，进入参考臂模块的光，通过第一光纤环行器3，经光线准直器4和聚焦透镜5作用后，聚焦在平面反射镜6上，然后沿原路返回至第一光纤环行器3，经过第一偏振控制器7到达第二光纤耦合器14的一个接口；进入样品臂模块的光，依次通过第二光纤环行器8、第二光线准直器9、二维扫描振镜10、物镜11，聚焦在待测样品12上；从待测样品12上返回的背向散射光返回至第二光纤环行器8，再通过第二偏振控制器13到达第二光纤耦合器14的另一个接口，从待测样品12返回的背向散射光与从平面反射镜返回的光，在第二光纤耦合器14中发生干涉，两路干涉信号进入平衡探测器15，最后进入采集和处理模块16。
如图2所示为本发明的算法处理流程图，其中涉及的光谱错移量ms的计算可以表示为：
其中z表示兴趣信号所在深度，N表示A-line的总体深度，表示z深度处相邻A-line间的相位差值。
下面对图2中的过程进行说明：
1)在SS-OCT系统中，对过采样到的具有一定空间相关性和时间间隔的光谱信号进行快速傅里叶变换，得到复解析信号A1-AN，对解析信号的绝对值使用搜索算法，拟合出信号的静态区域边界；
2)取边界以下多个数量的像素，求取相位平均值，根据相邻A-line的相位差，由公式(1)计算出每两个相邻A-line信号间的相对光谱错移量B1-BN；
3)由相对光谱错移量B1-BN，利用迭代算法，把相对光谱错移量归一成各A-line相对于参考值(一帧中第一个A-line)的绝对光谱错移量C1-CN；
4)根据绝对光谱错移量C1-CN和引起相位偏差的关系，生成补偿矩阵。用补偿矩阵乘以原始OCT复解析信号A1-AN，实现相位校正，得到相位矫正的复解析信号D1-DN。

Claims (2)

1.基于静态区域信息的扫频OCT数字相位矫正方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
1)在扫频OCT系统中，通过控制扫描振镜与设置数据采集，实现以一定的时间间隔，对具有一定空间相关性的位置进行扫描，采集到干涉信号；
2)对干涉信号进行傅立叶变换，对一帧图像中每条A-line的强度信息，应用浮动阈值搜索算法，找到样品区域的分界点，再由各A-line分界点的轴向坐标，通过拟合算法拟合样品边界；
3)利用每两个相邻A-line轴向多个数量像素点的相位信息，根据相位噪声和深度的关系，计算出两两A-line之间的相对光谱错移量；并根据这些相对光谱错移量，归一出每个A-line相对于参考A-line的光谱错移量；
4)根据归一出的每个A-line相对于参考A-line的光谱错移量和引起相位偏差的关系，以及发生光谱错移的位置，生成相位补偿矩阵，用补偿矩阵乘以原始扫频OCT复解析信号，实现相位跳变误差的矫正。
2.根据权利要求1所述的基于静态区域信息的扫频OCT数字相位矫正方法得到的系统，其特征在于，包括扫频光源、第一光纤耦合器、第一光纤环行器、第一光纤准直器、聚焦透镜、平面反射镜、第一偏振控制器、第二光纤环行器、第二光纤准直器、二维扫描振镜、物镜、样品、第二偏振控制器、第二光纤耦合器、平衡探测器、采集和处理模块；
其特征在于：扫频光源发出的低相干光经第一光纤耦合器分光后，分别进入参考臂模块和样品臂模块，进入参考臂模块的光，通过第一光纤环行器，经第一光纤准直器和聚焦透镜作用后，聚焦在平面反射镜上，然后沿原路返回至第一光纤环行器，经过第一偏振控制器到达第二光纤耦合器的一个接口；进入样品臂模块的光，依次通过第二光纤环行器、第二光纤准直器、二维扫描振镜、物镜，聚焦在待测样品上，从待测样品上返回的背向散射光返回至第二光纤环行器，再通过第二偏振控制器到达第二光纤耦合器的另一个接口，从待测样品返回的背向散射光与从平面反射镜返回的光，在第二光纤耦合器中发生干涉，干涉信号分两路进入平衡探测器，最后进入采集和处理模块。
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