CN105852816A

CN105852816A - 一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪方法与系统

Info

Publication number: CN105852816A
Application number: CN201610321096.0A
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 李培; 周丽萍; 丁志华
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2016-08-17

Abstract

本发明公开了一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪方法与系统。通常，由于光学相干层析(OCT)成像采用低相干探测，利用该技术获取的图像易受到散斑噪声的影响。本发明通过在深度域消去共轭的结构镜像，重构出复数值的OCT干涉光谱，并在全通道的空间频率域得到无共轭镜像的较宽的横向扫描调制谱；利用该调制谱实现对不同入射角度的探测光的调制编码，并通过对调制谱进行分割，获得相互独立的入射角度分辨的结构子图；对获得的结构子图经过复合平均得到最终的OCT结构图。通过本发明谈及的角度复合技术获得的OCT结构图像，具有降低的散斑噪声和增强的信噪比，以及更加清晰的结构细节。此外，本发明提供全通道的横向扫描调制谱进行角度编码与复合，能够最大化的降低散斑噪声和改善图像质量。

Description

一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪方法与系统

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography，OCT)，尤其涉及一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪方法与系统。

技术背景

OCT技术是一项被广泛应用于在生物医学领域探测生物组织微结构的成像技术，具有非侵入性、高速度和高分辨率等优点。OCT技术利用探测到的由生物样品背向散射光的光强变化，反映出样品内部的反射信息，并重建出样品的断层面结构图像。由于采用低相干干涉探测，OCT成像易受到散斑噪声的干扰影响。散斑噪声源自具有随机相位分布的各列光波的相干叠加的效果。散斑噪声的存在会导致最终所得到的图像的质量下降，信噪比降低，并使得能够反映样品结构特征的图像细节变模糊。因此，在OCT成像中需要采取有效的方法来降低散斑噪声，提高图像信噪比。

降低散斑噪声可以通过对具有不相关散斑噪声图样的多幅独立的OCT图像进行复合平均来实现。基于该理念，出现了诸如频率多样性、偏振多样性、空间多样性和角度多样性等四种主要的方法。获取探测光束的不同入射角度编码的具有独立散斑图样的多幅子图像，并进行复合平均，能够实现基于角度复合的散斑降噪。Iftimia等人提出了一种基于光程编码角度复合的OCT散斑降低方法。该方法通过在样品臂探测光束路径中置入一小块光学玻璃，实现对探测光束不同入射角度的光程编码。然而，在该方法中，为了获得多个角度分辨的OCT子图像以提高散斑降噪的程度，需要较长的成像量程，这在通常的谱域OCT系统中难以实现。后来，Wang等人提出了一种较容易实现的基于B扫多普勒频移编码的角度复合的抑制散斑噪声方法。该方法改变了传统的谱域OCT中样品臂的几何设置，使整个探测光束偏移到扫描镜的转轴中心的一边，从而引入正或负的调制频率使得横向B-scan调制谱的共轭项区分开。通过分割横向扫描调制谱，获得不同频率的子谱，实现对探测光束的不同入射角度的编码。然而该方法由于特殊的样品臂光束设置，导致在空间频率域中仅有半通道(仅含有正频或负频成分)的较窄的调制谱用来实现角度编码，这限制了调制谱分割的数目以满足合适的因分割所导致的下降的横向分辨率。此外，为了获取多普勒频移使共轭重叠的横向调制谱完全被区分开，需要保证在一次B-scan中有足够高的横向采样率，这限制了系统的成像速度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪方法与系统

一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪方法，具体包括以下步骤：

1)在OCT的深度域消去关于零光程共轭对称的镜像，重构出复数值的干涉光谱信号，并获得空间频率域中全通道的横向扫描调制谱。

2)在空间频率域中，对全通道的横向扫描调制谱按频率分割，获得相互独立的角度分辨的干涉子光谱，即实现对探测光束的不同的入射角度的编码。

3)结合2)中所涉及的横向扫描调制谱编码技术与光学相干层析成像技术，得到基于横向扫描调制谱编码的多个独立的角度分辨的结构子图。

4)结合1)中所涉及的获得全通道的横向扫描调制谱的方法和2)中所涉及的横向扫描调制谱编码技术和光学相干层析成像技术，得到基于全通道横向扫描调制谱编码的多个独立的角度分辨的结构子图。

5)对3)或4)中得到的结构子图复合平均，获得经多个探测光束不同入射角度复合的结构图，其散斑噪声降低且信噪比得到了提高。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪方法：

1)OCT成像系统所记录的一幅B-scan实数值干涉光谱图可以表示为S(k,x)，其中k表示波数方向，x表示横向扫描方向。直接对S(k,x)沿着x方向作傅里叶变换，所得到的在空间频率域的横向扫描调制谱是正负频率成分重叠的，故而需要重构出复数值干涉光谱图。通常，利用谱域OCT成像，需调节样品使之完全处在干涉零光程位置的一边，从而使得到的OCT图像中的复共轭镜像能被分辨开。对原始的干涉光谱S(k,x)沿着k方向作傅里叶变换，所得到深度域的样品断层结构图是共轭对称的。去除深度域的共轭镜像，然后沿着k方向作傅里叶逆变换回到原始域，便得到复数值的干涉光谱再沿着x方向作傅里叶变换，便得到空间频率域中无共轭频率成分的全通道的横向扫描调制谱。

2)在OCT系统的样品臂中，探测光束照射到准直物镜上的有效直径尺寸要保证尽量大些，以获得较高的系统成像横向分辨率。当具有一定宽度的准直光束照射到样品臂扫描振镜的转轴中心时，光束的不同宽度位置距转轴中心对应偏移量±δ。该偏移量会引入调制频率f_m，使得空间频率域的横向扫描谱受到调制。调制频率f_m线性正比于偏移量δ，即：

f_m＝2kδω/π，

其中：ω为扫描镜的转动角速度。从样品臂光路几何中可以看出，不同的偏移量对应着探测光束不同的入射角度，正负偏移量即对应正负半个通道。从而，在全通道的横向扫描调制谱中，不同的调制频率实现对探测光束不同入射角度的编码。因此，通过分割全通道的横向扫描调制谱，可以获得相互独立的角度分辨的干涉子光谱。

3)对得到的入射角度分辨的相互独立的干涉子光谱，利用OCT技术中涉及的傅里叶变换等方法，产生角度分辨的独立的结构子图。对这些角度分辨的独立的结构子图进行复合平均，得到新的OCT结构图。

一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪系统，包括低相干宽带光源、环行器、光纤耦合器、参考臂、样品臂、光谱仪和处理单元模块；其中：参考臂由第一偏振控制器、第一准直透镜、聚焦透镜和平面反射镜组成；样品臂由第二偏振控制器、第二准直透镜、正交扫描装置和物镜组成；光谱仪由第三准直透镜、衍射光栅、傅里叶透镜和高速线阵相机组成；

系统的低相干宽带光源经环行器后，从光纤耦合器一侧的第一个输入端进光；光纤耦合器另外一侧的第一个输出端与参考臂的第一偏振控制器相连接，第一偏振控制器与参考臂的第一准直透镜相连接；参考臂聚焦透镜与参考臂第一准直透镜在同一光路上，平面反射镜与聚焦透镜的后焦平面重合；光纤耦合器的另外一侧的第二个输出端口，与样品臂的第二偏振控制器相连接，第二偏振控制器与样品臂的第二准直透镜相连接；第二准直透镜的出射光路光轴依次经过正交扫描装置中第一扫描镜转轴中心、第二扫描镜转轴中心和物镜的中心，待测样品置于物镜的后焦平面处；环行器的另一个输出端口与光谱仪的第三准直透镜相连接，在第三准直透镜的出射光路上，按照光栅衍射原理放置衍射光栅，傅里叶透镜置于光栅的出射光路上，高速线阵相机的像元面置于傅里叶透镜的后焦平面处；线阵相机后面接处理单元模块；低相干宽带光源中心波长为1325nm，半高全宽为100nm。

系统的低相干宽带光源出射的光经环行器后进入到光纤耦合器，光纤耦合器的出射光被分成两束：一束光进入参考臂，经过准直和聚焦后照射到平面反射镜；另一束光进入样品臂，经过准直、扫描和聚焦后照射到被测样品上；样品臂中的正交扫描装置实现对被测样品的三维成像扫描；由参考臂中平面反射镜反射回的光与样品臂中被测样品后向散射回的光在光纤耦合器处发生干涉，光纤耦合器输出的干涉光束经过光谱仪后由处理单元模块采集并处理。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)利用本发明获得的多个空间角度复合的结构图像，其散斑噪声有所降低，图像信噪比得到改善，结构图中的细节信息更加清晰。

2)相比于背景技术中谈及的基于B扫多普勒频移编码的角度复合的抑制散斑噪声方法，其在空间频率域中，仅提供半通道的较窄的横向扫描调制谱进行角度编码和复合。本发明可提供全通道的较宽横向扫描调制谱，允许含有正负频率成分的两个半通道并行运作。在用半通道的角度复合方法获得的图像横向分辨率相同的情况下，本发明提出的全通道方法可以有两倍多的分割数以保证最大化的散斑降噪效果。

3)相比于背景技术中谈及的半通道调制编码的角度复合的抑制散斑噪声方法，其需要对样品臂光束进行偏离扫描镜转轴中心设置。并且为了获取足够的多普勒频移使共轭重叠的横向调制谱完全被区分开，需要保证在一次B-scan中有足够高的横向采样率，即足够多的A-line数，这限制了实际的系统成像速度。本发明无需改变系统设置，对于通常的OCT系统适用。

附图说明

图1为OCT系统中的样品臂探测光束扫描示意图；

图2是本发明的散斑降低方法实现流程图；

图3是本发明的成像系统示意图。

图1中：①、样品臂探测光束；②、扫描镜；③、扫描镜转轴轴心；④、会聚透镜。

图2中：A、实数值的OCT干涉光谱；B、深度域的样品结构信息；C、消去共轭镜像后的样品结构信息；D、复数值的OCT干涉光谱；E、空间频率域中的全通道的横向扫描调制谱；F1～Fn、横向扫描调制子光谱；G1～Gn、深度域的样品结构子图；H、经过角度复合之后的OCT结构图。

图3中：1、光源；2、环行器；3、光纤耦合器；4、偏振控制器件；5、准直透镜；6、聚焦透镜；7、平面反射镜；8、偏振控制器件；9、准直透镜；10、正交扫描装置；11、会聚物镜；12、被测样品；13、准直透镜；14、衍射光栅；15、傅里叶透镜；16、高速线阵相机；17、处理单元模块。

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。

图1为OCT系统中的样品臂探测光束扫描示意图。下面对图1示意图作详细说明。

在OCT系统的样品臂中，探测光束(即标号①)照射到准直物镜(即标号④)上的有效直径尺寸要保证尽量大些，以获得较高的系统成像横向分辨率。当具有一定宽度的准直光束照射到样品臂扫描镜(即标号②)的转轴中心时，光束的不同宽度位置距转轴中心(即标号③)对应偏移量±δ。该偏移量会引入调制频率f_m，使得空间频率域的横向扫描谱受到调制。调制频率f_m线性正比于偏移量δ，即：

f_m＝2kδω/π，

其中：ω为扫描镜的转动角速度。从样品臂光路几何中可以看出，不同的偏移量对应着探测光束不同的入射角度θ。从而，在全通道的横向扫描调制谱中，不同的调制频率实现对探测光束不同入射角度的编码，k表示波数。

图2所示为本发明的方法的具体实现流程图。下面对图2中的流程进行详细说明：

1)OCT成像系统所记录的一幅B-scan实数值干涉光谱图可以表示为S(k,x)，其中k表示波数方向，x表示横向扫描方向。直接对S(k,x)沿着x方向作傅里叶变换，所得到的在空间频率域的横向扫描调制谱是正负频率成分重叠的，故而需要重构出复数值干涉光谱图通常，利用谱域OCT进行成像，需调节样品使之完全处在干涉零光程位置的一边，从而使得到的OCT图像中的复共轭镜像能被分辨开。对原始的干涉光谱S(k,x)(即矩形框图A)沿着k方向作傅里叶变换，所得到深度域的样品断层结构图(即矩形框图B)是共轭对称的。去除深度域的共轭镜像(即矩形框图C)，然后沿着k方向作傅里叶逆变换回到原始域，便得到复数值的干涉光谱(即矩形框图D)。再沿着x方向作傅里叶变换，便得到空间频率域中无共轭频率成分的全通道的横向扫描调制谱(即矩形框图E)。

2)然后，对获得的全通道的横向扫描调制谱进行分割角度编码操作，可以获得相互独立的角度分辨的干涉子光谱(即矩形框图F1～Fn)。

3)对得到的入射角度分辨的相互独立的干涉子光谱(即矩形框图F1～Fn)，利用OCT技术中涉及的傅里叶变换等方法，产生角度分辨的独立的结构子图(即矩形框图G1～Gn)。对这些角度分辨的独立的结构子图进行复合平均，得到新的OCT结构图(即矩形框图H)。

图3所示为本发明的成像系统示意图。下面对图3进行详细说明。

一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪系统，包括低相干宽带光源1、环行器2、光纤耦合器3、参考臂、样品臂、光谱仪和处理单元模块17；其中：参考臂由第一偏振控制器4、第一准直透镜5、聚焦透镜6和平面反射镜7组成；样品臂由第二偏振控制器8、第二准直透镜9、正交扫描装置10和物镜11组成；光谱仪由第三准直透镜13、衍射光栅14、傅里叶透镜15和高速线阵相机16组成；

系统的低相干宽带光源1经环行器2后，环行器2的一个输出端口与光纤耦合器3一侧的第一个输入端连接；光纤耦合器3另外一侧的第一个输出端与参考臂的第一偏振控制器4相连接，第一偏振控制器4与参考臂的第一准直透镜5相连接；参考臂的聚焦透镜6与参考臂第一准直透镜5在同一光路上，平面反射镜7与聚焦透镜6的后焦平面重合；光纤耦合器3的另外一侧的第二个输出端口，与样品臂的第二偏振控制器8相连接，第二偏振控制器8与样品臂的第二准直透镜9相连接；第二准直透镜9的出射光路光轴依次经过正交扫描装置10中第一扫描镜转轴中心、第二扫描镜转轴中心和物镜11的中心，待测样品12置于物镜11的后焦平面处；环行器2的另一个输出端口与光谱仪的第三准直透镜13相连接，在第三准直透镜13的出射光路上，按照光栅衍射原理放置衍射光栅14，傅里叶透镜15置于光栅的出射光路上，高速线阵相机16的像元面置于傅里叶透镜15的后焦平面处；线阵相机16后面接处理单元模块17；

系统的低相干宽带光源1出射的光经环行器2后进入到光纤耦合器3，光纤耦合器3的出射光被分成两束：一束光进入参考臂，经过准直和聚焦后照射到平面反射镜7；另一束光进入样品臂，经过准直、扫描和聚焦后照射到被测样品12上；样品臂中的正交扫描装置10实现对被测样品12的三维成像扫描；由参考臂中平面反射镜7反射回的光与样品臂中被测样品12后向散射回的光在光纤耦合器3处发生干涉，光纤耦合器3输出的干涉光束经过光谱仪(13～16)后由处理单元模块17采集并处理。

Claims

1.一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)在OCT的深度域消去关于零光程共轭对称的镜像，重构出复数值的干涉光谱信号，并获得空间频率域中的全通道的横向扫描调制谱；

2)在空间频率域中，对横向扫描调制谱按频率分割，获得相互独立的角度分辨的干涉子光谱，对应探测光束的不同的入射角度调制编码；

3)结合2)中所涉及的横向扫描调制谱编码技术与光学相干层析成像技术，得到基于横向扫描调制谱编码的多个独立的角度分辨的结构子图；

4)结合1)中所涉及的获得全通道横向扫描调制谱的方法和2)中所涉及的横向扫描调制谱编码技术以及光学相干层析成像技术，得到基于全通道横向扫描调制谱编码的多个独立的角度分辨的结构子图；

5)对3)或4)中得到的结构子图复合平均，获得经多个探测光束不同入射角度编码复合的结构图，具有降低的散斑噪声和改善的信噪比。

2.一种全通道调制编码的角度复合散斑降噪系统，包括低相干宽带光源、环行器、光纤耦合器、参考臂、样品臂、光谱仪和处理单元模块；其中：参考臂由第一偏振控制器、第一准直透镜、聚焦透镜和平面反射镜组成；样品臂由第二偏振控制器、第二准直透镜、正交扫描装置和物镜组成；光谱仪由第三准直透镜、衍射光栅、傅里叶透镜和高速线阵相机组成；

其特征在于：系统的低相干宽带光源经环行器后，从光纤耦合器一侧的第一个输入端进光；光纤耦合器另外一侧的第一个输出端与参考臂的第一偏振控制器相连接，第一偏振控制器与参考臂的第一准直透镜相连接；参考臂聚焦透镜与参考臂第一准直透镜在同一光路上，平面反射镜与聚焦透镜的后焦平面重合；光纤耦合器的另外一侧的第二个输出端口，与样品臂的第二偏振控制器相连接，第二偏振控制器与样品臂的第二准直透镜相连接；第二准直透镜的出射光路光轴依次经过正交扫描装置中第一扫描镜转轴中心、第二扫描镜转轴中心和物镜的中心，待测样品置于物镜的后焦平面处；环行器的另一个输出端口与光谱仪的第三准直透镜相连接，在第三准直透镜的出射光路上，按照光栅衍射原理放置衍射光栅，傅里叶透镜置于光栅的出射光路上，高速线阵相机的像元面置于傅里叶透镜的后焦平面处；线阵相机后面接处理单元模块，低相干宽带光源中心波长为1325nm，半高全宽为100nm。