CN105996999B - 基于oct测量样品深度分辨衰减系数的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的方法与系统。根据微粒浓度不同衰减系数不同的规律，通过测量介质空间分辨的光学衰减系数能够对其内部微结构进行成像。近红外激光光束通过样品浅层区域时以单次散射为主，通过深层区域时以多次散射为主。本发明采用深度分辨的单次散射模型测量样品浅层区域散射系数，应用基于扩展的惠更斯‑菲涅尔原理的多次散射模型结合分段拟合技术测量样品深层区域散射系数。对从OCT系统采集到的干涉光谱信号进行数据处理，可将OCT强度数据相应转换成浅层和深层衰减系数数据，对重建的浅层高空间分辨率散射系数图像和深层高测量精度散射系数图像进行拼接，可实现样品高分辨率高测量精度的衰减系数成像。
Description
技术领域
本发明涉及光学相干层析成像技术，尤其涉及一种基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的方法和系统。
背景技术
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种新兴的生物医学光学成像技术，能实现对生物组织的结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像，在疾病的早期检测和在体活检领域有着广阔的应用前景。作为一种提供临床医学疾病诊断和显示指导的重要方法，生物组织的光学属性诸如散射系数，衰减系数，吸收系数以及各向异性因子等的测量在生物光子学研究中扮演重要角色。生物组织的光学属性与组织的各种生理状态有关，因此通过测量生物组织的光学属性，可以确定生物组织的生理状态以及是否发生病变等。例如应用生物组织的光学散射属性实现诊断和探测动脉粥样硬化，腋窝淋巴结癌，口腔癌，直肠癌和青光眼等疾病。光学属性如衰减系数同样和细胞凋亡及坏死有关，对于鼻咽癌的不同细胞系，衰减系数不同。这些应用证明在非均匀散射生物组织中确定空间分辨的衰减系数的重要性。
由于介质对光的吸收和散射作用，相干光束通过浓密介质后光功率会沿着它的传播方向衰减。在近红外波段光的散射效应远大于吸收效应，可以忽略吸收效应，只考虑散射效应。传统的单次散射模型通过对深度方向上的OCT数据进行指数分段拟合来确定介质的散射系数。该方法要求将数据提前分段拟合确保在衰减系数相对均匀区域内平均，使得在低分辨率的情况下得到每一深度的衰减系数。为了重建高分辨率的生物组织散射系数图像，在非均匀散射生物组织中确定空间分辨的衰减系数非常重要。因为光束穿过生物组织浅层以单次散射为主，所以采用深度分辨的单次散射模型测得生物组织浅层散射系数。OCT数据组中的每一个像素被转换成相应的在衰减系数数据组中的像素，和传统的分段拟合的方法相比，分辨率明显得到提高，不需要分段拟合来确定散射系数。
随着成像深度增加，从样品深层返回的光以多次散射为主，而采用单次散射模型测量样品深层散射系数不准确，导致成像对比下降。因此，对于测量高散射介质或样品深层散射系数，应用单次散射模型的方法将会受到限制。传统的多次散射模型应用基于扩展的惠更斯-菲涅尔原理，结合分段拟合，可以增大样品深层的成像对比，但是在整个成像深度范围内需要分段拟合，重建的散射 系数图像分辨率较低。本发明提供一种基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的方法与系统，本发明将深度分辨的单次散射模型和分段拟合的多次散射模型相结合，有效的实现了在整个成像深度范围内获取清晰的OCT散射系数图像。
本发明受到“江苏省2015年度普通高校研究生实践创新计划项目”资助，项目编号为SJLX15_0132。
发明内容
本发明提供一种基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的方法与系统。通过如下技术方案实现：本发明采用传统的谱域光学相干层析(SDOCT)成像系统，包括宽带光源、光隔离器、宽带光纤耦合器、样品臂、参考臂、探测臂；所述的样品臂由第一偏振控制器、第一光纤准直镜、扫描振镜、和第一聚焦物镜组成；所述的参考臂由第二偏振控制器、第二光纤准直镜、第二聚焦物镜、平面反射镜组成；探测臂由光谱仪和计算机组成。
所述的宽带光源经光隔离器与宽带光纤耦合器的输入端口连接，宽带光纤耦合器的第一输出端口经第一偏振控制器与第一光纤准直镜连接，在第一光纤准直镜之后对准放置扫描振镜，在扫描振镜之后对准放置第一聚焦物镜，在第一聚焦物镜的焦平面处对准放置待测样品；宽带光纤耦合器的第二输出端口经第二偏振控制器与第二光纤准直镜连接，在第二光纤准直镜之后对准放置第二聚焦物镜，在第二聚焦物镜之后的焦平面处对准放置平面反射镜；宽带光纤耦合器的第三输出端口与光谱仪连接，光谱仪连接计算机。
从宽带光源发出的宽带激光经光隔离器和宽带光纤耦合器之后，分为两部分；其中一部分经过第一偏振控制器进入样品臂，另一部分经过第二偏振控制器进入参考臂；进入样品臂的这部分光依次通过第一光纤准直镜、扫描振镜和第一聚焦物镜照射在被测样品上，从样品后向散射的光沿着原路返回宽带光纤耦合器；进入参考臂的这部分光依次通过第二光纤准直镜、第二聚焦物镜聚焦在平面反射镜上，光经平面反射镜反射后沿着原路返回至宽带光纤耦合器；此时，在宽带光纤耦合器处参考臂和样品臂返回的光混合进行干涉，有效干涉信号经光谱仪探测产生光谱信号，传入计算机进行数据采集处理。
经数据采集卡采集数据，原始关于波数k的二维干涉信号数据为I(k)，由于采集的原始数据的坐标关于波数k是非线性的，首先要对数据I(k)进行滤除直流项和标定，得到干涉数据I0(k)；再对干涉信号I0(k)进行傅里叶变换，将频域的信号转换到空间深度域的信号，傅里叶变换后得到深度域的数据I(z)，即为空间域的二维OCT强度图像数据。
深度分辨的单次散射模型为
假设后向散射光和总衰减光满足固定的比值α，β为转换因子。L0为入射到样品表面的光照辐出度，μz1(z)为深度分辨的散射系数。
基于惠更斯-菲涅尔原理的多次散射模型为，
其中，ωS和ωH分别为存在散射和无散射时的l/e辐照度半径，μz2为采用多次散射模型获得的散射系数。
对深度域的数据I(z)分别应用深度分辨的单次散射模型和曲线拟合的多次散射模型来测量散射系数μz1和μz2；分别再对散射系数μz1和μz2进行单独成像，得到重建的散射图像；对于样品浅层应用测得的散射系数μz1，对于样品深层应用测得的散射系数μz2，将样品浅层和深层的散射系数图像进行拼接，即可得到高分辨的散射系数图像。
一种基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的方法与系统，该方法具体包括以下步骤：
1).应用传统的SDOCT系统测量生物样品的散射系数，该系统主要包括宽带光源，宽带光纤耦合器，样品臂，参考臂和探测臂。
2).宽带光源出射的光束依次经过光隔离器和宽带光纤耦合器后，分为两部分，其中一部分经过第一偏振控制器进入样品臂，另一部分经过第二偏振控制器进入参考臂；进入样品臂的这部分光依次通过第一光纤准直镜、扫描振镜和第一聚焦物镜照射在待测样品上，聚焦物镜的焦平面位于样品的感兴趣区域，从样品后向散射的光沿着原路返回宽带光纤耦合器；进入参考臂的这部分光依次通过第二光纤准直镜、第二聚焦物镜聚焦在平面反射镜上，光经平面反射镜反射后沿着原路返回至宽带光纤耦合器。
3).由平面反射镜和样品干涉产生的干涉信号进入探测臂中的光谱仪，探测得到干涉光谱信号；被探测的信号传入计算机，经数据采集卡采集数据，得到原始的干涉光谱信号数据。
4).对采集的数据进行处理。设原始关于波数k的二维干涉信号数据为I(k)，由于采集的原始数据的坐标关于波数k是非线性的，首先要对数据I(k)进行滤除直流项和标定，得到干涉数据I0(k)；再对干涉信号I0(k)进行傅里叶变换，将频域的信号转换到空间深度域的信号，傅里叶变换后得到深度域的数据I(z)，即为空间域的二维OCT强度图像数据；对I(z)分别应用深度分辨的单次散射模型和 分段拟合的多次散射模型来测量散射系数μz1和μz2；分别再对散射系数μz1和μz2进行单独成像，得到重建的散射系数图像；对于样品浅层应用测得的散射系数μz1，对于样品深层应用测得的散射系数μz2，将样品浅层和深层的散射系数图像进行拼接，即可得到清晰的散射系数图像。
5).在第四步之前，需要选择散射系数已知的样品分别应用深度分辨的单次散射模型和曲线拟合的多次散射模型来测量散射系数，和真实的散射系数曲线比较，找出两种模型测得曲线的交叉位置，作为我们选择应用两种模型测量样品浅层和深层的分界位置；也可以根据图像的清晰部分，选出应用两种模型合适的分界位置。
与背景技术相比，本发明具有如下技术效果：
1).本发明在样品浅层应用深度分辨的单次散射模型方法测量散射系数，从OCT干涉光谱数据中得到深度分辨的散射系数数据。在OCT数据组中的每一个像素被转换成相应的在散射系数数据组中的像素，和传统的分段拟合方法相比，衰减系数的空间分辨率明显得到提高。
2).本发明应用基于扩展的惠更斯-菲涅尔原理的多次散射模型测量样品深层衰减系数，结合分段拟合技术，克服了由于应用深度分辨的单次散射模型测量样品深层衰减系数不准确而导致的深层散射系数图像重建模糊的缺点。
3).本发明和传统的测量散射系数方法相比，散射系数图像质量得到大大提高，在样品整个光穿透深度内都可以成像，并能够在样品浅层保持高分辨率的散射系数成像。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图中：1、宽带光源，2、光隔离器，3、宽带光纤耦合器，4、第一偏振控制器，5、第一光纤准直镜，6、扫描振镜，7、第一聚焦物镜，8、样品，9、样品臂，10、第二偏振控制器，11、第二光纤准直镜，12、第二聚焦物镜，13、平面反射镜，14、参考臂，15、光谱仪，16、计算机，17、探测臂。
图2是本发明的数据处理流程图。
下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：
如图1、图2所示，本发明展示一种基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的方法与系统，包括宽带光源1、光隔离器2、宽带光纤耦合器3、样品臂9、参考臂14、探测臂17。所述的样品臂9包括第一偏振控制器4、第一光纤准直镜5、扫描振镜6、第一聚焦物镜7和样品8；所述的参考臂14包括第二偏振控制器10、第二光纤准直镜11、第二聚焦物镜12、平面反射镜13；所述的探测臂17包括光谱仪15、计算机16。
所述的宽带光源1经过光隔离器2连接宽带光纤耦合器3的第一个端口，而宽带光纤耦合器3的另两个端口分别经过第一偏振控制器4和第二偏振控制器10连接到样品臂9和参考臂14；其中第一偏振控制器4连接样品臂9中的第一光纤准直镜5，接着经过扫描振镜6后通过第一聚焦物镜7，对准待测样品8：而第二偏振控制器10连接第二光纤准直镜11，第二光纤准直镜11对准第二聚焦物镜12，对准平面反射镜13；宽带光纤耦合器3的第四个端口连接光谱仪15，光谱仪15连接计算机16。
宽带光源1发出探测光束经宽带光纤耦合器3后，一部分光通过第一偏振控制器4进入样品臂9，另一部分光通过第二偏振控制器10进入参考臂14；进入样品臂的光依次通过第一光纤准直镜5、扫描振镜6和第一聚焦物镜7后聚焦到样品上，样品的后向散射光经原路返回至宽带光纤耦合器3；进入参考臂14的光依次经过第二偏振控制器10、第二光纤准直镜11，第二聚焦物镜12后聚焦到平面反射镜13，经过平面反射镜13的光沿着原路返回到宽带光纤耦合器3，进而与样品臂9返回的光发生干涉；干涉光从宽带光纤耦合器3进入到探测臂17，干涉光谱信号为参考光路的平面反射镜13同样品内部信息干涉产生的信号。在探测臂17中，干涉信号进入光谱仪15中，探测器CCD会记录样品深度位置处的干涉光谱信号，再传入计算机16进行信号采集和数据处理。
如图2所示为本发明重建OCT散射系数图像的数据处理过程。从光谱仪获 取的有效干涉光谱信号经数据采集卡采集数据，得到原始的关于波数k的二维干涉光谱信号I(k)18；由于采集的原始数据的坐标关于波数k是非线性的，首先要对数据I(k)18进行滤除直流项和标定，得到干涉数据I0(k)19，对干涉信号I0(k)19进行傅里叶变换，将频域的信号转换到空间深度域，傅里叶变换后得到深度域的数据I(z)20，即为空间域的二维OCT强度图像数据；对I(z)20分别应用深度分辨的单次散射模型和曲线拟合的多次散射模型来测量散射系数μz121和μz223；分别再对散射系数μz121和μz223进行单独成像，得到重建的散射系数图像22和24；对于样品浅层应用测得的散射系数μz121，对于样品深层应用测得的散射系数μz223，将样品浅层和深层的散射系数图像进行拼接，即可得到清晰的散射系数图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施示例对本发明进一步的说明：
如图1、图2所示，一种基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的方法与系统，该方法具体包括以下步骤：
1).应用传统的SDOCT系统测量生物样品的衰减系数，该系统主要包括宽带光源，宽带光纤耦合器，样品臂，参考臂和探测臂。
2).宽带光源发出的光束经过宽带光纤耦合器后分为两部分，一部分光束经过第一偏振控制器进入样品臂，另一部分光束经过第二偏振控制器进入参考臂；进入样品臂的这部分光依次通过第一光纤准直镜、扫描振镜和第一聚焦物镜照射在待测样品上，聚焦物镜的焦平面位于样品的感兴趣区域，从样品后向散射的光沿着原路返回至宽带光纤耦合器；进入参考臂的这部分光依次通过第二光纤准直镜、第二聚焦物镜聚焦在平面反射镜上，光经平面反射镜反射后沿着原路返回至宽带光纤耦合器；此时，在宽带光纤耦合器处参考臂和样品臂返回的光混合进行干涉。
3).由平面反射镜和样品干涉产生的干涉信号进入探测臂中的光谱仪，经光谱仪探测得到干涉光谱信号；干涉光谱信号传入计算机，经数据采集卡采集数据，得到原始的干涉信号数据。
4).对采集的数据进行处理。原始关于波数k的二维干涉光谱信号为I(k)，由于采集的原始数据的坐标关于波数k是非线性的，首先要对数据I(k)进行滤除直流项和标定，得到干涉光谱数据I0(k)；再对干涉信号I0(k)进行傅里叶变换，将频域信号转换为空间深度域信号，经傅里叶变换后得到深度域的数据I(z)，即为空间域的二维OCT强度图像数据；对I(z)分别应用深度分辨的单次散射模型和分段拟合的多次散射模型来测量散射系数μz1和μz2；分别再对散射系数μz1和 μz2进行单独成像，得到重建的散射系数图像；对于样品浅层应用测得的散射系数μz1，对于样品深层应用测得的散射系数μz2，将样品浅层和深层的散射系数图像进行拼接，即可得到清晰的散射系数图像。
5).在第四步之前，需要选择散射系数已知的样品分别应用深度分辨的单次散射模型和分段拟合的多次散射模型来测量散射系数，和真实的散射系数曲线比较，找出两种方法测得曲线的交叉位置，作为我们选择应用两种模型测量样品浅层和深层的分界位置；也可以通过图像的清晰部分，选出应用两种模型合适的分界位置。
本发明采用深度分辨的单次散射模型测量样品浅层的散射系数，从OCT的干涉光谱数据中得到深度分辨的散射系数数据。在OCT数据组中的每一个像素被转换成相应的在散射系数数据组中的像素，和传统的分段拟合方法相比，散射系数的空间分辨率明显提高。同时，采用基于扩展的惠更斯-菲涅尔原理结合分段拟合的多次散射模型测量样品深层的散射系数，克服了由于应用深度分辨的单次散射模型测量样品深层衰减系数不准确导致的深层散射系数图像重建模糊的缺点。本发明和传统的测量散射系数方法相比，图像质量得到明显提高，在样品整个光穿透深度范围内都可以成像，并能够在样品浅层保持高分辨的散射系数成像。因为提出的基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的方法与系统具有高分辨的散射系数成像性能，应用本发明可以更好地确定生物组织的各种生理状态。例如本发明在检测和诊断动脉粥样硬化血斑，肿瘤组织等临床应用中具有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的系统，其特征在于，该系统包括宽带光源(1)、光隔离器(2)、宽带光纤耦合器(3)、样品臂(9)、参考臂(14)、探测臂(17)；所述的样品臂(9)包括第一偏振控制器(4)、第一光纤准直镜(5)、扫描振镜(6)和第一聚焦物镜(7)；所述的参考臂(14)包括第二偏振控制器(10)、第二光纤准直镜(11)、第二聚焦物镜(12)、平面反射镜(13)；所述的探测臂(17)包括光谱仪(15)、计算机(16)；
光谱仪探测的有效干涉光谱信号经数据采集卡采集数据，得到原始的关于波数k的二维干涉光谱信号数据I(k)(18)；由于采集的原始数据的坐标关于波数k是非线性的，首先要对数据I(k)(18)进行滤除直流项和标定，得到干涉数据I0(k)(19)，对干涉信号I0(k)(19)进行傅里叶变换，将频域的信号转换到空间深度域，即傅里叶变换后得到深度域的数据I(z)(20)，即为空间域的二维OCT强度图像数据；对I(z)(20)分别应用深度分辨的单次散射模型和分段拟合的多次散射模型来测量散射系数μz1(21)和μz2(23)；分别再对散射系数μz1(21)和μz2(23)进行单独成像，得到重建的散射图像(22)和(24)；将测量散射系数μz1(21)对应重建的散射图像和测量散射系数μz2(23)对应重建的散射图像进行拼接，即获得重建清晰的散射系数图像(25)。
2.根据权利要求1所述的基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的系统，其特征在于：宽带光源(1)经光隔离器(2)与宽带光纤耦合器(3)的第一输入端口连接，宽带光纤耦合器(3)的第一输出端口经第一偏振控制器(4)与第一光纤准直镜(5)连接，在第一光纤准直镜(5)之后对准放置第一扫描振镜(6)，在第一扫描振镜(6)之后对准放置第一聚焦物镜(7)，在第一聚焦物镜(7)的焦平面处对准放置被观测样品(8)。
3.根据权利要求1所述的基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的系统，其特征在于：宽带光纤耦合器(3)的第二输出端口经第二偏振控制器(10)与第二光纤准直镜(11)连接，在第二光纤准直镜(11)之后对准放置第二聚焦物镜(12)，在第二聚焦物镜(12)之后的焦平面处对准放置平面反射镜(13)；宽带光纤耦合器(3)的第三输出端口与光谱仪(15)连接，光谱仪(15)连接计算机(16)。
4.根据权利要求1所述的基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的系统，其特征在于：从宽带光源(1)发出的宽带激光经光隔离器(2)和宽带光纤耦合器(3)之后，分为两部分；其中一部分经过第一偏振控制器(4)进入样品臂(9)，另一部分经过第二偏振控制器(10)进入参考臂(14)；进入样品臂(9)的这部分光依次通过第一偏振控制器(4)、第一光纤准直镜(5)、扫描振镜(6)和第一聚焦物镜(7)照射在待测样品(8)上，从样品后向散射的光沿着原路返回宽带光纤耦合器(3)；进入参考臂(14)的这部分光依次通过第二偏振控制器(10)、第二光纤准直镜(11)、第二聚焦物镜(12)聚焦在平面反射镜(13)上，从平面反射镜(13)反射的光沿原路返回至宽带光纤耦合器(3)；此时，在宽带光纤耦合器(3)处这两部分返回光混合进行干涉，干涉信号传入光谱仪(15)被探测。
5.根据权利要求1所述的基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的系统，样品浅层应用的单次散射模型为：
假设后向散射光和总衰减光满足固定的比值α，β为转换因子，L0为入射到样品表面的光照辐出度，μz1(z)为深度分辨的散射系数。
6.根据权利要求1所述的基于OCT测量样品深度分辨衰减系数的系统，其特征在于，对于样品深层采用的多次散射模型为，
其中，ωS和ωH分别为存在散射和无散射时的1/e辐照度半径，μz2为采用多次散射模型获得的散射系数。
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