CN106361279A - 光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法，利用迭代算法计算出不同成像深度的色散补偿系数，通过数据拟合，得出色散补偿系数与成像深度的关系表达式，从而计算出样品各深度的色散补偿系数，最终有针对性地对系统中参考臂与样品臂引入的色散失配进行补偿，消除色散的展宽效应，提高系统的纵向分辨率。本发明的优点是计算出系统各成像深度的色散补偿系数，针对不同成像深度进行不同的色散补偿，减弱了单一色散补偿系数对不同成像深度进行补偿而发生的欠补偿或过补偿现象，实现全探测深度的色散补偿。

Description

光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法

技术领域

本发明涉及频域光学相干层析成像(Fourier Domain Optical CoherenceTomography，简称FD-OCT)，尤其是一种光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是生物医学光学领域一种重要的成像技术，它通过探测样品背向散射光的强度来获取样品不同深度的结构信息，是具有高分辨率、非侵入性等特点以及可以实现在体检测生物组织内部结构的断层成像。自1991年美国麻省理工学院J.G.Fujimoto和D.Huang等首次利用OCT对视网膜和冠状动脉进行离体成像之后，OCT成为生物医学无损伤光学成像研究的热点，目前已广泛应用于眼科、皮肤科、心血管科等领域的临床诊断和病理研究中。

OCT系统纵向分辨率是成像质量的关键，为了获得超高的分辨率，OCT系统往往会使用宽光谱带宽的光源，例如多个SLD组合的光源，光谱带宽可达到200nm，理论纵向分辨率可达2um，但宽光谱带宽光源发出的光在光学元件、光纤、样品的传输过程中会引起色散，导致相干包络的展宽和畸变，降低系统的分辨率，影响成像质量，因此，色散补偿是实现高分辨率OCT系统、提高成像质量的关键技术。目前色散补偿主要有硬件补偿和软件补偿两种方式。

硬件补偿方法是通过添加色散补偿器件来匹配系统中参考臂与样品臂的色散。一种方法是直接在参考臂中加入水、BK7玻璃、熔融石英等色散补偿元件来实现参考臂与样品臂的色散匹配[参见在先技术[1],W.Drexler,U.Morgner,R.K.Ghanta,F.X.J.S.Schuman and J.G.Fujimoto,"Ultrahigh-resolution ophthalmic opticalcoherence tomography",Nat Med 7(4),502-507(2001)]；另一种方法是快速扫描光学延迟线技术，这是通过改变光栅的离焦量来调整参考臂的色散参数，以实现系统的色散补偿[参见在先技术[2],L.Froehly,L.Furfaro,P.Sandoz and P.Jeanningros,"Dispersioncompensation properties of grating-based temporal-correlation opticalcoherence tomography systems",Opt Commun 282(7),1488-1495(2009)]。但这类硬件补偿方法需要额外的元件和设备，增加了系统的成本和复杂性，并且针对不同的样品需要重新调整色散补偿器件，对系统的使用会造成不便。软件补偿方法是对系统采集到的信号数据进行处理，通过数值计算的方法来进行色散补偿。较常用的一种色散补偿方法是迭代法，利用图像锐利度评价函数来反复评测信号中色散补偿系数，最终得出各阶色散补偿系数并应用到图像处理中，实现色散补偿[参见在先技术[3]，W.Maciej,S.Vivek,K.Tony,F.James,K.Andrzej and D.Jay,"Ultrahigh-resolution,high-speed,Fourier domainoptical coherence tomography and methods for dispersion compensation",OptExpress 12(11),2404(2004)]。但对于样品，尤其是多层样品来说，不同深度的色散补偿系数不一样，此类方法使用唯一的色散补偿系数对图像所有深度进行补偿，会造成部分深度图像出现欠补偿或过度补偿的效果。2007年，丁超等人提出了一种深度分辨的色散补偿方法(参见在先技术[4]，中国专利申请号CN200710172096.X)，先将频域信号通过逆傅里叶变换转换成空域信号，利用空间滤波将不同的空域信号滤出，再通过傅里叶变换转换成频域信号进行有针对性的色散补偿，最终实现深度分辨的色散补偿。但该方法中空间滤波的窗口选择很重要，窗口太宽会使色散补偿效果削弱，窗口太窄又容易造成信号收集不全。2015年张行等人提出一种频域光学相干层析成像系统的色散补偿方法(参见在先技术[5]，中国专利申请号CN201510171288.3)，该方法采用窗口迭代的方法由粗到细地自动补偿系统中光路和样品引入的色散失配，从而消除系统中色散的展宽效应，但对于成像深度较深位置，信号强度较弱，系统对信号收集较为困难，从而很难利用窗口迭代的方法进行色散补偿。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法，测出不同成像深度的色散补偿系数，从而拟合出全探测深度的色散补偿系数，进而进行有针对性的色散补偿。

本发明的技术解决方案如下：

一种光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法，该方法的具体步骤为

①利用光学相干层析成像系统对样品进行成像，获得原始干涉信号；

②对原始干涉信号去背景后进行希尔伯特变换，得到初始相位信息，选定某一成像深度，利用迭代算法，消除色散相位，并进行傅里叶变换，然后通过图像评价函数得到该成像深度的色散补偿系数；重复此步骤，获得若干不同成像深度的色散补偿系数；

③将得到的色散补偿系数与其相应的成像深度进行数据拟合，得出可探测深度范围内色散补偿系数与成像深度的关系表达式；

④对原始干涉信号去背景后利用希尔伯特变换得到初始相位信息，选定一个A-line的某一成像深度，利用色散补偿系数与成像深度的关系表达式计算出该成像深度的色散补偿系数，从而计算出该成像深度的色散相位，从初始相位信息中减去色散的相位，进行色散补偿，通过傅里叶变换后，得到该成像深度色散补偿后的图像；

⑤对所选定A-line信号的所有成像深度，重复步骤④，得出色散补偿后的A-line图像；

⑥在整个图像内，重复步骤⑤，得出样品全探测深度范围内色散补偿的二维或三维图像。

所述的迭代算法是：

对干涉信号去背景后进行希尔伯特变化，得到初始相位信息φ₀(k),依次选择不同的色散补偿系数，对初始相位信息进行补偿：

φ(k)＝φ₀(k)-a₂(k-k₀)²-a₃(k-k₀)³，

式中φ(k)为补偿后相位信息，k₀为光学相干层析成像系统光源中心波长对应的波数，a₂、a₃分别对应于二阶色散补偿系数、三阶色散补偿系数；计算出新的相位信息后还原成干涉强度信号再进行傅里叶变换得到图像，通过图像评价函数先后确定最终的二阶色散补偿系数、三阶色散补偿系数。

实施上述方法的频域光学相干层析成像系统，包括低相干光源，光源输出的光经过隔离器被耦合进迈克尔逊干涉仪中，迈克尔逊干涉仪将入射光分为两路，分别入射到参考臂和样品臂中。参考臂光纤中的光经过光纤准直器准直后通过透镜聚焦在反射镜上。样品臂光纤输出的光经过光纤准直器、二维振镜后通过透镜聚焦在样品上。迈克尔逊干涉仪的输出端连接到光谱仪，光谱仪采集到的干涉光谱通过图像采集卡输入到计算机中。

所述的低相干光源为宽光谱宽带光源，如超辐射发光二极管(SLD)或飞秒激光器或超连续谱光源等。

所述的隔离器是偏振无关的宽带隔离器。

所述的迈克尔逊干涉仪其特征在于具有两个接近等光程的干涉光路分别作为参考臂和样品臂。该干涉仪可以是体光学系统，如由分光棱镜分光构成的参考臂和样品臂两路；也可以是光纤光学系统，如由2×2光纤耦合器的两个输出光纤光路分别作为参考臂和样品臂。

所述的光谱仪由准直透镜，分光光栅，聚焦透镜和光电探测器阵列组成。

所述的光电探测器阵列是CCD或CMOS阵列或其他具有光电信号转换功能的探测器阵列。

该系统的工作情况如下：

低相干光源发出的光经过隔离器后被耦合到迈克尔逊干涉仪中，迈克尔逊干涉仪将入射光分为参考光路和样品光路，参考光路中的光经过准直后通过透镜聚焦到平面镜上，样品光路中的光经过准直器、二维振镜后通过透镜聚焦到待测样品内，参考镜的反射光及样品内部不同深度的背向散射光被重新收集回参考臂与样品臂中，在迈克尔逊干涉仪中汇合发生干涉后被送入光谱仪中，光谱仪将记录的干涉光谱信号通过图像采集卡送入计算机进行数据处理，得到待测样品沿深度方向的层析图。通过二维振镜沿光轴垂直方向做横向扫描获得样品上不同位置的层析图，从而得到待测样品的二维或三维层析图。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1.不需要额外的色散补偿装置，减少了成本和系统复杂性。

2.针对不同探测深度处的位置进行不同的色散补偿，减弱了欠补偿或过补偿现象。

3.在全探测深度范围内计算出所有成像位置的色散补偿系数，对所有成像位置进行针对性的色散补偿，避免了因窗口选择导致信号收集不全或色散补偿效果减弱现象的发生。

4.计算出成像深度较深位置的色散补偿系数，进而进行色散补偿，避免了成像深度较深位置处因信号强度较弱而无法利用数据处理方法进行色散补偿的现象。

附图说明

图1是光纤型频域光学相干层析成像系统结构示意图。

图2是本发明光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法的流程图。

图3是迭代算法的流程图。

图4是未进行色散补偿的样品二维层析图像。

图5是进行色散补偿后的样品二维层析图像。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为光纤型频域光学相干层析成像系统结构示意图。其中包括低相干光源1，在低相干光源的输出光束方向放置隔离器2，隔离器的输出端与耦合器3的一端口31相连，耦合器3将光分为参考光路4和样品光路5，耦合器的32端口输出光经过参考臂的准直透镜41后通过透镜42聚焦到平面反射镜43上，耦合器3的33端口输出光经过样品臂的准直透镜51后依次经过二维扫描振镜52、聚焦透镜53和待测样品54。耦合器3的34输出端口连接光谱仪6，该光谱仪包括准直透镜61、衍射光栅62、聚焦透镜63和探测器64，光谱仪6通过图像采集卡7与计算机8相连。

低相干光源1发出的光经过隔离器2后从端口31进入耦合器3中并分成两路光束，一束经端口32进入参考臂光路4，并经过准直透镜41、透镜42聚集到平面镜43表面；另一束经端口33进入样品臂5，经过准直透镜51、二维扫描振镜52后，被聚焦透镜53聚焦在待测样品54内不同的位置。从参考平面镜43反射回来的光和从待测样品54内部不同深度处背向散射回来的光被重新收集回耦合器3并发生干涉，该干涉光经端口34进入光谱仪6，经准直透镜61准直、衍射光栅62分光后，干涉光通过聚焦透镜63成像在探测器64上，探测器64将光信号转换成电信号，经图像采集卡7送入计算机8，该干涉信号在8中进行色散补偿后，得到被测样品54沿深度方向的层析图。通过二维扫描振镜52对待测样品54沿光轴垂直方向做横向扫描获得被测样品54的二维或三维层析图。

实施例样品为玻璃衬底上贴有20层3M胶带。

OCT系统的轴向分辨率取决于光源的中心波长和光源的带宽，其表达式为

$\mathrm{\δ}z=\frac{l_c}{2}=\frac{2ln2}{\mathrm{\π}n}\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}},$

式中l_c为光源相干长度，λ₀为光源的中心波长，△λ为光源带宽，n为样品折射率。本实施例中，光源的中心波长是830nm，带宽为55nm，空气中理论轴向分辨率为5.6μm。

所述的探测器64记录的干涉谱信号I(k)可表示为

式中I₀(k)为干涉谱信号中的直流背景和待测样品内部不同深度反射面间的自相关项，S(k)为光源光谱密度函数，R_Sn和R_R分别为待测样品54第n层反射面的反射率与参考镜43的反射率，为z_n处样品臂与参考臂之间的相位差。相位差可以表示为

式中β_n(k)为z_n处的有效传播常数，分别定义一阶色散、二阶色散、三阶色散为

$D_1=\frac{d\mathrm{\β}\left(k_0\right)}{d\mathrm{\ω}}=\frac{{\mathrm{\β}}^{\′}\left(k_0\right)}{c}$

$D_2=\frac{d^2\mathrm{\β}\left(k_0\right)}{{\mathrm{d\ω}}^2}=\frac{{\mathrm{\β}}^{\′\′}\left(k_0\right)}{c^2}$

$D_3=\frac{d^3\mathrm{\β}\left(k_0\right)}{{\mathrm{d\ω}}^3}=\frac{{\mathrm{\β}}^{\′\′\′}\left(k_0\right)}{c^3}$

二阶、三阶及以上的高阶色散相位会造成系统轴向分辨率变差，色散补偿就是消除这些高阶色散相位。其中二阶色散会引起干涉包络信号展宽，是降低系统轴向分辨率的主要原因。

图2是本发明光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法的流程图，如图所示，包括下列步骤：

(1)利用光学相干层析成像系统对样品进行成像，获得原始干涉信号；

(2)利用迭代算法计算出若干深度的色散补偿系数，图3是迭代算法的流程图，包含步骤为

①对所采集干涉信号进行去背景处理，得到信号S[k(x)]，取其值作为实部，对信号S[k(x)]做希尔伯特变化，取其值作为虚部，从而计算出信号S[k(x)]的幅值和初始相位信息：

②在所得初始相位信息φ₀(k)中先后减去二阶色散相位项、三阶色散相位项，得到新的相位信息：φ(k)＝φ₀(k)-a₂(k-k₀)²-a₃(k-k₀)³；

③将新相位信息带入信号S[k(x)]中，经过傅里叶变化后进行成像，利用图像评价函数对所成图像进行评判，使图像评价函数达到最优，此时先后确定二阶色散补偿系数a₂和三阶色散补偿系数a₃。

本实施例中仅对展宽效应影响较严重的二阶色散进行补偿。所取若干成像深度分别为0.067mm、0.243mm、0.412mm、0.49mm、0.668mm、0.748mm、0.91mm，对应计算出的二阶色散补偿系数a₂分别为0、16、68、79、97、99、120；

(3)将得到的色散补偿系数与相应的成像深度进行数据拟合，得到可探测深度范围内二阶色散补偿系数与成像深度的关系表达式为

a₂＝155.3x-17.09，

式中a₂为二阶色散补偿系数，x为成像深度，单位为毫米；

(4)对原始干涉信号去背景后利用希尔伯特变换得到初始相位信息，选定一个A-line的某一成像深度，利用二阶色散补偿系数与成像深度的关系表达式计算出该成像深度的二阶色散补偿系数，从而计算出二阶色散相位，从初始相位信息中减去二阶色散相位，进行色散补偿，通过傅里叶变换后，得到该成像深度色散补偿后的图像；

(5)对所选定A-line信号的所有深度，重复步骤(4)，得到色散补偿后的A-line图像；

(6)在整个图像内，重复步骤(5)，得出样品全探测深度范围内色散补偿的二维或三维图像。

图4是未进行全探测深度色散补偿的样品二维层析图像；图5是进行全探测深度色散补偿后的样品二维层析图像，从图中可以看出，进行色散补偿后的图像细节更加清晰，在可探测深度范围内，可以分辨出各层胶带，取得了很好的补偿效果。

本发明应用于光学相干层析成像系统的色散补偿，采用迭代法和数据拟合的方法，计算出OCT系统探测深度范围内的色散补偿系数，对参考臂与样品臂引入的色散进行有针对性的补偿，提高系统的轴向分辨率。

Claims (2)

1.一种光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法，其特征在于,该方法步骤如下：

①利用光学相干层析成像系统对样品进行成像，获得原始干涉信号；

②对原始干涉信号去背景后进行希尔伯特变换，得到初始相位信息，选定某一成像深度，利用迭代算法，消除色散相位,并进行傅里叶变换，然后通过图像评价函数得到该成像深度的色散补偿系数；重复此步骤，获得至少三个不同成像深度的色散补偿系数；

③将得到的色散补偿系数与其相应的成像深度进行数据拟合，得出可探测深度范围内色散补偿系数与成像深度的关系表达式；

④对原始干涉信号去背景后利用希尔伯特变换得到初始相位信息，选定一个A-line的某一成像深度，利用色散补偿系数与成像深度的关系表达式计算出该成像深度的色散补偿系数，从而计算出该成像深度的色散相位，从初始相位信息中减去色散的相位，进行色散补偿，通过傅里叶变换后，得到该成像深度色散补偿后的图像；

⑤对所选定A-line信号的所有成像深度，重复步骤④，得到色散补偿后的A-line图像；

⑥在整个图像内，重复步骤⑤，得出样品全探测深度范围内色散补偿的二维或三维图像。

2.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统全探测深度色散补偿方法，其特征在于所述的迭代算法是：

对干涉信号去背景后进行希尔伯特变化，得出初始相位信息φ₀(k),依次选择不同的色散补偿系数，对初始相位信息进行补偿：

φ(k)＝φ₀(k)-a₂(k-k₀)²-a₃(k-k₀)³，

式中φ(k)为补偿后相位信息，k₀为光学相干层析成像系统光源中心波长对应的波数，a₂、a₃分别对应于二阶色散补偿系数、三阶色散补偿系数；计算得出新的相位信息后还原成干涉强度信号再进行傅里叶变换得到图像，通过图像评价函数先后确定最终的二阶色散补偿系数、三阶色散补偿系数。