CN109223044B - 一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法 - Google Patents

一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法，包括以下步骤：扫描机构对稳态标定样本进行横向二维扫描，获取三维干涉信号数据、样本三维干涉信号数据每一列做傅里叶变换得到OCT三维数据图，计算OCT三维数据中的位相信息，提取扫描机构引入的位相信息、根据扫描机构引入的位相信息计算出扫描机构转动误差参数，计算该扫描机构OCT三维扫描引入的位相信息、提取位相信息得到样本OCT扫描位相数据图，在位相数据图中减去三维扫描引入的位相信息得到样本准确位相图、根据样本准确位相图计算样本内的流速，得到样本的流速分布图。本发明可以得到扫描机构的实际误差，并进一步得到扫描机构对OCT成像所引入的位相误差准确值。

Description

一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法
技术领域
本发明属于光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)领域，具体涉及一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法。
背景技术
光学相干层析成像技术(OCT)是近十几年来出现的一种新兴技术，它基于光的干涉原理，采用宽带光源来实现高分辨率深度层析成像，分辨率可达数微米。OCT由于具有高分辨率，无损断层成像能力，已成为医学、工业、卫生等领域一个重要的影像成像技术，同时OCT通过结合二维扫描装置可以实现三维成像，可以对检测样品实施具有高分辨率、无损、快速、立体的成像。多普勒OCT技术通过多普勒原理将OCT图片中的流速信息进行提取得出流速值。
目前，常用的多普勒技术为位相解调技术，而OCT系统使用的扫描机构由于装配误差必然会导致最终OCT图像的位相中引入额外的位相信息，如果不加以处理抑制，那么最终提取的流速值并非所检测对象的真实准确速度。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法。
本发明的技术方案是：一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法，包括以下步骤：
ⅰ扫描机构对稳态标定样本进行横向二维扫描，系统获取三维干涉信号数据。
ⅱ样本三维干涉信号数据每一列做傅里叶变换得到OCT三维数据图，计算OCT三维数据中的位相信息，提取扫描机构引入的位相信息。
ⅲ将稳态样本测量得到的扫描机构引入的位相信息带入扫描机构转动误差位相公式，计算出扫描机构转动误差参数，根据扫描机构转动误差公式和误差参数计算该扫描机构OCT三维扫描引入的位相信息。
ⅳ扫描机构获取得任意包含流体样本的OCT数据时，提取位相信息得到样本OCT扫描位相数据图，在位相数据图中减去三维扫描引入的位相信息得到样本准确位相图。
ⅴ根据样本准确位相图计算样本内的流速，得到样本的流速分布图。
步骤ⅲ中扫描机构转动误差位相φ(OSi)公式为：
Figure BDA0001728817480000021
其中λ为OCT系统光源中心波长，
PPk'为扫描机构的转动中心误差参数，
OP为扫描机构中心离光轴的距离误差参数，
D为样本离扫描机构的距离，
θj为第j列OCT数据所对应的扫描机构转动角度。
所述扫描机构内置有反射用微镜进行二维扫描，微镜出射的光直接入射在稳态样本上。
所述稳态样本为具有一定厚度的且内部无流动物质的均匀物质，其厚度d满足条件0.2mm<d<2mm，其物质特征为可见光不透明但近红外可穿透的非致密物质。
步骤ⅰ中样本的OCT三维干涉信号数据包含H*L*K个数据，H为行数，L为列数，H*L个数据组成一张图片数据，K为图片张数，每张图片数据中每一列为样本深度信息数据。
三维干涉信号数据通过傅里叶变换后，每个数据为复数即包含实部和虚部，计算样本中位相信息方法为每一列的每个数据Si，j乘以后一列数据的相邻行数据的共轭复数S* i，j+1得到相关数据Ri，j，Ri，j同样为复数，其中i属于H，j属于L，将每个相关数据的虚部除以实部并求反正切得到的数据作为样本OCT每个数据的位相信息，最后一列数据不参与计算。
所述样本OCT的数据中上下样本上下表面位于每一列的第Y行到第E行之间，其中H/6<Y<H/4，20<E-Y<300，对样本OCT数据Si，j根据下标i，j找到对应的Ri，j，得到扫描机构引入的位相信息。
本发明可以得到扫描机构的实际误差，并进一步得到扫描机构对OCT成像所引入的位相误差准确值，这有利于显著提高OCT多普勒流速检测的准确性，为OCT在精准医疗的广阔市场中提供必要保障。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的系统示意图；
图3是本发明中微镜不同的扫描角度的光程差及位相示意图；
其中：
1 扫频光源 2 三端环形器
3 光纤耦合器 4 参考臂
5 固定反射镜 6 平衡探测器
7 扫描机构 8 格林透镜
9 微镜 10 采集卡
11 计算机 12 样品。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1～3所示，一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法，包括以下步骤：
ⅰ扫描机构对稳态标定样本进行横向二维扫描，系统获取三维干涉信号数据，S1。
ⅱ样本三维干涉信号数据每一列做傅里叶变换得到OCT三维数据图，计算OCT三维数据中的位相信息，提取扫描机构引入的位相信息，S2。
ⅲ将稳态样本测量得到的扫描机构引入的位相信息带入扫描机构转动误差位相公式，计算出扫描机构转动误差参数，根据扫描机构转动误差公式和误差参数计算该扫描机构OCT三维扫描引入的位相信息，S3。
ⅳ扫描机构获取得任意包含流体样本的OCT数据时，提取位相信息得到样本OCT扫描位相数据图，在位相数据图中减去三维扫描引入的位相信息得到样本准确位相图，减去扫描机构引入的位相信息后的样本位相信息为Δφ(i,j)＝Ri，j-φ(OSj)，S4。
ⅴ根据样本准确位相图计算样本内的流速，得到样本的流速分布图，S5，
样本的流速速度计算公式为：
Figure BDA0001728817480000031
其中T为OCT每列数据中间的扫描时间差，θ为扫描光束和样本的夹角。
步骤ⅲ中扫描机构转动误差位相φ(OSi)公式为：
Figure BDA0001728817480000041
其中λ为OCT系统光源中心波长，
PPk'为扫描机构的转动中心误差参数，
OP为扫描机构中心离光轴的距离误差参数，
D为样本离扫描机构的距离，
θj为第j列OCT数据所对应的扫描机构转动角度。
所述扫描机构内置有反射用微镜进行二维扫描，微镜出射的光直接入射在稳态样本上。
所述稳态样本为具有一定厚度的且内部无流动物质的均匀物质，其厚度d满足条件0.2mm<d<2mm，其物质特征为可见光不透明但近红外可穿透的非致密物质。
步骤ⅰ中样本的OCT三维干涉信号数据包含H*L*K个数据，H为行数，L为列数，H*L个数据组成一张图片数据，K为图片张数，每张图片数据中每一列为样本深度信息数据。
三维干涉信号数据通过傅里叶变换后，每个数据为复数即包含实部和虚部，计算样本中位相信息方法为每一列的每个数据Si，j乘以后一列数据的相邻行数据的共轭复数S* i，j+1得到相关数据Ri，j，Ri，j同样为复数，其中i属于H，j属于L，将每个相关数据的虚部除以实部并求反正切得到的数据作为样本OCT每个数据的位相信息，最后一列数据不参与计算。
所述样本OCT的数据中上下样本上下表面位于每一列的第Y行到第E行之间，其中H/6<Y<H/4，20<E-Y<300，对样本OCT数据Si，j根据下标i，j找到对应的Ri，j，得到扫描机构引入的位相信息。
OCT系统包括扫频光源1、三端环形器2、平衡探测器6、光纤耦合器3、参考臂4和扫描机构7，扫频光源1与三端环形器2相连接，三端环形器2分别与平衡探测器6、光纤耦合器3相连接，光纤耦合器3分别与参考臂4和扫描机构7相连接，扫描机构7的出射光照射在样品上；所述光纤耦合器3与平衡探测器6相连接，平衡探测器6与采集卡10相连接，采集卡10与计算机11相连接。
扫描光源1，用于输出波长随时间变化的扫频宽带光到三端环形器2。三端环形器2，用于将扫频宽带光正向输出到光纤耦合器3、将光纤耦合器3输出的一路干涉光信号反向引导到平衡探测器6。
参考臂4，包括固定反射镜5，固定反射镜5与光纤耦合器3相连接，用于将进入参考臂4的扫频宽带光通过固定反射镜5发射，形成参考光。
扫描机构7，包括格林透镜8和微镜9，用于将进入扫描机构7的扫频宽带光，通过格林透镜8将其汇聚到扫描机构7上，该汇聚光束经过扫描机构7反射出扫描机构7，该汇聚光束照射在标定稳态样品上传播一定深度后被后向散射回扫描机构7，按原光路返回，形成样品光。
所述扫描机构7内的微镜9是单颗微型反射镜，该微镜9可以绕中心对称轴做二维扫描。所述稳态样本为具有一定厚度的且内部无流动物质的均匀物质，厚度d满足条件0.2mm<d<2mm。该样本物质特征为可见光不透明但近红外可穿透的非致密物质。
光纤耦合器3，用于将所述扫频宽带光分成两路，一路进入参考臂4形成参考光，一路进入扫描机构7形成样品光，参考光和样品光在光纤耦合器3处干涉，形成干涉光信号；光纤耦合器3将该干涉光信号分成两路，一路进入平衡探测器6，一路进入三端环形器2。平衡探测器6，用于接收一路来自光纤耦合器3的干涉光信号和一路来自三端环形器2的干涉光信号，并对两路干涉光信号进行差分光电转换，将滤除干扰信号的干涉光信号转换成包含样品深度信息的电信号输出到采集卡10。
采集卡10，用于对接收到的电信号进行采样，转换成离散的包含样品深度信息的原始三维干涉信号输出到计算机11。计算机11，用于获取包含样品深度信息的原始三维干涉信号；对原始三维干涉信号中的样品深度信息进行位相差补偿，对补偿后的样品深度信息做快速傅里叶变换，重构样品的XYZ三维图，以消除样品深度方向的球形失真。
采集包含样品深度信息的原始三维干涉信号的方法为：扫频光源1输出扫频宽带光，光纤耦合器3将扫频宽带光分成两路，一路进入参考臂形4成参考光，一路进入扫描机构7，扫描机构7做两轴转动进行三维扫描，以扫描机构7的微镜9的转轴中心为坐标原点，样品深度方向为Z方向，与Z方向垂直的面为XY面，记为样品横向面，扫描光束照射在样品上传播一定深度后被后向散射回扫描机构，按原光路返回，形成样品光。参考光和样品光在光纤耦合器3处干涉，形成干涉光信号；干涉光信号进入平衡探测器6进行差分光电转换，将滤除干扰信号的干涉光信号转换成包含样品深度信息的电信号输出到采集卡10；采集卡10对接收到的电信号进行采样，Z方向采样2H个点，XY面的X方向采样L个点，XY面的Y方向采样K个点，一个三维扫描后采集卡采样得到由2H*L*K个数据组成的包含样品深度信息的原始三维干涉信号并发送给计算机11。
本发明提供的光学相干层析成像多普勒流速检测方法不受限于OCT系统的结构，适合任何结构的OCT系统，无论是时域OCT(TDOCT)还是频域OCT(FDOCT)都可以采用本方法进行多普勒流速检测。
本发明可以得到扫描机构的实际误差，并进一步得到扫描机构对OCT成像所引入的位相误差准确值，这有利于显著提高OCT多普勒流速检测的准确性，为OCT在精准医疗的广阔市场中提供必要保障。

Claims (6)

1.一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(ⅰ)扫描机构对稳态标定样本进行横向二维扫描，系统获取三维干涉信号数据；
(ⅱ)样本三维干涉信号数据每一列做傅里叶变换得到OCT三维数据图，计算OCT三维数据中的位相信息，提取扫描机构引入的位相信息；
(ⅲ)将稳态样本测量得到的扫描机构引入的位相信息带入扫描机构转动误差位相公式，计算出扫描机构转动误差参数，根据扫描机构转动误差公式和误差参数计算该扫描机构OCT三维扫描引入的位相信息；
(ⅳ)扫描机构获取得任意包含流体样本的OCT数据时，提取位相信息得到样本OCT扫描位相数据图，在位相数据图中减去三维扫描引入的位相信息得到样本准确位相图；
(ⅴ)根据样本准确位相图计算样本内的流速，得到样本的流速分布图；
其中，步骤(ⅲ)中扫描机构转动误差位相φ(OSi)公式为：
Figure FDA0002995036720000011
其中λ为OCT系统光源中心波长，
PPk'为扫描机构的转动中心误差参数，
OP为扫描机构中心离光轴的距离误差参数，
D为样本离扫描机构的距离，
θj为第j列OCT数据所对应的扫描机构转动角度。
2.根据权利要求1所述的一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法，其特征在于：所述扫描机构内置有反射用微镜进行二维扫描，微镜出射的光直接入射在稳态样本上。
3.根据权利要求1所述的一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法，其特征在于：所述稳态样本为具有一定厚度的且内部无流动物质的均匀物质，其厚度d满足条件0.2mm<d<2mm，其物质特征为可见光不透明但近红外可穿透的非致密物质。
4.根据权利要求1所述的一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法，其特征在于：步骤(ⅰ)中样本的OCT三维干涉信号数据包含H*L*K个数据，H为行数，L为列数，H*L个数据组成一张图片数据，K为图片张数，每张图片数据中每一列为样本深度信息数据。
5.根据权利要求4所述的一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法，其特征在于：步骤(ⅱ)中三维干涉信号数据通过傅里叶变换后，每个数据为复数即包含实部和虚部，计算样本中位相信息方法为每一列的每个数据Si，j乘以后一列数据的相邻行数据的共轭复数S* i，j+1得到相关数据Ri，j，Ri，j同样为复数，其中i属于H，j属于L，将每个相关数据的虚部除以实部并求反正切得到的数据作为样本OCT每个数据的位相信息，最后一列数据不参与计算。
6.根据权利要求5所述的一种光学相干层析成像系统的多普勒流速检测方法，其特征在于：步骤(ⅱ)中所述样本OCT的数据中上下样本上下表面位于每一列的第Y行到第E行之间，其中H/6<Y<H/4，20<E-Y<300，对样本OCT数据Si，j根据下标i，j找到对应的Ri，j，得到扫描机构引入的位相信息。
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