CN109557035A - 一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法，包括如下步骤：1)对高速运动且震动幅度大的待测生物样品进行二维扫描成像；2)提取二维干涉谱信号沿波数域进行傅里叶变换后的复层析信号的相位信息，对相邻信号采集时间间隔的相位信息逐一进行差分处理，得到二维层析相位差分项；3)进行正弦相位差分解调，得到仅含待测样品多普勒相位的差分相位；4)将该多普勒差分相位和原二维复层析信号的振幅部分重构为二维差分层析信号，其中的相位即为被测生物样品随时间变化的多普勒图像。本发明兼具了传统多普勒OCT系统难以准确测量高速运动和大振幅运动样品的运动信息的问题和正弦相位调制OCT系统的去镜像和精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及傅里叶域光学相干层析成像(Fourier-domain Optical CoherenceTomography,简称OCT)技术领域，尤其涉及一种正弦相位调制复频域多普勒光学相干层析成像方法。
背景技术
光学相干层析成像OCT(optical coherence tomography,OCT)是一种具有高分辨、无损、实时成像能力，且应用前景十分广阔的成像技术。
OCT技术分为时域OCT技术，和傅里叶域OCT技术(何梓昂.FD-OCT去复共轭成像的研究[D].浙江大学信息学院浙江大学,2008)。由于生物样品深层的反射或散射信号能探测到样品返回的背向散射光十分微弱(李鹏.光学相干层析术理论与实验研究[D].南京理工大学,2010)，这个信号极易受到各种噪声及散斑的干扰,噪声的存在会导致信号产生虚假、扭曲及变形,给层状结构的提取带来困难,样品的微小运动和干涉仪的不稳定性使得生物样品的活检实现比较困难。因此，对大动态范围微弱信号的提取是OCT技术的关键部分。
时域OCT技术需要轴向逐点扫描,成像速度受到了限制。傅里叶域OCT不需运动机构来进行轴向扫描,通过傅立叶变换将探测器探测到的干涉光谱变换到样品空间而得到样品的深度信息，不仅有灵敏度高和测量速度快的优点,同时兼有时域OCT的点探测优势。但是，傅里叶域OCT技术中，复共轭像与理想的实值像在复平面上关于参考臂与样品臂的零相位延迟对称,形成了关于零光程共轭对称镜像,重建的图像则相互重叠模糊的问题。为了解决这样的模糊产生,实际中会把样品置放于等效零光程的一边，这导致成像范围减少了一半。
为了进一步有效扩大探测范围，构造复频谱能够有效的解决共轭镜像的问题。1995年Wojtkowski等人提出了移相方法获得复频谱的方法(Wojtkowski M,Kowalczyk A,Leitgeb R,et al.Full range complex spectral optical coherence tomographytechnique in eye imaging[J].Optics Letters,2002,27(16):1415-7)。这种方法受到了移相精度和色差的影响；因此，获得较高的信噪比十分重要。然而，正弦相位调制干涉术不仅可以获得复干涉光谱，它作为准外差干涉测量技术的一种，在对微弱信号进行探测时具有极大的优势；与移相干涉术相比，正弦相位调制干涉术不需要精确控制参考镜作步进相移，只需调制参考镜作正弦震动在干涉条纹中引入正弦相位调制实现准外差探测，具有系统简单，抗环境干扰能力强等优点。
近年来，谱域多普勒OCT将OCT技术与多普勒效应相结合,通过计算探测器接受到的光的频率的变化来获得组织中流速信息，能够无损高分辨对人体载体血流速度进行测量，具有较高的临床应用价值。
基于正弦相位调制的复频域OCT，是将正弦相位调制干涉术引入频域OCT，利用CCD记录二维频域干涉条纹，通过对其傅里叶分析重建二维复频域干涉条纹。干涉光谱的虚部和实部分别对应于相位调制光谱的一次谐波和二次谐波(南楠,步鹏,李中梁,et al.Full-Range Fourier Domain Doppler Optical Coherence Tomography Based on SinusoidalPhase Modulation[D].中国科学院大学,2014)。对于单层反射面的样品镜面,已经证实可以有效的去除直流项、自相关项和复共扼镜像。正弦相位调制方法对复共扼抑制有如下优点：(1)使用正弦相位调制只是需要正弦信号驱动,信号的获取比较容易(2)用同一个探测器就可以同时获取复干涉信号的实部和虚部分量。
基于正弦相位调制的复频域OCT技术为实现如心血管等高速震动样品的动态图像测量时提供了解决方案，但系统的信噪比和系统的调制频率受到限制，从而难以获得较高的速度探测灵敏度。因为在对生物体进行成像时，被测样品中的大振幅高速运动会使傅里叶变换后的时间频谱混叠(即混频)，传统正弦相位解调方法虽然较传统傅里叶域OCT技术提高了信噪比，但受到傅里叶分析过程中带来的调制频率的限制，这样将导致在噪声频率多样的环境下难以获得待测样品的多普勒图像。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法，采用差分傅里叶相位分析的信号处理方法，并优化了传统的正弦相位解调过程，来获取更高的系统信噪比，实现在高噪声环境下对高速运动的样品的动态成像。
本发明采用如下技术方案：
一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用正弦相位调制复频域光学相干层析系统，对高速运动且震动幅度大的待测生物样品进行二维扫描成像，得到二维干涉谱信号；
2)将二维干涉谱信号沿波数域进行傅里叶变换，得到二维复层析信号，提取其相位部分，对相邻信号采集时间间隔的相位信息逐一进行差分处理，得到随时间变化的相位差分项，该相位差分项包含正弦相位调制差分项与待测样品的多普勒相位差分项；
3)使该相位差分项减去正弦相位调制差分项，得到待测样品的多普勒相位差分项；
4)将该多普勒相位差分项和2)中的二维复层析信号的振幅部分重构为二维差分层析信号，其中的相位即为待测样品随时间变化的多普勒图像。
所述二维干涉谱信号为：
其中，为波数，λ为波长，I0(k)为干涉谱信号中的自相关项，S(k)为光源光谱密度函数，RSn为待测样品第n层反射面的反射率，RR为参考镜的反射率，t表示探测光束扫描到被测样品不同横向探测点所对应的时间，n为正整数，2k(z0+bcos(2πfot+θ0))是待测样品第n层反射面与参考镜反射面的相位差，fc为参考镜正弦振动的频率；b为待测样品的振动幅度；a为参考镜振动的振幅，fo为待测样品的振动频率；θ0为待测样品震动的初始相位，θ为参考镜初始相位，z10为待测样品的震动。
步骤2)中，所述正弦相位调制差分项为：
所述待测样品的多普勒相位差分项：
其中：tm为探测光束扫描到被测样品第m个横向扫描点时的信号采集时间，m为横向扫描延迟线个数，其中，wc＝2πfc为正弦相位调制的角频率，w0＝2πfo待测样品震动的角频率，k0为光源光谱的中心波长对应的中心波数，Δt表示探测器采集相邻两个信号的时间间隔。
步骤4)中，所述二维差分层析信号为：
，其中，表示沿波数k做傅里叶变换，Γ(z)为光源光谱密度函数沿波数的傅里叶变换，表示卷积，δ是狄拉克函数。
步骤4)中，所述二维差分层析信号的相位即为：
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的方法，在对高速大振幅运动的待测样品进行成像时，克服了传统正弦相位解调过程中的信息遗漏和傅里叶分析步骤中混频现象导致误差过大的局限性，且提高了系统在较大多普勒频移下的抗噪能力，同时本发明兼具了传统多普勒OCT系统难以准确测量高速运动和大振幅运动样品的运动信息的问题和正弦相位调制OCT系统的去镜像和精度高的特点，从而获取更高的速度探测灵敏度，实现对高速运动的样品的动态成像。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法，包括如下步骤：
1)利用正弦相位调制复频域光学相干层析系统，对高速运动且震动幅度大的待测生物样品进行二维扫描成像，得到二维干涉谱信号。
2)将二维干涉谱信号沿波数域进行傅里叶变换，得到二维复层析信号，提取其相位部分，对相邻信号采集时间间隔的相位信息逐一进行差分处理，得到随时间变化的相位差分项，该相位差分项包含正弦相位调制差分项与待测样品的多普勒相位差分项。
3)进行正弦相位差分解调：在该相位差分项中直接减去正弦相位调制差分项，得到待测样品的多普勒相位差分项。
4)将该多普勒相位差分项和2)中的二维复层析信号的振幅部分重构为二维差分层析信号，其中的相位即为被测生物样品随时间变化的多普勒图像，即样品的运动信息。
步骤1)中，待测样品的震动可以表示为：z10(t)＝z0+bcos(2πf0t+θ0)。
利用二维振镜系统对样品进行横向扫描(B-SCAN)的同时，通过压电陶瓷驱动参考镜震动。
所述参考镜沿光轴方向做幅度为a，初始相相位为θ的正弦振动acos(2πfct+θ)，从而在干涉信号中引入正弦相位2kacos(2πfct+θ)，即正弦相位调制。
其中，fc为参考镜正弦振动的频率；b为待测样品的振动幅度；a为参考镜振动的振幅，fo为待测样品的振动频率；θ0为待测样品震动的初始相位。
步骤2)中探测器采集到的二维干涉谱信号I(k,t)为：
其中，为波数，λ为波长，I0(k)为干涉谱信号中的自相关项，S(k)为光源光谱密度函数，RSn为待测样品第n层反射面的反射率，n为正整数，RR为参考镜的反射率，t表示探测光束扫描到被测样品不同横向探测点所对应的时间，2k(z0+bcos(2πfot+θ0))是待测样品第n层反射面与参考镜反射面的相位差。
步骤2)中，其中所述的随时间变化且同时包含正弦相位调制差分项与待测样品的多普勒相位差分项的二维层析相位差分项为：
其中，tm为探测光束扫描到被测样品第m个横向扫描点时的信号采集时间，其中k0为光源光谱的中心波长对应的中心波数。
经精确计算，相邻采集时间间隔得到的信号的相位差为：
其中，Δt表示探测器采集相邻两个信号的时间间隔，由探测器的信号采集频率决定，即m为横向扫描延迟线个数，其中，wc＝2πfc为正弦相位调制的角频率，w0＝2πfo待测样品震动的角频率。
步骤3)中，正弦相位调制差分项为：
仅含待测样品多普勒相位的差分相位项为：
步骤4)中，所述二维差分层析信号为：
表示沿波数k做傅里叶变换，Γ(z)为光源光谱密度函数沿波数的傅里叶变换，表示卷积，δ是狄拉克函数。
步骤4)中，所述仅包含待测样品信息的二维层析信号：
其中，直流项和复共轭镜像可通过加窗滤波等常见信号处理的方法去除。
在仿真中，这种本发明较传统解调方法使能测最大运动振幅提高了2.8倍，且在震动越大的情况下，抗噪能力越好。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (5)
1.一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用正弦相位调制复频域光学相干层析系统，对高速运动且震动幅度大的待测生物样品进行二维扫描成像，得到二维干涉谱信号；
2)将二维干涉谱信号沿波数域进行傅里叶变换，得到二维复层析信号，提取其相位部分，对相邻信号采集时间间隔的相位信息逐一进行差分处理，得到随时间变化的相位差分项，该相位差分项包含正弦相位调制差分项与待测样品的多普勒相位差分项；
3)使该相位差分项减去正弦相位调制差分项，得到待测样品的多普勒相位差分项；
4)将该多普勒相位差分项和2)中的二维复层析信号的振幅部分重构为二维差分层析信号，其中的相位即为待测样品随时间变化的多普勒图像。
2.如权利要求1所述的一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法，其特征在于，所述二维干涉谱信号为：
其中，为波数，λ为波长，I0(k)为干涉谱信号中的自相关项，S(k)为光源光谱密度函数，RSn为待测样品第n层反射面的反射率，RR为参考镜的反射率，t表示探测光束扫描到被测样品不同横向探测点所对应的时间，n为正整数，2k(z0+bcos(2πfot+θ0))是待测样品第n层反射面与参考镜反射面的相位差，fc为参考镜正弦振动的频率；b为待测样品的振动幅度；a为参考镜振动的振幅，fo为待测样品的振动频率；θ0为待测样品震动的初始相位，θ为参考镜初始相位，z10为待测样品的震动。
3.如权利要求2所述的一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法，其特征在于，步骤2)中，所述正弦相位调制差分项为：
所述待测样品的多普勒相位差分项：
其中：tm为探测光束扫描到被测样品第m个横向扫描点时的信号采集时间，m为横向扫描延迟线个数，其中，wc＝2πfc为正弦相位调制的角频率，w0＝2πfo待测样品震动的角频率，k0为光源光谱的中心波长对应的中心波数，Δt表示探测器采集相邻两个信号的时间间隔。
4.如权利要求2所述的一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法，其特征在于，步骤4)中，所述二维差分层析信号为：
其中，表示沿波数k做傅里叶变换，Γ(z)为光源光谱密度函数沿波数的傅里叶变换，表示卷积，δ是狄拉克函数。
5.如权利要求2所述的一种正弦相位差分解调的多普勒优化成像方法，其特征在于，步骤4)中，所述二维差分层析信号的相位即为：
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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