CN109596571B - 一种相位差分分析多普勒成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位差分分析多普勒成像方法，包括如下步骤：1)利用正弦相位调制复频域光学相干层析成像系统对高速运动且大幅度震动的待测样品进行成像；2)将采集到的二维干涉谱信号沿波数域进行傅里叶变换；3)提取复层析信号的相位信息，对信号相邻采集时间间隔的相位逐一进行差分处理，获得随时间变化的二维层析相位差；4)用随时间变化的二维层析相位差和随时间变换的复层析信号的振幅重构形成包含相位差的二维差分层析信号；5)对包含相位差的二维差分层析信号沿时间域进行傅里叶变换，通过正弦相位解调得到差分频域层析信号，其中的相位信息即为被测生物样品随时间变化的多普勒图像。

Description

一种相位差分分析多普勒成像方法

技术领域

本发明涉及傅里叶域光学相干层析成像技术领域，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、实时成像能力的成像技术，以及易于与现有仪器对接的特点，应用前景十分广阔。

OCT的发展先后形成了被称为时域OCT，和傅里叶域OCT的两大类。时域OCT使用参考镜进行轴向扫描来与样品不同深处的后向反射散射光进行匹配,时域OCT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,样品和参考镜返回的光束重合后发生干涉,再由光谱仪把不同光频分开，深度信息由探测到的光谱信息通过傅里叶逆变换得到。因此，傅立叶域光学相干层析相对时域光学相干层析虽然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本身也有缺陷，在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,因为一个实值函数的傅立叶变换是厄米共轭的,它产生一个复共轭像,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,所以样品臂相对于参考臂零光程点的正负方向的样品信息不能唯一的提取出来,这样形成关于零光程共轭对称镜像,重建的图像则相互重叠模糊。不能区分正延迟和负延迟,对称模糊就会导致得到的结构图错误。为了避免这样的模糊产生,实际中,一般把样品置放于等效零光程的一边。因为系统灵敏度最高的地方位于零相位延迟附近,实际处理的方法对信号信噪比最高的成像区域利用率低,由于共轭对称,实际可以利用的成像范围只有整个成像范围的一半,如果可以消除镜像的影响,我们就可以进一步有效扩大探测范围。

然而，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。在每一个横向位置处,连续改变参考镜的位置,得到一系列干涉光谱,利用移相算法得到干涉光谱的振幅和位相信息,然后获得复频谱。再对得到的复频谱傅立叶变换,得到空间结构信息。这种方法构造的复频谱受到移相精度的影响,并且受色差的影响,移相的大小根据中心波长决定,而使用的是宽带光源。除此之外,一般来自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，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。对大动态范围微弱信号的提取是技术的关键部分,而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,假如使用直接探测的方法,得到的信号信噪比会非常低。为了能对如此微弱的信号进行有效探测并获得较高的信噪比,在系统中一般都采用光外差探测技术对获得的微弱信号进行探测。

利用相位调制找到另外一种构造复频谱的方法：使用正弦调制可以以获得复干涉光谱。正弦相位调制干涉术是一种准外差干涉测量技术，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。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、自相关项和复共轭镜像。正弦相位调制方法对复共轭抑制有如下优点：(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。

可见，与多普勒相结合的OCT技术形成了一种新型生物医学成像技术，而目前的OCT技术却很难实现如心血管等高速震动样品的动态图像测量，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。除此之外，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)，这样将导致难以获得待测样品的多普勒图像。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是建立一套与多普勒探测相结合，基于正弦相位调制的傅里叶域OCT系统，通过优化传统的傅里叶分析的信号处理方法来获取更高的系统信噪比和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，获得待测样品随时间变化的多普勒图像。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种相位差分分析多普勒成像方法，包括如下步骤：

1)利用正弦相位调制复频域光学相干层析成像系统对高速运动且大幅度震动的待测样品进行成像:参考镜沿光轴方向做正弦振动，从而在干涉信号中引入正弦相位；利用二维振镜系统对样品进行横向扫描，获得二维干涉谱信号；

2)将采集到的二维干涉谱信号沿波数域进行傅里叶变换，得到随时间变换的复层析信号；

3)提取该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，获得随时间变化的二维层析相位差；

4)用步骤3中得到的随时间变化的二维层析相位差和步骤2中得到的随时间变换的复层析信号的振幅重构形成包含相位差的二维差分层析信号；

5)对包含相位差的二维差分层析信号沿时间域进行傅里叶变换，通过相位解调得到差分频域层析信号，其中的相位即为被测生物样品随时间变化的多普勒图像。

在一较佳实施例中：

步骤1中，待测样品的的震动表示为：z₁₀(t)＝z₀+bcos(2πf₀t+θ₀)；

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(2πf_ct+θ)，从而在干涉信号中引入正弦相位2kacos(2πf_ct+θ)；

其中，f_c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，f_o为待测样品的振动频率；θ₀为待测样品震动的初始相位；Z₀为待测样品的初始位置，Z₁₀(t)表示样品在t时刻的位置。

在一较佳实施例中：步骤1中，二维干涉谱信号I(k,t)为：

其中，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，R_Sn为待测样品第n层反射面的反射率，R_R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(2πf_ot+θ₀))是待测样品第n层反射面与参考镜反射面的相位差。

在一较佳实施例中：步骤2中，所述随时间变换的复层析信号I(z,t)表示为：

等式中第一项为直流分量，第二项为互相干项，该项反映了被测样品内部的信息；第三项是对探测器采集到的实数干涉谱信号进行傅里叶变换而产生的厄米共轭项，即共轭镜像；

其中，F_k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。

在一较佳实施例中：步骤3中，随时间变化的二维层析相位差提取上述的二维层析信号I(z,t)中第二项中的相位，对探测器相邻采集时间间隔Δt的信号的相位逐一做差，得到相邻采集时间的相位差为：

其中，t_m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，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，由探测器的信号采集频率决定，即

在一较佳实施例中：步骤4中，包含相位差的二维差分层析信号为：

其中，

w_c＝2πf_c，w_o＝2πf_o。

在一较佳实施例中：步骤5中，差分频域层析信号为：

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种相位差分分析多普勒成像方法，解决了传统多普勒OCT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，同时本发明兼具了正弦相位调制OCT的去镜像和精度高的特点。在对生物体进行成像时，能克服被测样品中的高速大振幅的运动导致的混频现象，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

利用正弦相位调制复频域光学相干层析系统在空域进行相位差分得到多普勒像的成像方法，该方法具体步骤如下：

1)利用正弦相位调制复频域光学相干层析成像系统对高速运动且大幅度震动的生物样品进行成像：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(M-SCAN)，使其沿光轴方向做幅度为a，初始相相位为θ的正弦振动acos(2πf_ct+θ)，从而在干涉信号中引入正弦相位2kacos(2πf_ct+θ)，即正弦相位调制；样品的震动可以表示为：z₁₀(t)＝z₀+bcos(2πf₀t+θ₀)；

其中，f_c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，f_o为待测样品的振动频率；θ₀为待测样品震动的初始相位；Z₁₀(t)表示样品在t时刻的位置。

2.探测器采集到的二维干涉谱信号I(k,t)为：

其中，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，R_Sn为待测样品第n层反射面的反射率，R_R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(2πf_ot+θ₀))是待测样品第n层反射面与参考镜反射面的相位差；

3.对上述干涉谱信号I(k,t)沿波数k做傅里叶变换，得到待测样品的二维复层析信号I(z,t)：

等式中第一项为直流分量，第二项为互相干项，该项反映了被测样品内部的信息；第三项是对探测器采集到的实数干涉谱信号进行傅里叶变换而产生的厄米共轭项，即共轭镜像；

其中，F_k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；

4.提取上述的二维层析信号I(z,t)中第二项中的相位，对探测器相邻采集时间间隔Δt的信号的相位逐一做差，得到相邻采集时间的相位差为：

其中，t_m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

5.用该相位差和上述(3)中层析信号I(z,t)中的振幅，重构新的复层析信号：

其中，直流项和复共轭镜像可以通过加窗滤波等常见信号处理的方法去除，即得到仅包含待测样品信息的层析信号：

6.该层析信号可以展开为：

其中，

w_c＝2πf_c，w_o＝2πf_o

7.对该层析信号沿时间t进行傅里叶变换，提取频域信号一倍频信号(一次谐波)和二倍频信号(二次谐波)，沿着时间域t做逆傅里叶变换，即正弦相位解调过程，从而得到正弦相位解调后的信号：

8.提取(7)中信号的振幅，即为待测生物样品全深度二维结构图像。

9.提取(7)中信号的相位信息，即待测样品的多普勒像：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种相位差分分析多普勒成像方法，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成像系统对高速运动且大幅度震动的待测样品进行成像：参考镜沿光轴方向做正弦振动，从而在干涉信号中引入正弦相位；利用二维振镜系统对样品进行横向扫描，获得二维干涉谱信号；

2)将采集到的二维干涉谱信号沿波数域进行傅里叶变换，得到随时间变换的复层析信号；

3)提取该复层析信号的相位信息，对信号相邻采集时间间隔的相位信息逐一进行差分处理，获得随时间变化的二维层析相位差；

4)用步骤3中得到的随时间变化的二维层析相位差和步骤2中得到的随时间变换的复层析信号的振幅重构形成包含相位差的二维差分层析信号；

5)对包含相位差的二维差分层析信号沿时间域进行傅里叶变换，通过相位解调得到差分频域层析信号，其中的相位即为被测生物样品随时间变化的多普勒图像。

2.根据权利要求1所述的一种相位差分分析多普勒成像方法，其特征在于：步骤1中，待测样品的的震动表示为：z₁₀(t)＝z₀+bcos(2πf₀t+θ₀)；

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(2πf_ct+θ)，从而在干涉信号中引入正弦相位2kacos(2πf_ct+θ)；

其中，f_c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，f_o为待测样品的振动频率；θ₀为待测样品震动的初始相位；Z₀为待测样品的初始位置，Z₁₀(t)表示样品在t时刻的位置。

3.根据权利要求2所述的一种相位差分分析多普勒成像方法，其特征在于：步骤1中，二维干涉谱信号I(k,t)为：

其中，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，R_Sn为待测样品第n层反射面的反射率，R_R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(2πf_ot+θ₀))是待测样品第n层反射面与参考镜反射面的相位差。

4.根据权利要求3所述的一种相位差分分析多普勒成像方法，其特征在于：步骤2中，所述随时间变换的复层析信号I(z,t)表示为：

等式中第一项为直流分量，第二项为互相干项，该项反映了被测样品内部的信息；第三项是对探测器采集到的实数干涉谱信号进行傅里叶变换而产生的厄米共轭项，即共轭镜像；

其中，F_k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.根据权利要求4所述的一种相位差分分析多普勒成像方法，其特征在于：步骤3中，随时间变化的二维层析相位差提取上述的二维层析信号I(z,t)中第二项中的相位，对探测器相邻采集时间间隔Δt的信号的相位逐一做差，得到相邻采集时间的相位差为：

其中，t_m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，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，由探测器的信号采集频率决定，即

w_c＝2πf_c，w_o＝2πf_o。

6.根据权利要求5所述的一种相位差分分析多普勒成像方法，其特征在于：步骤4中，包含相位差的二维差分层析信号为：

其中，

7.根据权利要求6所述的一种相位差分分析多普勒成像方法，其特征在于：步骤5中，差分频域层析信号为：