CN112683848B - 光学相干层析成像系统色散补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种光学相干层析成像系统色散补偿方法，通过将样品不同深度位置处的A‑line信号沿深度z方向做傅里叶变换得到干涉谱信号，以波数为自变量对干涉谱信号进行数值拟合得到不同深度处二阶色散系数。对不同深度处的二阶色散系数经过离散拉普拉斯算子处理得到的二阶微分值，体现被测样品不同层色散性质的差异度，通过提取差异度大于某个阈值的深度和该深度对应的色散系数，获得样品沿深度方向的分段位置。然后对分段后每一段的色散系数分别进行线性拟合可以得到样品所有深度的二阶色散补偿系数。本发明优点是可以自动分割出被测样品中具有不同色散性质的结构层，得到不同成像深度处的色散补偿系数，实现高精度全深度范围内的色散补偿。

Description

光学相干层析成像系统色散补偿方法

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)技术，尤其是一种光学相干层析成像系统色散补偿方法。

背景技术

光学相干层析成像(OCT)通过探测样品背向散射光的强度来获取样品的结构信息，是一种高分辨、非侵入、可在体检测组织内部微观结构的光学断层成像技术。自1991年Huang等首次提出OCT概念，并对人眼视网膜及冠状动脉壁的显微结构进行成像以来，OCT一直是国内外生物医学成像和无损检测等领域的研究热点。OCT 以其高分辨率、快成像速度、无辐射损伤、光信息多元性，以及与现代医疗仪器兼容性好等优势，成为一种在医学检测领域具有重要应用前景的光学成像技术。

频域OCT技术通过对频域干涉谱信号的逆傅里叶变换(IFT)获得被测物体的层析图，相对传统时域OCT技术，无需深度方向的扫描，具有成像速度快和灵敏度高等优点，使得对生物组织的高分辨率实时在体成像成为可能。

OCT系统具有微米或亚微米量级的空间分辨率。理论上OCT系统的纵向分辨率由宽带光源的相干长度决定，光源的相干长度与其光谱带宽成反比。目前，高分辨率OCT系统采用的超宽光谱光源带宽达到100nm以上，这会导致色散效应加剧。色散会导致OCT相干信号的展宽与畸变，使系统实际分辨率小于理论值，因此色散补偿是实现高分辨率OCT技术的关键技术之一。目前色散补偿主要有物理补偿和算法补偿两种方式。

物理补偿的方法是在OCT系统中参考臂光路中添加色散补偿器件，实现参考臂与样品臂色散性质匹配(参见在先技术[1]，Hitzenberger,Christoph K.,et al. "Dispersion effects in partial coherence interferometry:implications forintraocular ranging."Journal of Biomedical Optics 4.1(1999):144-152.)这种补偿方法适用于样品色散参数已知的情况，而且光路或者样品的改变都需要重新调整或者更换色散补偿器件。基于光栅的快速扫描延迟线技术(RSOD)是另外一种物理补偿方法，通过改变光栅的离焦量来调节参考光路的色散参数(参见在先技术[2]，Froehly,L.,et al. "Dispersion compensation properties of grating-based temporal-correlationoptical coherence tomography systems."Optics Communications 282.7(2009):1488-1495.)。这种方法只能补偿二阶色散(群速度色散，GVD)和三阶色散(TOD)。上述的物理补偿方法需要增加额外的硬件，增加系统的复杂度和成本。

算法补偿是通过对OCT获取的数据进行后处理来消除色散展宽，例如解卷积算法、迭代算法、自聚焦算法和全深度色散补偿方法等。解卷积算法是将时域干涉信号与随深度变化的样品色散参数卷积核进行卷积(参见在先技术[3]，Fercher,Adolf F., et al."Numerical dispersion compensation for partial coherence interferometry andoptical coherence tomography."Optics express 9.12(2001):610-615.)。此方法简单易用，但是卷积核需要根据样品的材料和结构计算获得，限制了该方法的应用。迭代算法通过反复评价结构信号中强度大于半峰值的像素点数来确定最佳色散补偿系数(参见在先技术[4]，Wojtkowski,Maciej,et al."Ultrahigh-resolution,high-speed,Fourier domainoptical coherence tomography and methods for dispersion compensation."Opticsexpress 12.11(2004):2404-2422)；自聚焦算法通过反复评价结构信号强度高次幂积分来确定最佳补偿系数(参见在先技术[5]，Marks,Daniel L.,et al."Autofocus algorithmfor dispersion correction in optical coherence tomography."Appliedoptics42.16(2003):3038-3046.)。这两种方法对样品不同深度处的色散采用同一色散系数进行补偿，如果应用在实际多层结构的样品中，会出现过补偿或者欠补偿情况，没有做到全成像深度范围之内的精确补偿。黄炳杰等提出的深度色散补偿方法是对样品的信号进行多项式拟合，去除二阶及以上的高阶色散相位，实现色散补偿(参见在先技术[6]，黄炳杰，步鹏，王向朝，南楠，用于频域光学相干层析成像的深度分辨色散补偿方法，光学学报，2012，32(2)，0217002.)，但在OCT信号中，被测样品信号会由于噪声的干扰和色散展宽导致相邻层相互混叠，此时可能滤波出来的信号不准确而影响补偿效果，并且对于同种结构的多层样品，将样品中的每一信号峰都进行滤波并计算二阶色散系数会增加不必要的运算量。全深度色散补偿方法是通过迭代算法测出样品不同成像位置处的色散补偿系数，从而线性拟合出全深度范围内色散补偿系数(参见在先技术[7]，Pan,Liuhua,et al."Depth-dependent dispersion compensation for full-depth OCT image."Optics express25.9(2017):10345-10354.)，该方法忽略样品二阶有效色散系数的变化，认为在一定范围内二阶色散补偿系数与样品成像深度为线性关系，针对同种材料结构的样品色散在探测深度范围内色散可得到有效补偿，但是对于有多层结构的检测对象，不同层之间的色散系数差异很大时，就限制了该方法的使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学相干层析成像系统色散补偿方法，以提高系统纵向分辨率。通过提取样品不同深度位置处的二阶色散系数，经过离散拉普拉斯算子处理得到二阶微分值，可判断出被测样品不同色散性质结构的差异度，根据所确定的阈值筛选出差异度大的位置信息和色散系数，即可得到该样品的分段处，然后对每一分段分别进行线性插值可以得到样品中每一位置的二阶色散补偿系数。从而消除成像过程中引入的色散展宽效应，提高成像分辨率。

本发明的技术解决方案如下：

一种光学相干层析成像系统色散补偿方法，该方法包括如下步骤：

①利用光学相干层析成像系统对样品进行成像，得到原始干涉信号；

②将原始干涉信号去背景后做逆傅里叶变换得到A-line信号；

③通过对A-line信号进行滤波得到某一深度的信号，对其进行傅里叶变换后提取该深度处的原始相位信息；

④对提取的原始相位进行多项式拟合，得到该深度处样品的二阶色散系数；

⑤根据被测样品A-line信号的结构特性，选取成像深度范围内几个不同的深度，重复③④步骤可得到样品中多个深度位置的二阶色散系数；

⑥将得到的不同深度位置的二阶色散系数进行离散拉普拉斯算子处理得到二阶微分值并向0取整，判断样品是否为具有相同色散性质结构的样品：

如果样品是具有不同色散性质的多层介质的样品，通过阈值筛选将样品沿深度方向分为多段，提取分段处的二阶色散系数和深度位置信息，再对各段分别进行线性拟合得到探测深度范围内各深度处的二阶色散系数，进而得到各深度处的二阶色散相位；

如果样品是具有相同色散性质的样品，对探测深度范围内各深度处的二阶色散系数进行线性拟合得到各个深度位置处的二阶色散系数，进而得到各深度处的二阶色散相位；

⑦从步骤③中提取的原始相位减去步骤⑥中得到的对应深度处的二阶色散相位，得到该深度处补偿后的相位，对A-line信号的所有成像深度重复此步骤，即得到补偿色散后的A-line信号；

⑧重复上述步骤，对整个图像内的所有A-line信号进行色散补偿，重建出样品全深度范围内高分辨率的二维或三维图像。

步骤⑥中离散拉普拉斯算子处理后阈值筛选方法为：

对沿深度方向的不同深度处二阶色散系数做离散拉普拉斯算子处理，可以得到样品内不同介质之间色散性质的差异度，将得到的元素取绝对值并向0取整，如果全为0元素，则认为无断点，样品的各结构层具有相同的色散性质；

否则有断点，即样品具有不同色散性质的结构层，这种情况下，去除0元素选取最小值元素为阈值q；选取大于阈值q的元素，组成元素集Y，在元素集Y中每个元素对应的深度位置即为样品分段处，即样品中存在色散性质差异度较大的位置，通过映射计算出该样品分段处的二阶色散系数和深度信息。

步骤⑥中线性拟合方法为：

基于最小二乘法进行线性拟合二阶色散系数和对应的深度位置，得到探测范围内各深度处的二阶色散系数。

本发明光学相干层析成像系统色散补偿方法的特点是通过判别被测样品的结构性质，再分情况给出被测样品成像范围内的二阶色散补偿系数，便可以对样品不同成像深度处的信号进行针对性的色散补偿。提取样品不同深度位置处二阶色散系数，经过离散拉普拉斯算子处理后，可以判断样品结构的色散性质是否为均匀介质，如果不是则需要进行分段进行色散补偿。根据阈值筛选出剩下的元素，这些元素体现了样品某两层之间色散性质差异度较大，通过映射可计算出该样品分段处的二阶色散系数和深度信息，这样可以避免在全深度探测范围内用单一线性拟合在进行样品色散补偿时造成的误差，实现成像范围内精确的色散补偿，提高成像系统纵向分辨率。

本发明的技术解决方案原理：

在频域OCT中通过探测样品背向散射光进行成像，光源发出的低相干光通过参考臂与样品臂分别照射到反射镜和样品上，从反射镜返回的参考光与从样品不同深度处返回的样品光发生干涉，去除直流项，样品的干涉信号为：

式中k表示波数，Re表示取复数的实部，I_n(k)表示样品第n层散射回的光强，I_r(k)表示反射镜返回的光强，Δz_n为样品n第层相对于参考臂反射镜的光程差，

是样品第n层散射光相对于参考光的相位差，包括高阶色散相位Φ(k,Δz_n)。高阶色散相位的引入是导致干涉信号包络展宽和畸变、降低系统分辨率的主要原因，色散补偿的目的就是消除高阶色散相位。

第n层散射光相对于参考光

的相位差可以表示为

式中β_n(k)是样品第n层处的有效传播系数，对于参考臂和样品臂中各光学元件已经给定的OCT系统来说，β_n(k)可以在光源中心波长对应的波数k₀附近做泰勒级数展开，于是可得

式中n_n是样品第n层处的有效折射率，n_g,n是样品第n层处的有效群折射率，β_n”、β”’_n分别是样品第n层处的二阶有效色散系数、三阶有效色散系数，a₂、a₃分别称为二阶色散补偿系数、三阶色散补偿系数，即：

β_n”(k₀)与样品本身的折射率性质有关，对于同种样品介质，有效色散系数β_n”(k₀)不变，可以认为二阶色散补偿系数a₂与样品成像深度为线性关系，但是在一些多层样品中，不同层之间色散性质不相同的情况下，就不能简单认为二阶色散补偿系数与成像深度是简单线性关系。因此可以对得到的色散补偿系数经过离散拉普拉斯算子处理，判断被测样品是否为具有相同的介质结构，如果为单一样品介质，线性拟合即可得到样品成像范围内任一位置处的二阶色散补偿系数；如果样品是具有不同色散性质的多层介质，经过阈值筛选可以得到样品色散性质存在差异处的位置信息和二阶色散补偿系数，通过线性拟合可以得到样品中每一位置的二阶色散补偿系数。通过判别被测样品的结构性质，再分情况给出被测样品成像范围内的二阶色散补偿系数，便可以对样品不同成像深度处的信号进行有针对性的色散补偿。

与在先技术相比，本发明具有以下优点：

1、系统不需要增加额外的硬件设施，结构简单，节约成本。

2、不需要预先知道样品的材料和结构特性，能自动确定样品的色散特性和结构信息，适用性较强。

3、与在先技术[4][5]相比，本发明可以针对样品的不同成像深度采用不同的色散参数进行精确补偿，避免了色散补偿过程中由于噪声较大时结构信号被淹没或者间隔较小层之间包络发生混淆而不能提取色散信息的情况，而且也可以减小使用同一色散补偿系数造成的欠补偿或者过补偿现象，得到更高的纵向分辨率。

4、与在先技术[6]相比，本发明可以根据样品的结构特性，减少不必要的运算量，提高色散补偿效率。

5、与采用单一线性拟合得到深度范围内二阶色散系数的在先技术[7]相比，本发明可以根据样品不同层的色散差异度来确定成像深度内的二阶色散系数，如果被测样品为非均匀色散性质的样本，可避免误差提高色散补偿精度。

附图说明

图1为本发明模拟样品的结构示意图。

图2为被测模拟样品无色散情况下的A-line信号。

图3为被测模拟样品引入色散情况下的A-line信号。

图4为本发明色散补偿方法得到的被测样品引入色散情况下成像范围内不同深度的色散补偿系数。

图5为被测样品经过本发明色散补偿方法进行色散补偿后的A-line信号。

图6为样品的二维层析图像，其中(a)为未进行深度色散补偿的样品二维层析图像，(b)为经过本发明色散补偿方法进行深度色散补偿的样品二维层析图像。

具体实施方式

下面结合实施例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。

利用计算机模拟分析本发明色散补偿方法的可行性。图(1)为一个有16层散射层的样品结构示意图，样品上表面距离等光程处0.2mm，其中前三层为NK5玻璃，折射率为1.51，色散系数为0.046fs²/μm；中间5层为SF68玻璃，折射率为1.97，色散系数为0.271fs²/μm；其次下面8层为BK7玻璃，折射率为1.50，色散系数为 0.044fs²/μm。样品中不同层玻璃的色散性质不同，假设频域OCT系统的宽带光源中心波长为850nm，带宽为50nm，则系统在空气中的理论纵向分辨约为6.37μm，最大成像深度为3.69mm。模拟该样品无色散的A-line和引入色散的A-line曲线，参阅图(2)和(3)所示，并对引入色散后的情况进行色散补偿。具体步骤如下：

(1)将引入色散情况的的原始干涉信号做逆傅里叶变换得到A-line信号；

(2)根据样品的厚度，通过对A-line信号加窗函数滤波得到该样品9个不同深度处的信号，并进行傅里叶变换后提取这些深度处的相位信息；

(3)对提取的相位进行多项式拟合，得到样品这些深度处的二阶色散系数；

(4)将得到的不同深度处的二阶色散系数进行离散拉普拉斯算子处理后得到二阶微分值，判断样品是具有不同色散性质的多层介质，通过阈值筛选将样品沿深度方向分为3段，提取分段处的二阶色散系数和深度位置信息，再对各段分别进行线性拟合得到探测深度范围内各深度处的二阶色散系数，参阅图(4)，进而得到各深度处的二阶色散相位；

(5)对一个A-line信号进行色散补偿，将样品中提取的原始相位减去二阶色散相位得到补偿后的相位，对A-line信号的所有成像深度重复此步骤，得到补偿色散后的 A-line信号，参阅图(5)；

(6)重复上述步骤，对整个图像内的所有A-line信号进行色散补偿，重建出样品全深度范围内高分辨率的二维层析图像。

图(6)为未进行深度色散补偿的样品二维层析图像和经过本发明色散补偿方法进行深度色散补偿的样品二维层析图像，由两幅图像比较可以看出，未进行色散补偿的样品图像结构由于色散展宽，其中一些厚度比较小的玻璃层已经分辨不出，采用本发明的分段色散补偿方法，对样品进行色散补偿后的图像结构更清晰，可以分辨出各层玻璃结构，下表为被测模拟样品6个深度处信号的半峰全宽在无色散情况、引入色散情况和经过色散补偿后的比较，从补偿结果可以看出，经过色散补偿后，样品深度处①-⑥的反射峰半峰全宽在13.7μm与16.5μm之间，各深度均得到了有效的色散补偿，取得很好的效果。

表1被测模拟样品不同深度处信号的半峰全宽

以上所述只是本发明的一个具体实施例，该实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光学相干层析成像系统色散补偿方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①利用光学相干层析成像系统对样品进行成像，得到原始干涉信号；

②将原始干涉信号去背景后做逆傅里叶变换得到A-line信号；

③通过对A-line信号进行滤波得到某一深度的信号，对其进行傅里叶变换后提取该深度处的原始相位信息；

④对提取的原始相位进行多项式拟合，得到该深度处样品的二阶色散系数；

⑤根据被测样品A-line信号的结构特性，选取成像深度范围内几个不同的深度，重复③④步骤得到样品中多个深度位置的二阶色散系数；

⑥将得到的不同深度位置的二阶色散系数进行离散拉普拉斯算子处理得到二阶微分值并向0取整，判断样品是否为具有相同色散性质结构的样品：

如果样品是具有不同色散性质的多层介质的样品，通过阈值筛选将样品沿深度方向分为多段，提取分段处的二阶色散系数和深度位置信息，再对各段分别进行线性拟合得到探测深度范围内各深度处的二阶色散系数，进而得到各深度处的二阶色散相位；

如果样品是具有相同色散性质的样品，对探测深度范围内各深度处的二阶色散系数进行线性拟合得到各个深度位置处的二阶色散系数，进而得到各深度处的二阶色散相位；

所述离散拉普拉斯算子处理后阈值筛选方法为：

对沿深度方向的不同深度处二阶色散系数做离散拉普拉斯算子处理，得到样品内不同介质之间色散性质的差异度，将得到的元素取绝对值并向0取整，如果全为0元素，则认为无断点，样品的各结构层具有相同的色散性质；

否则有断点，即样品具有不同色散性质的结构层，这种情况下，去除0元素选取最小值元素为阈值q；选取大于阈值q的元素，组成元素集Y，在元素集Y中每个元素对应的深度位置即为样品分段处，即样品中存在色散性质差异度较大的位置，通过映射计算出该样品分段处的二阶色散系数和深度信息；

⑦从步骤③中提取的原始相位减去步骤⑥中得到的对应深度处的二阶色散相位，得到该深度处补偿后的相位，对A-line信号的所有成像深度重复此步骤，即得到补偿色散后的A-line信号；

⑧重复上述步骤，对整个图像内的所有A-line信号进行色散补偿，重建出样品全深度范围内高分辨率的二维或三维图像。

2.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统色散补偿方法，其特征在于， 所述步骤⑥中线性拟合方法为：

基于最小二乘法进行线性拟合二阶色散系数和对应的深度位置，得到探测范围内各深度处的二阶色散系数。

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