CN113450342B - 一种基于光学相干断层扫描的生物组织轮廓成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学相干断层扫描的生物组织轮廓成像方法，包括以下步骤：步骤S1：采用OCT设备对生物组织区域进行扫描成像，获取生物组织区域光学干涉信号；步骤S2：采用小波包分解对光学干涉信号进行分解，对分解后的信号求解其能量特征，然后选取能量特征大的分量进行信号重构；步骤S3：根据重构后的信号来构建生物组织轮廓，对生物组织区域进行成像。本发明通过小波包能量分解重构信号，可有效去除噪声，提高影像分辨率。

Description

一种基于光学相干断层扫描的生物组织轮廓成像方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，特别是一种基于光学相干断层扫描的生物组织轮廓成像方法。

背景技术

光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography,OCT)技术也叫做光学相干层析技术，利用弱相干干涉原理，通过探测被测样品不同深度层的背向散射光，来获取被测样品背部微结构信息的一种高分辨率内部成像技术。通过对被测样品的扫描，可以实现被测样品的二维或者三维的结构的微米级分辨率的层析成像。由于普通OCT的光源通常为宽带光源，而在信号采集过程中，不可避免夹杂着大量的环境噪声和干扰等。小波包变换可以将频带部分多层次划分，对高频部分进一步分解，并能够根据信号特征，自适应地选择最佳小波基函数，选择相应的频带，使之与信号频谱相匹配，提高信号时频分辨率。之后对分解后的信号进行能量特征提取，选取能量特征高的分量进行重构，采用重构后的信号对生物组织内部轮廓进行二维成像，无需对其解剖观测即可实现对生物组织内部结构的成像。目前浅表面成像与表面成像无法直接观测到生物组织内部轮廓图，而超声回波扫描技术需要耦合剂才能进行工作，且成像分辨率低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于光学相干断层扫描的生物组织轮廓成像方法，通过小波包能量分解重构信号，可有效去除噪声，提高影像分辨率。

本发明采用以下方案实现：一种基于光学相干断层扫描的生物组织轮廓成像方法，包括以下步骤：

步骤S1：采用OCT设备对生物组织区域进行扫描成像，获取生物组织区域光学干涉信号；

步骤S2：采用小波包分解对光学干涉信号进行分解，对分解后的信号求解其能量特征，然后选取能量特征大的分量进行信号重构；

步骤S3：根据重构后的信号来构建生物组织轮廓，对生物组织区域下层组织轮廓进行成像。

进一步地，所述步骤S1的具体内容为：

在OCT系统中，光源经参考光路后被光谱仪采集到的信号为：

I_R(A)＝S_R(k)e^2ikr (1)

式中，S_R(k)为参考光的谱功率分布函数，e^2ikr为相位，2r为参考比的光程长度，k为波数且k＝2π/λ；而样品反射光表达为：

式中，S_S(k,z)为样品反射光的谱功率分布函数，n为样品反射率；r+nz为样品在深度z上对应的光程；

当参考光和反射光发生干涉后，被系统接受并转换成干涉光谱信号为：

式(3)为真实的干涉光谱信号，而实际采集到的信号即生物组织区域光学干涉信号为：

进一步地，所述步骤S2的具体内容为：

令所获取的光学信号为f(x)，而尺度函数

和小波函数ψ(t)满足以下方程：

令

μ₁(t)＝ψ(t)，将式(5)和(6)改写为：

由此定义的函数系{μ_n(t)}_n∈z称为正交尺度函数

的正交小波包；小波包空间由

的伸缩平移张成，每个空间都由比它大1的两个子空间构成，多分辨率分解公式的算子形式为：

设利用OCT设备采集到的生物组织区域光学干涉信号

即

因此小波包的分解公式为：

将小波包分解后的分量分别记为x_i(n)，然后计算每个分量的能量特征

式中x_i(n)为分解系数序列中第i个频带，j为小波包分解层数；

计算频带能量的平均幅值

将能量特征大于平均幅值的分量视为能量特征大的分量，将其叠加进行信号重构，重构后的信号为I_{reconstruction}

进一步地，所述步骤S3的具体内容为：

将重构后的信号即单列信号乘以OCT设备分辨率即为探测到的生物组织在深度上的信息，将单点的信号按照采集顺序一一排列构成二维矩阵，将其画为二维扫描图，即构成探测区域部分生物组织内部轮廓二维图。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过小波包能量分解重构信号，可有效去除噪声，提升组织轮廓成像的分辨率，且无需解剖可直接观测到探测区域生物组织内部结构。

附图说明

图1为本发明实施例的OCT设备采集到的光学信号图。

图2为本发明实施例的信号的小波包能量特征图。

图3为本发明实施例的生物组织内部结构轮廓图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如入1、2、3所示，本实施例提供一种基于光学相干断层扫描的生物组织轮廓成像方法，包括以下步骤：

步骤S1：采用OCT设备对生物组织区域进行扫描成像，获取生物组织区域光学干涉信号；

步骤S2：采用小波包分解对光学干涉信号进行分解，对分解后的信号求解其能量特征，然后选取能量特征大的分量进行信号重构；

步骤S3：根据重构后的信号来构建生物组织轮廓，对生物组织区域下层组织轮廓进行成像。

在本实施例中，所述步骤S1的具体内容为：

在OCT系统中，光源经参考光路后被光谱仪采集到的信号为：

I_R(A)＝S_R(k)e^2ikr (1)

式中，S_R(k)为参考光的谱功率分布函数，e^2ikr为相位，2r为参考比的光程长度，k为波数且k＝2π/λ；而样品反射光表达为：

式中，S_S(k,z)为样品反射光的谱功率分布函数，n为样品反射率；r+nz为样品在深度z上对应的光程；

当参考光和反射光发生干涉后，被系统接受并转换成干涉光谱信号为：

式(3)为真实的干涉光谱信号，而实际采集到的信号即生物组织区域光学干涉信号为：

在本实施例中，所述步骤S2的具体内容为：

小波包分解能够根据信号本身特点，自适应选择频带，确定信号在不同频段的分辨率；

首先，令所获取的光学信号为f(x)，而尺度函数

和小波函数ψ(t)满足以下方程：

令

μ₁(t)＝ψ(t)，将式(5)和(6)改写为：

由此定义的函数系{μ_n(t)}_n∈z称为正交尺度函数

的正交小波包；小波包空间由

的伸缩平移张成，每个空间都由比它大1的两个子空间构成，多分辨率分解公式的算子形式为：

设利用OCT设备采集到的生物组织区域光学干涉信号

即

因此小波包的分解公式为：

将小波包分解后的分量分别记为x_i(n)，然后计算每个分量的能量特征

式中x_i(n)为分解系数序列中第i个频带，j为小波包分解层数；

计算频带能量的平均幅值

将能量特征大于平均幅值的分量视为能量特征大的分量，将其叠加进行信号重构，重构后的信号为I_{reconstruction}

在本实施例中，所述步骤S3的具体内容为：

将重构后的信号即单列信号乘以OCT设备分辨率即为探测到的生物组织在深度上的信息，将单点的信号按照采集顺序一一排列构成二维矩阵，将其画为二维扫描图，即构成探测区域部分生物组织内部轮廓二维图。

较佳的，本实施例首先采用OCT设备对生物组织进行扫描成像，获取生物组织光学干涉信号；然后采用小波包分解对实验信号进行分解，对分解后的信号求解其能量特征，然后选取能量特征大的分量进行信号重构；最后根据重构后的信号来构建生物组织轮廓。图1为OCT设备采集到的光学信号。然后采用小波包能量分解对信号进行分解，并求解其能量特征，图2为信号的小波包能量特征。选取能量特征大的分量进行信号重构，然后将扫描信号进行轮廓成像。图3为生物组织内部轮廓图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种基于光学相干断层扫描的生物组织轮廓成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：采用OCT设备对生物组织区域进行扫描成像，获取生物组织区域光学干涉信号；

步骤S2：采用小波包分解对光学干涉信号进行分解，对分解后的信号求解其能量特征，然后选取能量特征大的分量进行信号重构；

步骤S3：根据重构后的信号来构建生物组织轮廓，对生物组织区域下层组织轮廓进行成像；

所述步骤S2的具体内容为：

令所获取的光学信号为f(x)，而尺度函数

和小波函数ψ(t)满足以下方程：

令

μ₁(t)＝ψ(t)，将式(5)和(6)改写为：

由此定义的函数系{μ_n(t)}_n∈z称为正交尺度函数

的正交小波包；小波包空间由

的伸缩平移张成，每个空间都由比它大1的两个子空间构成，多分辨率分解公式的算子形式为：

设利用OCT设备采集到的生物组织区域光学干涉信号

即

因此小波包的分解公式为：

将小波包分解后的分量分别记为x_i(n)，然后计算每个分量的能量特征

式中x_i(n)为分解系数序列中第i个频带，j为小波包分解层数；

计算频带能量的平均幅值

将能量特征大于平均幅值的分量视为能量特征大的分量，将其叠加进行信号重构，重构后的信号为I_{reconstruction}

所述步骤S3的具体内容为：

将重构后的信号即单列信号乘以OCT设备分辨率即为探测到的生物组织在深度上的信息，将单点的信号按照采集顺序一一排列构成二维矩阵，将其画为二维扫描图，即构成探测区域部分生物组织内部轮廓二维图。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学相干断层扫描的生物组织轮廓成像方法，其特征在于：所述步骤S1的具体内容为：

在OCT系统中，光源经参考光路后被光谱仪采集到的信号为：

I_R(A)＝S_R(k)e^2ikr (1)

式中，S_R(k)为参考光的谱功率分布函数，e^2ikr为相位，2r为参考比的光程长度，k为波数且k＝2π/λ；而样品反射光表达为：

式中，S_S(k,z)为样品反射光的谱功率分布函数，n为样品反射率；r+nz为样品在深度z上对应的光程；

当参考光和反射光发生干涉后，被系统接受并转换成干涉光谱信号为：

式(3)为真实的干涉光谱信号，而实际采集到的信号即生物组织区域光学干涉信号为：

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