CN113984713A - 基于单线扫的光学相干层析成像色散失配探测及补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学相干层析成像（Optical coherence tomography,OCT）领域，具体公开了一种基于单线扫的光学相干层析成像色散失配探测及补偿方法，本发明提出的指数通过计算单线扫（Single A‑line）频谱图中亮线的线斜率,实现色散失配探测及补偿。通过使用新的色散失配指数，所提出的单线扫色散失配探测及补偿技术仅需使用单线扫，可以实现快速地、可视化地探测傅里叶域光学相干层析成像（Fourier‑domain optical coherence tomography,FD‑OCT）设置的色散失配状态并执行基于单线扫的、对样本结构无依赖(Sample‑structure‑nondependent,SSNd)的色散失配补偿方法。

Description

基于单线扫的光学相干层析成像色散失配探测及补偿方法
技术领域
本发明属于光学相干层析成像技术领域，具体涉及一种基于单线扫的光学相干层析成像色散失配探测及补偿方法。
背景技术
OCT可以实现强大的无创、高分辨率的生物组织和材料三维成像，已广泛应用于生物医学等领域。在新一代的FD-OCT中使用超宽带光源进行高分辨率成像存在的一个困难是色散失配。当样品臂(Sample arm)和参考臂(Reference arm)含有不同长度的光色散介质时，会发生色散失配，进而恶化FD-OCT系统轴向点扩散函数的半峰全宽(Full width athalf maxima，FWHM)，导致成像分辨率降低。因此，色散补偿对于实现OCT的高分辨率起着至关重要的作用，尤其是对于高分辨率OCT来说。在过去的几十年里，人们提出并研究了各种色散补偿方法。有基于硬件的方法，如在一个臂中增加弥散补偿材料、使用双光纤拉伸器和使用声光调制器；有基于软件的方法，如分数傅里叶变换法、相项法、MSI法、色散校准法和网格搜索法等。
然而，基于硬件的方法操作不便，适用性差，需要较高的硬件成本；基于软件的方法经常受到散斑和样品结构的影响。同时，这些传统的基于硬件和基于软件的方法无法可视化地指示色散失配状态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于单线扫的光学相干层析成像色散失配探测及补偿方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
基于单线扫的光学相干层析成像色散失配探测及补偿方法，包括以下步骤：
S1：探测色散失配并进行可视化：对单线扫原始数据进行谱空间分析，利用加窗傅里叶变换得到频谱图；然后将频谱图进行二值化和骨架化处理；检测出频谱图中的线并对其进行数值拟合；计算出线的斜率，所述斜率表示色散失配指数；
S2：进行色散补偿：向单线扫原始数据中引入了补偿相位，所述补偿相位公式如下：
Φ＝-a2(ω-ω0)2-a3(ω-ω0)3；
S3：将进行色散补偿后的频谱重复步骤S1的步骤，当频谱中斜率不为0时，重复步骤S2，当频谱中斜率为0时，步骤终止，通过重复步骤进行色散补偿实现了快速色散失配补偿。
进一步的，所述步骤S1还包括对单线扫原始数据进行谱空间分析的方法：线扫中的一个亮点对应单线扫频谱图中的一条线，所述线的线斜率值表示所述亮点成像深度下的色散失配状态，所以线扫不同点对应的频谱图中不同线用于可视化地显示不同成像深度的色散失配。
本发明的有益效果是：
1)本发明无需获取和处理OCT(Optical coherence tomography，OCT)帧扫描数据，仅需使用单线扫数据。本发明对样本结构无依赖，通过使用新提出的色散失配指数即可快速地、可视化地实现色散失配探测和补偿。
附图说明
图1为本发明单线扫的色散失配探测的步骤流程图；
图2为本发明色散失配补偿的步骤流程图；
图3为本发明实施例实验装置结构图；
图4为本发明实施例未使用本发明和使用本发明的镜面玻璃的单线扫频谱对比图和OCT对比图；
图5为本发明实施例未使用本发明和使用本发明的光学窗口玻璃的单线扫频谱对比图和OCT对比图；
图6为本发明实施例未使用本发明和使用本发明的人体皮肤的单线扫频谱对比图和OCT对比图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：基于单线扫的光学相干层析成像色散失配探测及补偿方法，包括以下步骤：
S1：探测色散失配并进行可视化：对单线扫原始数据进行谱空间分析，利用加窗傅里叶变换得到频谱图；然后将频谱图进行二值化和骨架化处理；检测出频谱图中的线并对其进行数值拟合；计算出线的斜率，所述斜率表示色散失配指数；
S2：进行色散补偿：向单线扫原始数据中引入了补偿相位，所述补偿相位公式如下：
Φ＝-a2(ω-ω0)2-a3(ω-ω0)3；
S3：将进行色散补偿后的频谱重复步骤S1的步骤，当频谱中斜率不为0时，重复步骤S2，当频谱中斜率为0时，步骤终止，通过重复步骤进行色散补偿实现了快速色散失配补偿。
进一步的，所述步骤S1还包括对单线扫原始数据进行谱空间分析的方法：线扫中的一个亮点对应单线扫频谱图中的一条线，所述线的线斜率值表示所述亮点成像深度下的色散失配状态，所以线扫不同点对应的频谱图中不同线用于用于可视化地显示不同成像深度的色散失配。
为更清楚的对本发明进行进一步的说明，本实施例构建了一个频谱域OCT(Spectral-domain OCT，SD-OCT)来进行说明，如图3所示；光源采用中心波长为850nm，半峰全宽为160nm的宽带光源(Superlum Broadlighters T-850-HP)，输出光束被一个50：50的光纤耦合器(TW850R5A2，Thorlabs)分束到样本臂和参考臂。干涉光进入光谱仪(Cobra-S800，Wasatch Photonics)，光谱仪探测到的信号被传输至计算机中。在实验中，光谱仪中具有2048个像素的相机和二维扫描振镜(Galvanometer，GVSM002-EC，Thorlabs)都通过计算机生成的触发信号进行同步。曝光时间为50μs，灵敏度为102dB。该装置在空气中的轴向分辨率为～2.5μm，横向分辨率为～3μm。
通过对不同样本进行实验，以证明该技术的性能。首先进行了镜面玻璃和0.5mm厚度的光学窗口玻璃的成像实验。在对镜面玻璃成像时，在样品臂添加了一个中性密度滤光片，以避免相机曝光饱和。图4和图5分别为镜面玻璃和光学窗口玻璃的频谱图及对应的OCT图像。实验获得了800条线扫的帧扫描数据，然后在帧扫描数据中选择中心线扫进行色散失配探测和补偿。但值得注意的是，任何来自帧扫描的线扫都可以用于该方法，不局限于中心线扫。为了得到线扫的频谱图，使用加窗傅里叶变换对线扫数据进行处理。当使用加窗傅里叶变换进行光谱空间分析时，如果使用0.25nm的步长移动高斯窗口，会导致频谱图的轴向分辨率降低。为了平衡光谱分辨率和空间分辨率，采用了步长为0.43nm的窗口。频谱图的轴向分辨率约为6.4μm@850nm。
图4中分别为未采用本发明进行色散补偿和采用本发明进行色散补偿的镜面玻璃的线扫频谱图和对应的OCT图像。从图4可以看出，当发生色散失配时，频谱图中的直线是倾斜的，而当良好补偿了色散失配时，频谱图中的直线斜率为0。由此可见，该技术仅用单线扫数据就能探测色散失配，并能实现探测结果的可视化，更进一步地，仅使用单线扫数据就能很好地进行色散补偿。
图5分别为厚度为0.5mm的光学窗口玻璃在未采用本发明进行色散补偿和采用本发明进行色散补偿的中心线扫频谱图和OCT图像。可以看到图5中显示有两条直线，两条直线分别表示了光学窗口的表面和底面的色散失配状态。从图5可以看出，本发明仅用单线扫数据就可以实现深度解析的色散失配探测，并实现探测结果的可视化。
为了证明本发明能够很好地对复杂结构样本进行色散失配探测和补偿，本实例提供了本发明在人体皮肤上实验的实施案例，如图6所示。图6中分别为未采用本发明进行色散补偿和采用本发明进行色散补偿的人体皮肤的中心线扫频谱图和对应的OCT图像。在图6中，我们可以看到在对人体皮肤进行实验时，出现了相同现象：色散失配时频谱图中的直线是倾斜的，而良好补偿色散失配时频谱图中的直线是倾斜的。人体皮肤中的汗腺在使用本发明进行色散补偿后清晰可见，而在人体皮肤中的汗腺在使用本发明进行色散补偿前却是模糊不清的，这说明本发明仅使用单线扫数据就可以很好地实现复杂结构样本的可视化快速色散失配探测和补偿。
为了验证本发明能够快速进行色散失配探测和补偿，本实例进一步比较了使用帧扫描的光谱分析和本发明提出的单线扫的色散失配及补偿技术的处理时间。使用镜面玻璃实验中的数据进行处理，通过在计算机工作站(Intel(R)Xeon(R)Silver 4114CPU@2.20GHz，64.0GB RAM)上运行MATLAB代码，使用帧扫描的方法耗时约为506.78秒，而本发明仅需1.11s即可得到补偿结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.基于单线扫的光学相干层析成像色散失配探测及补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：探测色散失配并进行可视化：对单线扫原始数据进行谱空间分析，利用加窗傅里叶变换得到频谱图；然后将频谱图进行二值化和骨架化处理；检测出频谱图中的线并对其进行数值拟合；计算出线的斜率，所述斜率表示色散失配指数；
S2：进行色散补偿：向单线扫原始数据中引入了补偿相位，所述补偿相位公式如下：
Φ＝-a2(ω-ω0)2-a3(ω-ω0)3；
S3：将进行色散补偿后的频谱重复步骤S1的步骤，当频谱中斜率不为0时，重复步骤S2，当频谱中斜率为0时，步骤终止。
2.根据权利要求1所述的基于单线扫的光学相干层析成像色散失配探测及补偿方法，其特征在于：所述步骤S1还包括对单线扫原始数据进行谱空间分析的方法：线扫中的一个亮点对应单线扫频谱图中的一条线，所述线的线斜率值表示所述亮点成像深度下的色散失配状态，线扫不同点对应的频谱图中不同线用于可视化的显示不同成像深度的色散失配。
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