CN114913199B - 一种基于oct的深度解析的横向平面运动跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于OCT的深度解析的横向平面运动跟踪方法，基于OCT圆扫描结合散斑空间过采样，可以实现深度解析的横向平面运动跟踪。得益于光学干涉，所提出的技术在执行运动跟踪时可以降低对辐照信号输入功率和目标表面反射率和粗糙度的要求。基于OCT成像的运动追踪技术可以通过配置每个OCT扫描圆的线扫描数、扫描半径和成像曝光时间，实现具有可调宽可测量范围和分辨率的深度解析横向平面运动跟踪。

Description

一种基于OCT的深度解析的横向平面运动跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种深度解析的横向平面运动跟踪技术，具体涉及一种基于OCT的深度解析的横向平面运动跟踪方法。
背景技术
运动跟踪技术，比如雷达和激光雷达在军事和科研等许多领域都有广泛的应用。这些运动跟踪技术都测量不同的物理量，并具有针对具体应用有利的分辨率和穿透范围。光学相干层析成像能够对生物组织和材料进行高分辨率、无创的层析成像。传统的运动跟踪技术，如基于激光和微波的跟踪技术，在很大程度上依赖于辐照信号在被测物体表面的反射，这对辐照信号的输入功率以及表面反射率和粗糙度有一定要求。最近，基于光学相干层析成像，几种测速技术被研究提出，包括多普勒法(Doppler)、粒子跟踪测速法(Particletracking velocimetry)、多普勒光学相干弹性成像法(Doppler optical coherenceelastography)、粒子条纹测速法(Particle streak velocimetry)等。然而，这些技术仅适用于含有运动粒子的流体流动，例如纤毛驱动的流体流动和毛细血管中的红细胞运动，时差法很难测量横向平面运动。伪截面(Pseudo en face)法使用重复圆扫描的来评估横向运动。然而，伪截面法必须进行重复的圆扫描才能获得伪圆扫描(Pseudo B-scan)和伪截面图像，严重降低了运动跟踪的时间分辨率，数据处理算法也很复杂，且不能进行深度分辨的运动跟踪。
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OCT的深度解析的横向平面运动跟踪方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于OCT的深度解析的横向平面运动跟踪方法。
通过配置OCT圆扫描线扫(A-line)扫描数、半径和成像曝光时间，实现具有可配置宽可测量范围和分辨率的深度解析横向平面运动跟踪，与传统运动跟踪技术相比具有明显的优势。同时，得益于光的干涉，在进行运动跟踪时，本发明能够更好地适应辐照信号的输入功率以及目标的表面反射率和粗糙度。在概念验证实验中，我们在胶带上测试了所提出的技术方案。
进一步的，首先进行OCT圆扫描与散斑空间过采样相结合的方法，然后进行基于OCT成像的运动跟踪技术的数据处理。
基于干涉测量技术的OCT成像不可避免地存在散斑，但OCT成像散斑也可以包含信息。对OCT线扫描进行空间频率分析可以得到OCT线扫描的空间相对频率。在我们提出的基于OCT的运动跟踪技术中，我们结合OCT圆扫描和散斑空间过采样来执行深度分辨横向平面运动跟踪。在进行OCT散斑空间采样时，可以得到由OCT散斑模式级数定义的散斑空间采样信号序列。通过进一步对散斑空间采样信号序列进行空间-频率分析，可以得到OCT散斑空间相对频率分布。因此，通过对运动目标执行OCT圆扫描，该扫描调制OCT散斑空间相对频率并导致空间相对频率的不同分布，最终实现横向平面运动跟踪。
所提出的技术的关键部分是使用的OCT扫描模式，这里使用了与散斑空间过采样相结合的OCT圆扫描。OCT圆扫描沿圆轨迹进行波束扫描，圆扫描速度为其中，r是OCT样品臂光束的圆扫描半径，te是使用的OCT曝光时间，NA是每次循环扫描的OCT圆扫描线扫描数。这里进行散斑空间过采样是为了保证相邻两条线扫之间的距离小于OCT横向光学分辨率，提高散斑空间采样频率，降低散斑空间相对频率，避免散斑空间相对频率测量饱和。
对运动速度为的运动样本执行OCT圆扫描时,OCT圆扫描光束具有样本相对运动速度/>相对运动速度随扫描位置的不同而改变。样品相对运动速度/>的变化进一步导致不同的距离d(Ai,Ai+1)在两条相邻的线扫描Ai和Ai+1之间在扫描圆中的不同位置，由公式一近似给出，其中θ是OCT圆扫描速度/>和样本的运动速度/>之间的角度，te是成像曝光时间。在进行OCT圆形扫描时，我们可以得到由包含的相应散斑模式的数学级数来定义的OCT散斑空间采样信号序列A＝[A1,A2,...,AN]，并且OCT散斑空间采样信号序列A包含不同的散斑空间相对频率f。这里的散斑空间相对频率f是指对散斑空间采样信号序列A进行空间频率分析计算得到的散斑空间频率。
公式一：
因为散斑与样本结构有关，d(Ai,Ai+1)表示位于线扫描Ai和Ai+1的散斑差异在不同的圆扫描位置发生的变化。因此，它的差异越大，它所包含的散斑空间相对频率f就越高。散斑空间采样过程中的变化距离d(Ai,Ai+1)表明散斑空间采样信号序列A中包含的散斑空间相对频率f在圆形扫描过程中发生了变化。在进行空间频率分析时，可以进一步获取散斑空间相对频率f的分布。因此，上式表明它可以通过测量圆扫描散斑空间相对频率f的幅度和分布来跟踪包含运动速度和方向的横向平面运动，如公式二所示，其中fmax和fmin是圆扫描过程中最大和最小散斑空间相对频率，Δf是fmax和fmin之差，φ是运动速度与散斑空间相对频率差的映射函数。
公式二：
表示在X-Y平面内的横向平面运动速度，α表示X轴和/>之间的角度，β是Y轴负方向与/>之间的角度,当OCT圆扫描从位置D开始时，可以表示为/>根据公式一，当样本运动/>具有与OCT圆扫描速度/>相同的运动方向，这意味着θ＝0°,距离d和散斑空间相对频率为最小值，而当采样运动速度/>与OCT圆扫描速度/>具有反向运动角度也就是说θ＝180°,距离d为最大值，散斑空间相对频率为最大值。这里我们设置它从点D开始逆时针扫描，然后是线扫描处Am1和Am2圆扫描速度的运动角度可由公式三给出，样本运动速度/>的角度α可由公式四给出：
公式三：
公式四：
获得线扫描像素索引偏移后,进一步执行像素重新对准。
进一步的，实现基于OCT的运动跟踪技术的主要数据处理流程。在结合OCT散斑空间过采样执行圆扫描后，首先去除OCT圆扫描图像的背景，然后对OCT成像深度Z(i)的像素执行加窗傅里叶变换(Windowed Fourier transform)。在执行加窗傅里叶变换并进一步获得光谱图后，将零频分量移动到光谱中心，进行颜色映射以获得空间频率分布。然后进一步进行边缘拟合，得到OCT散斑空间相对频率fmax和fmin的最大值和最小值。
公式五：
在进行空间频率分析时，高斯窗口用于加窗傅里叶变换。高斯窗口的宽度和移动的步长分别为96和10，以平衡空间和频率分辨率以及空间频率分析的时间消耗；该参数可进一步根据实际需求进行调整配置。
本发明的有益效果是，本发明提出的基于OCT成像的运动跟踪技术可以实现具有可配置测量范围和分辨率的深度解析运动跟踪。同时，利用光学干涉，所提出的基于OCT成像的运动跟踪技术可以降低进行运动跟踪时对辐照信号输入功率和目标表面反射率和粗糙度的要求，克服了传统运动跟踪方法的缺陷。除了成像之外，这种方法还可以扩展基于OCT成像的运动跟踪能力，并且对各种应用，例如生物组织的运动跟踪很有价值。
附图说明
图1为本发明具有OCT成像散斑空间过采样的圆扫描模式示意图；
图2为本发明获取OCT圆扫描散斑空间相对频率分布的主要数据处理流程示意图；
图3为本发明OCT成像系统示意图；
图4为本发明OCT圆扫描结果和相应的基于OCT成像的运动跟踪测量结果；
图5为本发明相同运动速度下不同运动方向的散斑空间相对频率测量结果；
图6为本发明的定量测量结果；
图7为本发明深度解析运动追踪测量结果。
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1-7，提供本发明的一种实施方式：
建立了一个常规的光谱域OCT(Spectral domain OCT,SD-OCT)装置作为实验硬件，其示意图如图3所示，轴向和横向光学分辨率分别为约2.5微米和8.5微米。在概念验证实验中，我们通过将成像透明胶带作为运动样本来演示基于OCT成像的运动跟踪技术的横向平面运动跟踪性能。透明胶带粘贴在二维运动台上，OCT成像曝光时间为25微秒，相应的系统灵敏度为101dB。在实验中，OCT圆扫描半径r是1毫米，每一个扫描圈使用的圆扫描线扫描数NA为4000，为了演示所提出的技术，我们使用上述参数对透明胶带样本在不同方向和深度以不同速度移动进行了OCT圆扫描。
图4显示了OCT圆扫描结果和相应的测量结果。图4(a)显示了沿X轴以20毫米每秒的速度移动透明胶带的OCT圆扫描成像结果。图4(b)显示了通过使用加窗傅里叶变换执行空间频率分析获得的相应散斑空间相对频率分布。图4(c)显示了散斑空间相对频率的振幅分布及其相应的边缘拟合。如图4(a)所示，一些位置的图像有被压缩效应现象，而一些位置的图像有被拉伸效应现象，这是由不同扫描位置处的变化的散斑空间相对频率引起的。
图5显示了当样品在横向平面内以相同速度向不同方向移动时获得的散斑空间相对频率分布。从图5中，我们可以看到不同的样本运动方向具有不同的散斑空间相对频率分布形状，并且当执行运动跟踪时，可以使用公式(4)测量运动方向。
图6显示了定量测量结果。图6(a)显示了相同运动速度不同运动方向下，测得的运动方向，图6(b)显示了样本沿同一运动方向不同运动速度，测得的散斑空间相对频率差强度。从图6可以看出，不同的运动速度具有不同的散斑空间相对频率差强度，运动方向也可以在横向平面内测量。
因为OCT具有深度分辨能力，并且所提出的技术使用图2和公式(5)中所示的深度Z(i)的横向像素值的加窗傅里叶变换，所以基于OCT成像的运动跟踪技术可以得到深度分辨的速度信息。我们还进行了实验来证明这一点。我们把两条胶带贴合在一起，两条胶带之间有超声波凝胶，以减少它们之间的表面反射。然后，我们驱动双轴运动台，以实现上层的胶带静止，而底部胶带以14毫米每秒的速度移动，并执行OCT圆扫描，如图7所示。图7(a)显示了OCT圆扫描结果，图7(b)-(e)显示了测量结果。从图7(a)可以看出，底部胶带OCT图像(相应的是底部移动的胶带)有被压缩效应现象，而某些位置的OCT图像有被拉伸效应现象；上层胶带OCT图像(对应于上层静止磁带)没有出现这种现象。图7(b)和图7(c)定量显示了OCT散斑空间相对频率的分布，图7(d)和图7(e)进一步显示了不同深度运动的测量结果。因此，图7中的结果证明，所提出的方法具有执行深度分辨横向平面运动跟踪的潜力。
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 (3)

1.一种基于OCT的深度解析的横向平面运动跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：对运动目标执行OCT圆扫描成像，扫描时使得散斑空间过采样；
S2：执行空间频率分析得到OCT线扫描的散斑空间相对频率；
S3：结合OCT圆扫描和散斑空间过采样来执行深度分辨横向平面运动跟踪；
所述步骤S1具体为：
S11：结合散斑空间过采样执行圆扫描；
S12：去除圆扫描图像的背景，对成像深度Z(i)的像素执行加窗傅里叶变换；
S13：执行加窗傅里叶变换并使用公式获得光谱图后，将零频分量移动到光谱中心，进行颜色映射以获得空间频率分布，然后进行边缘拟合，得到OCT散斑空间相对频率fmax和fmin的最大值和最小值；
所述步骤S3具体为：
OCT圆扫描沿圆轨迹进行波束扫描，圆扫描速度为其中，r是OCT样品臂光束的圆扫描半径，te是使用的OCT曝光时间，NA是每次循环扫描的OCT圆扫描线扫描数；
对运动速度为的运动样本执行OCT圆扫描,OCT圆扫描光束具有样本相对运动速度相对运动速度随扫描位置的不同而改变；
样品相对运动速度的变化导致不同的距离d(Ai,Ai+1)在两条相邻的线扫描Ai和Ai+1之间在扫描圆中的不同位置，由公式一近似给出，其中θ是OCT圆扫描速度/>和样本的运动速度/>之间的角度，te是成像曝光时间；在进行OCT圆形扫描时，得到由包含的相应散斑模式的数学级数来定义的OCT散斑空间采样信号序列A＝[A1,A2,...,AN]，并且OCT散斑空间采样信号序列A包含不同的散斑空间相对频率f；这里的散斑空间相对频率f是指对散斑空间采样信号序列A进行空间频率分析计算得到的散斑空间频率；
公式一：
因为散斑与样本结构有关，d(Ai,Ai+1)表示位于线扫描Ai和Ai+1的散斑差异在不同的圆扫描位置发生的变化；散斑空间采样过程中的变化距离d(Ai,Ai+1)表明散斑空间采样信号序列A中包含的散斑空间相对频率f在圆形扫描过程中发生了变化；在进行空间频率分析时，可以获取散斑空间相对频率f的分布；因此，上式表明它可以通过测量圆扫描散斑空间相对频率f的幅度和分布来跟踪包含运动速度和方向的横向平面运动，如公式二所示，其中fmax和fmin是圆扫描过程中最大和最小散斑空间相对频率，Δf是fmax和fmin之差，φ是运动速度与散斑空间相对频率差的映射函数；
公式二：
表示在X-Y平面内的横向平面运动速度，α表示X轴和/>之间的角度，β是Y轴负方向与/>之间的角度,当OCT圆扫描从位置D开始时，可以表示为/>根据公式一，当样本运动/>具有与OCT圆扫描速度/>相同的运动方向，这意味着θ＝0°,距离d和散斑空间相对频率为最小值，而当采样运动速度/>与OCT圆扫描速度/>具有反向运动角度也就是说θ＝180°,距离d为最大值，散斑空间相对频率为最大值；这里我们设置它从点D开始逆时针扫描，然后是线扫描处Am1和Am2圆扫描速度的运动角度可由公式三给出，样本运动速度/>的角度α可由公式四给出：
公式三：
公式四：
获得线扫描像素索引偏移后,执行像素重新对准。
2.根据权利要求1所述的一种基于OCT的深度解析的横向平面运动跟踪方法，其特征在于：所述步骤S13具体为：在结合OCT散斑空间过采样执行圆扫描后，首先去除OCT圆扫描图像的背景，然后对OCT成像深度Z(i)的像素执行加窗傅里叶变换(Windowed Fouriertransform)；在执行加窗傅里叶变换并获得光谱图后，将零频分量移动到光谱中心，进行颜色映射以获得空间频率分布；然后进行边缘拟合，得到OCT散斑空间相对频率fmax和fmin的最大值和最小值；
公式五：
在进行空间频率分析时，高斯窗口用于加窗傅里叶变换。
3.根据权利要求1所述的一种基于OCT的深度解析的横向平面运动跟踪方法，其特征在于：所述步骤S3还包括以下步骤，使用了与散斑空间过采样相结合的圆扫描，OCT沿圆轨迹进行波束扫描，通过测量圆扫描散斑空间相对频率f的强度和分布来跟踪包含运动速度和方向的横向平面运动。
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