CN116818717B - 谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法及系统，涉及谱域光学相干层析成像领域，方法包括：步骤S1、以第一样品获取A‑scan光谱干涉信号及非线性相位ε(k)；步骤S2、以第二样品获取B‑scan光谱干涉信号及第二样品的切面分布图，定义图像评估函数C.V=标准差/平均值；步骤S3、定义优化系数θ，并得到第二样品新的切面分布图；步骤S4、定义优化区间[θs，θe]；步骤S5、确定N个属于优化区间的优化系数θN，从各图像评估函数值中选择最小的两个值，将其所对应的优化系数分别赋值给θs和θe，若θe‑θs>M，则进入步骤S4，否则，选择θs为最佳的优化系数；步骤S6、将θs和ε(k)输入SD‑OCT系统中。本发明无需其他硬件装置进行校准，迭代次数小，能够有效提高成像的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及谱域光学相干层析成像领域，具体涉及谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法及系统。
背景技术
光学相干层析成像技术(OCT)是一种高精度、高速度和非入侵的光学成像技术，在生物、医学等领域有广泛的应用，其中谱域光学相干层析成像（SD-OCT）不需要机械臂扫描来改变光程差，使该这两种方法具有更高的探测速度和信噪比，由于SD-OCT把光谱干涉信号在空间域分开，在处理光谱干涉信号时需要提供准确的波长分布数据，但若波长数据存在误差，随着测量深度的增大，测量结果的纵向分辨率降低，导致系统无法准确地分辨样品中相邻结构或细微特征。
为了获得干涉信号中准确的波长分布以使测量数据更为准确，通常需要对波长做精确的校准，而为了克服波长校准误差，现有技术中存在硬件校准和软件校准两种方式。对于SD-OCT，硬件校准的方法主要包括：使用具有已知的特征谱线的光源作为校准光源，建立探测器像素点与波长分布的多项式关系；在SD-OCT光源后加入单色仪，控制输出波长，建立探测器像素点与波长分布的多项式关系；SD-OCT系统的光谱探测系统探测的干涉信号与标准光谱仪探测的干涉信号做相关运算，建立探测器像素点与波长分布的多项式关系。这些硬件校准的方法均需要额外的转置进行测控，使用不便。通过软件的方法则是模拟探测器像素点与波长分布的多项式关系，对干涉信号进行迭代，当多项式各系数选取正确时，探测结果具有较高的纵向分辨率，成像的锐度较高。但像素点与波长分布的通常用3阶多项式表达，这需要同时迭代4个系数以获取正确的像素点与波长分布关系，运算量较大。
发明内容
本发明提出谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法及系统，无需其他硬件装置进行校准，迭代次数小，运算量小，能够有效提高成像的分辨率。
本发明通过以下技术方案实现：
谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法，包括如下步骤：
步骤S1、以反射镜作为第一样品，使用SD-OCT系统检测A-scan光谱干涉信号S(k)，获取该A-scan光谱干涉信号S(k)对应的非线性相位ε(k)，其中，k是波数；
步骤S2、以在不同深度均有反射信号的物品作为第二样品，用SD-OCT系统检测B-scan光谱干涉信号，将B-scan光谱干涉信号中的各A-scan干涉信号以I(k)表示，根据B-scan光谱干涉信号得到第二样品的切面分布图，计算该切面分布图灰度的平均值和标准差，并定义图像评估函数C.V=标准差/平均值；
步骤S3、定义优化系数θ，将B-scan中的所有的A-scan干涉信号的横坐标k以k+θε(k)代替，得到修正后的光谱干涉信号I[k+θε(k)]，根据该光谱干涉信号得到第二样品新的切面分布图；
步骤S4、定义优化区间[θs，θe]，当θ=θs时，计算得到图像评估函数值C.V=xs，当θ=θe时，计算得到图像评估函数值C.V=xe；
步骤S5、通过相邻两区间长度之比为0.618确定N个属于优化区间的优化系数θN，分别使用各θN得到不同的光谱干涉信号I[k+θNε(k)]，进而得到N个图像评估函数值，从该N个图像评估函数值以及图像评估函数值C.V=xs和图像评估函数值C.V=xe中选择最小的两个值，将这两个值所对应的优化系数分别赋值给θs和θe，若θe-θs>M，则进入步骤S4，否则，选择θs为最佳的优化系数；其中，N取值为整数，M取值范围为M≤1×10-7；
步骤S6、将最佳的优化系数θs和ε(k)输入SD-OCT系统中，实现对波长校准误差的补偿。
进一步的，所述步骤S5中，N取值为3，通过公式(θs-θ1)/(θ1-θe)=0.618确定优化系数θ1，通过公式(θs-θ2)/(θ2-θ1)=0.618确定优化系数θ2，通过公式(θ1-θ3)/(θ3-θe)=0.618确定优化系数θ3。
进一步的，所述步骤S1中，通过傅里叶变换得到所述A-scan光谱干涉信号S(k)的相位部分，并通过最小二乘法得到相位部分的非线性相位ε(k)。
进一步的，步骤S2中，所述第二样品包括多层胶带或者生物组织。
进一步的，所述步骤S2中，对所述B-scan光谱干涉信号作傅里叶变换，得到所述切面分布图。
进一步的，所述步骤S4中，根据实验设置θs=1×10-7，θe=1×10-4。
进一步的，所述步骤S3中，对所述光谱干涉信号I[k+θNε(k)]进行傅里叶变换得到新的切面分布图，图像评估函数由新的切面分布图的标准差和平均值计算。
本发明还通过以下技术方案实现：
基于如上任一所述的补偿方法的谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿系统，包括：
非线性相位获取模块：用于以反射镜作为第一样品，使用SD-OCT系统检测A-scan光谱干涉信号S(k)，获取该A-scan光谱干涉信号S(k)对应的非线性相位ε(k)，其中，k是波数;
图像评估函数定义模块：用于以在不同深度均有反射信号的物品作为第二样品，用SD-OCT系统检测B-scan光谱干涉信号，将B-scan光谱干涉信号中的各A-scan干涉信号以I(k)表示，根据B-scan光谱干涉信号得到第二样品的切面分布图，计算该切面分布图灰度的平均值和标准差，并定义图像评估函数C.V=标准差/平均值；
优化系数选择模块：定义优化系数θ，将B-scan中的所有的A-scan干涉信号的横坐标k以k+θε(k)代替，得到修正后的光谱干涉信号I[k+θε(k)]，根据该光谱干涉信号得到第二样品新的切面分布图；定义优化区间[θs，θe]，当θ=θs时，计算得到图像评估函数值C.V=xs，当θ=θe时，计算得到图像评估函数值C.V=xe；通过相邻两区间长度之比为0.618确定N个属于优化区间的优化系数θN，分别使用各θN得到不同的光谱干涉信号I[k+θNε(k)]，进而得到N个图像评估函数值，从该N个图像评估函数值以及图像评估函数值C.V=xs和图像评估函数值C.V=xe中选择最小的两个值，将这两个值所对应的优化系数分别赋值给θs和θe，若θe-θs>M，则进入步骤S4，否则，选择θs为最佳的优化系数；其中，N取值为整数，M取值范围为M≤1×10-7；
补偿模块：用于将最佳的优化系数θs和ε(k)输入SD-OCT系统中，实现对波长校准误差的补偿。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明在不增加硬件复杂度的情况下对波长校准误差进行修正，即使OCT产品出厂后出现零件老化或者松动的情况导致波长校准误差，也不需要额外硬件设备或返厂维修，使用反射镜作为第一样品测量一组A-scan干涉信号，再以在不同深度均有反射信号的物品作为第二样品测量一组B-scan信号即可进行迭代优化，易于实现，更快捷方便；本发明通过探测存在光谱校准误差的光谱干涉信号的非线性相位分量项来修正光谱校准误差，通过迭代获得一个最优的误差补偿优化系数，现有技术中的迭代算法通常需要对3阶多项式的4个系数进行处理以获得正确的像素点与波长分布关系，相较于现有技术，本发明提供的算法大幅度减少了迭代的运算量；得到最佳优化优化系数和非线性相位后存储到SD-OCT系统中，再使用该系统测量其他样品时，直接使用存储数据对光谱干涉信号进行修正，运算速度快，实时性较高。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的详细流程图。
图3为多层胶带采用本发明校正前的成像图。
图4为多层胶带采用本发明校正后的成像图。
具体实施方式
如图1和图2所示，谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法，包括如下步骤：
步骤S1、以反射镜作为第一样品，使用SD-OCT系统检测A-scan光谱干涉信号S(k)，获取该A-scan光谱干涉信号S(k)对应的非线性相位ε(k)，其中， k是波数，更具体地，通过傅里叶变换得到所述A-scan光谱干涉信号S(k)的相位部分，并通过最小二乘法得到相位部分的非线性相位ε(k)；
步骤S2、以在不同深度均有反射信号的物品作为第二样品，用SD-OCT系统检测B-scan光谱干涉信号，将B-scan光谱干涉信号中的各A-scan干涉信号以I(k)表示，根据B-scan光谱干涉信号得到第二样品的切面分布图，计算该切面分布图灰度的平均值和标准差，并定义图像评估函数C.V=标准差/平均值；在本实施例中，第二样品选择为多层胶布，在其他实施例中，第二样品也可以为生物组织（如皮肤）；
步骤S3、定义优化系数θ，将B-scan中的所有的A-scan干涉信号的横坐标k以k+θε(k)代替，得到修正后的光谱干涉信号I[k+θε(k)]，根据该光谱干涉信号得到第二样品新的切面分布图，图像评估函数C.V则由新的切面分布图的标准差和平均值计算；
步骤S4、定义优化区间[θs，θe]，当θ=θs时，计算得到图像评估函数值C.V=xs，当θ=θe时，计算得到图像评估函数值C.V=xe，在本实施例中，根据实验设置θs=1×10-7，θe=1×10-4；
步骤S5、通过相邻两区间长度之比为0.618确定N个属于优化区间的优化系数θN，分别使用各θN得到不同的光谱干涉信号I[k+θNε(k)]，进而得到N个图像评估函数值，从该N个图像评估函数值以及图像评估函数值C.V=xs和图像评估函数值C.V=xe中选择最小的两个值，将这两个值所对应的优化系数分别赋值给θs和θe，若θe-θs>M，则进入步骤S4，否则，选择θs为最佳的优化系数；其中，N取值为整数，M取值范围为M≤1×10-7，本实施例中，M=1×10-7；
更具体地，在本实施例中，N取值为3，首先确定优化系数θ1，其将优化区间[θs，θe]分为两段，即为[θs，θ1，θe]，此时通过公式(θs-θ1)/(θ1-θe)=0.618确定优化系数θ1，然后确定优化系数θ2，优化系数θ2将区间[θs，θ1]分为两段，通过公式(θs-θ2)/(θ2-θ1)=0.618确定优化系数θ2，最后确定优化系数θ3，优化系数θ3将区间[θ1，θe]分为两段，通过公式(θ1-θ3)/(θ3-θe)=0.618确定优化系数θ3，分别对应于N=3个优化系数θ1、θ2、θ3的图像评估函数值为x1、x2、x3，从xs、xe、x1、x2、x3中选取最小的两个值对应的优化系数作为优化区间新的边界，例如，x1与x2是最小的两个值，其对应的优化系数为θ1与θ2，则令θs=θ1、θe=θ2，进而得到优化区间[θs，θe]新的边界；
步骤S6、将最佳的优化系数θs和ε(k)输入SD-OCT系统中，即可将任意测量样品的光谱干涉信号F(k)修正为F[k+θsε(k)]，实现对波长校准误差的补偿。
对应的，谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿系统包括如下模块：
非线性相位获取模块：用于以反射镜作为第一样品，使用SD-OCT系统检测A-scan光谱干涉信号S(k)，获取该A-scan光谱干涉信号S(k)对应的非线性相位ε(k)，其中， k是波数;
图像评估函数定义模块：用于以在不同深度均有反射信号的物品作为第二样品，用SD-OCT系统检测B-scan光谱干涉信号，将B-scan光谱干涉信号中的各A-scan干涉信号以I(k)表示，根据B-scan光谱干涉信号得到第二样品的切面分布图，计算该切面分布图灰度的平均值和标准差，并定义图像评估函数C.V=标准差/平均值；
优化系数选择模块：定义优化系数θ，将B-scan中的所有的A-scan干涉信号的横坐标k以k+θε(k)代替，得到修正后的光谱干涉信号I[k+θε(k)]，根据该光谱干涉信号得到第二样品新的切面分布图；定义优化区间[θs，θe]，当θ=θs时，计算得到图像评估函数值C.V=xs，当θ=θe时，计算得到图像评估函数值C.V=xe；通过相邻两区间长度之比为0.618确定N个属于优化区间的优化系数θN，分别使用各θN得到不同的光谱干涉信号I[k+θNε(k)]，进而得到N个图像评估函数值，从该N个图像评估函数值以及图像评估函数值C.V=xs和图像评估函数值C.V=xe中选择最小的两个值，将这两个值所对应的优化系数分别赋值给θs和θe，若θe-θs>M，则进入步骤S4，否则，选择θs为最佳的优化系数；其中，N取值为整数，M取值范围为M≤1×10-7；
补偿模块：用于将最佳的优化系数θs和ε(k)输入SD-OCT系统中，实现对波长校准误差的补偿。
当光谱校准存在误差时，对多层胶带进行成像如图3所示，可见随着深度的增大分辨率降低；采用本方法对光谱干涉信号进行校正后，如图4所示，随着深度的增大，两层胶带粘连处成像依旧清晰，分辨率较高，因此本方法可有效提高成像的分辨率，降低光谱校准误差带来的影响。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (8)
1.谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1、以反射镜作为第一样品，使用SD-OCT系统检测A-scan光谱干涉信号S(k)，获取该A-scan光谱干涉信号S(k)对应的非线性相位ε(k)，其中，k是波数；
步骤S2、以在不同深度均有反射信号的物品作为第二样品，用SD-OCT系统检测B-scan光谱干涉信号，将B-scan光谱干涉信号中的各A-scan干涉信号以I(k)表示，根据B-scan光谱干涉信号得到第二样品的切面分布图，计算该切面分布图的灰度平均值和标准差，并定义图像评估函数C.V=标准差/平均值；
步骤S3、定义优化系数θ，将B-scan中的所有的A-scan干涉信号的横坐标k以k+θε(k)代替，得到修正后的光谱干涉信号I[k+θε(k)]，根据该光谱干涉信号得到第二样品新的切面分布图；
步骤S4、定义优化区间[θs，θe]，当θ=θs时，计算得到图像评估函数值C.V=xs，当θ=θe时，计算得到图像评估函数值C.V=xe；
步骤S5、通过相邻两区间长度之比为0.618确定N个属于优化区间的优化系数θN，分别使用各θN得到不同的光谱干涉信号I[k+θNε(k)]，进而得到N个图像评估函数值，从该N个图像评估函数值以及图像评估函数值C.V=xs和图像评估函数值C.V=xe中选择最小的两个值，将这两个值所对应的优化系数分别赋值给θs和θe，若θe-θs>M，则进入步骤S4，否则，选择θs为最佳的优化系数；其中，N取值为整数，M取值范围为M≤1×10-7；
步骤S6、将最佳的优化系数θs和ε(k)输入SD-OCT系统中，实现对波长校准误差的补偿。
2.根据权利要求1所述的谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法，其特征在于：所述步骤S5中，N取值为3，通过公式(θs-θ1)/(θ1-θe)=0.618确定优化系数θ1，通过公式(θs-θ2)/(θ2-θ1)=0.618确定优化系数θ2，通过公式(θ1-θ3)/(θ3-θe)=0.618确定优化系数θ3。
3.根据权利要求1所述的谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法，其特征在于：所述步骤S1中，通过傅里叶变换得到所述A-scan光谱干涉信号S(k)的相位部分，并通过最小二乘法得到相位部分的非线性相位ε(k)。
4.根据权利要求1或2或3所述的谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法，其特征在于：步骤S2中，所述第二样品包括多层胶带或者生物组织。
5.根据权利要求1或2或3所述的谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法，其特征在于：所述步骤S2中，对所述B-scan光谱干涉信号作傅里叶变换，得到所述切面分布图。
6.根据权利要求1或2或3所述的谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据实验设置θs=1×10-7，θe=1×10-4。
7.根据权利要求1或2或3所述的谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿方法，其特征在于：所述步骤S3中，对所述光谱干涉信号I[k+θNε(k)]进行傅里叶变换得到新的切面分布图，图像评估函数由新的切面分布图灰度的标准差和平均值计算。
8.基于权利要求1-7任一所述的补偿方法的谱域光学相干层析成像中波长校准误差的补偿系统，其特征在于：包括：
非线性相位获取模块：用于以反射镜作为第一样品，使用SD-OCT系统检测A-scan光谱干涉信号S(k)，获取该A-scan光谱干涉信号S(k)对应的非线性相位ε(k)，其中，k是波数;
图像评估函数定义模块：用于以在不同深度均有反射信号的物品作为第二样品，用SD-OCT系统检测B-scan光谱干涉信号，将B-scan光谱干涉信号中的各A-scan干涉信号以I(k)表示，根据B-scan光谱干涉信号得到第二样品的切面分布图，计算该切面分布图的平均值和标准差，并定义图像评估函数C.V=标准差/平均值；
优化系数选择模块：定义优化系数θ，将B-scan中的所有的A-scan干涉信号的横坐标k以k+θε(k)代替，得到修正后的光谱干涉信号I[k+θε(k)]，根据该光谱干涉信号得到第二样品新的切面分布图；定义优化区间[θs，θe]，当θ=θs时，计算得到图像评估函数值C.V=xs，当θ=θe时，计算得到图像评估函数值C.V=xe；通过相邻两区间长度之比为0.618确定N个属于优化区间的优化系数θN，分别使用各θN得到不同的光谱干涉信号I[k+θNε(k)]，进而得到N个图像评估函数值，从该N个图像评估函数值以及图像评估函数值C.V=xs和图像评估函数值C.V=xe中选择最小的两个值，将这两个值所对应的优化系数分别赋值给θs和θe，若θe-θs>M，则进入步骤S4，否则，选择θs为最佳的优化系数；其中，N取值为整数，M取值范围为M≤1×10-7；
补偿模块：用于将最佳的优化系数θs和ε(k)输入SD-OCT系统中，实现对波长校准误差的补偿。
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