CN204562099U - 基于复数互相关的微血管光学造影及抖动补偿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于复数互相关的微血管光学造影及抖动补偿系统，该系统包括光源模块、宽带光纤耦合器、参考臂模块、样品臂模块和采集、处理模块；参考臂模块包括第一偏振控制器、第一光纤准直器、聚焦透镜和平面反射镜；样品臂模块包括第二偏振控制器、第二光纤准直器、二维扫描振镜、物镜和样品；本实用新型因此具有更高的灵敏度和对比度。

Description

基于复数互相关的微血管光学造影及抖动补偿系统

技术领域

本实用新型涉及光学相干层析成像技术以及微血管光学造影成像技术，尤其涉及一种基于复数互相关的微血管光学造影及抖动补偿方法与系统。

技术背景

OCT成像技术是一种具有临床价值的新型低相干成像技术，近几年来，它凭借其非接触性，非侵害性，高灵敏度以及高分辨率等优点，被众多国内外科研团队深入研究。OCT主要通过探测由于生物样品光学不均匀性所导致的背向散射光光强的变化来获得样品的结构图像，然而多数情况下，尤其在疾病的早期阶段，正常的生物组织和病变的生物组织间散射特性的区别很小且难以检测，因此，这种单一成像机制在临床应用上存在许多局限性。为了发掘能反映除了生物样品组织结构之外，更多其他生理信息的对比机制，功能拓展型的OCT技术得到了蓬勃发展。

大多数疾病的发生与血管的病变息息相关，因此，如果能够实时监测血管的状态，便有可能实现疾病的早期控制。微血管光学造影作为一种能实时地从静态组织背景中高精度提取血流信号的新型技术得到了格外重视，并在眼底血流成像和脑皮层血流成像领域取得了成功。然而，在活体成像过程中，生物体的自发呼吸、心跳等生理活动会造成组织的整体抖动，进而导致最终血管图像的对比度下降。这种组织整体抖动一般有两种表现形式，一是由较大抖动导致的图像整体错移，二是由微小抖动导致的相位整体扰动。因此，如何抑制组织抖动所造成的相位整体扰动和图像整体错移是当前微血管光学造影成像技术的研究重点之一。

目前的微血管光学造影成像技术，大致可以分为两大类，一类基于差分算法，一类基于互相关算法。基于差分的微血管光学造影，主要通过对样品相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的OCT复解析数据作差分运算，来实现静态背景信号的抑制和动态血流信号的提取，具有很高的灵敏度。其差分算法又可以进一步细分为复数差分算法和强度差分算法。相较于强度差分，复数差分具有更高的灵敏度和对比度，但同时也因为对相位极度灵敏，很容易受相位整体扰动的影响，因此需要额外的复杂的算法来补偿相位，大大增加了计算机的运算工作量，不利于实时成像。此外，基于差分的微血管光学造影还存在一个问题：由于光在组织中传播时，其强度随深度呈指数递减，因此浅层残留的静态背景信号强度，与深层的动态血流信号强度相当，从而导致最终的en face投影图上的血管会被静态背景掩盖，降低了图像对比度。基于互相关的微血管光学造影，较好的解决了这个问题，该技术主要通过分析样品相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的OCT复解析数据间的相关程度，来实现低相关度的血流信号与高相关度的背景信号分离的目的，因此对残留的静态的组织结构有很好的抑制作用。目前运用最广泛的是基于强度互相关的微血管光学造影，该方法对相位不敏感，因此不用考虑实际成像中，相位整体扰动带来的问题，但同时也因为舍弃了OCT复解析数据中的相位信息，导致最终血流图像的灵敏度和对比度都不是很高。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于复数互相关的微血管光学造影及抖动补偿方法与系统。本实用新型：1)利用OCT，以一定时间间隔，对同一空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置进行多次重复成像，一般采用线间重复(inter-line)、帧间重复(inter-frame)、体间重复(inter-volume)等形式。2)对OCT复解析数据进行互相关分析，矫正由于组织抖动造成的图像整体错移。3)对OCT复解析数据进行互相关分析，提取局部血流信号。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于复数互相关的微血管光学造影及抖动补偿方法:

1)在OCT系统中，通过同步控制扫描振镜与图像探测采集的驱动电路，实现以一定时间间隔，对同一空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置进行多次重复成像；所述OCT系统包括光谱域OCT系统和扫频光源OCT系统；所述的重复成像包括线间重复(inter-line)、帧间重复(inter-frame)和体间重复(inter-volume)。

2)对相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的OCT复解析数据进行互相关分析，估计并补偿图像的整体错移量。此时，复数互相关运算在包含图像特征区域的空间窗口内进行，当存在由于组织抖动而造成的图像整体错移时，窗口内的互相关值偏小，通过连续改变图像间的整体错移量，使窗口内的互相关值最大化，从而实现图像整体错移的补偿。

3)对相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的OCT复解析数据进行互相关分析：静态组织背景具有较强的时间相关性，而动态的血流则具有较弱的时间相关性，以此为判断依据，从OCT三维数据中提取血流信号。为了提高血流信号的信噪比(SNR)：i在复数互相关运算中选取一定大小的空间窗口，所述的空间窗口在每个空间方向<10个像素，否则会降低局部血流信号的空间分辨能力。ii如果重复成像次数N>2，则将处理得到的N-1幅血流图像平均。此外，针对OCT强度信号，以一定阈值进行二值化并空间滤波，生成一个结构掩膜，用此掩膜处理得到的血流图像，以提高血流图像的对比度。

一种基于复数互相关的微血管光学造影及抖动补偿系统，包括光源模块、宽带光纤耦合器、参考臂模块、样品臂模块和采集、处理模块；参考臂模块包括第一偏振控制器、第一光纤准直器、聚焦透镜和平面反射镜；样品臂模块包括第二偏振控制器、第二光纤准直器、二维扫描振镜、物镜和样品；

光源模块与宽带光纤耦合器的一个输入端相连，宽带光纤耦合器的一个输出端通过第一偏振控制器与第一光纤准直器连接，聚焦透镜位于光纤准直器的出射光路上，平面反射镜位于聚焦透镜的后焦面，宽带光纤耦合器的另一个输出端通过第二偏振控制器与第二光纤准直器连接，二维扫描振镜的入射端面位于第二光纤准直器的出射光路上，物镜位于二维扫描振镜的出射光路上，样品位于物镜的后焦面，宽带光纤耦合器的另一个输入端与采集、处理模块连接。

光源模块发出的低相干光经宽带光纤耦合器分光后，一部分光通过第一偏振控制器进入参考臂模块，另一部分光通过第二偏振控制器进入样品臂模块，进入参考臂模块的光经第一光纤准直器和聚焦透镜后，聚焦在平面反射镜上，然后沿原路返回至宽带光纤耦合器；进入样品臂模块的光经第二光纤准直器，二维扫描振镜，物镜后，聚焦在待测样品上。从样品返回的背向散射光与从平面反射镜返回的光，在宽带光纤耦合器中混合干涉，干涉信号由模块采集并处理。

与背景技术相比，本实用新型具有的有益效果是：

1、相较于传统的基于强度互相关的微血管光学造影，本实用新型同时融合了OCT复解析数据中强度信息和相位信息，因此具有更高的灵敏度和对比度。

2、相较于传统的基于复数差分的微血管光学造影，本实用新型虽然也对相位极度灵敏，但却不受相位整体扰动的影响，因此不需要额外的复杂的相位补偿算法，大大减少了运算工作量和有利于实时成像。

3、相较于现有的其他微血管光学造影，由于本实用新型血流信号的提取和图像整体错移的矫正都基于复数互相关算法，因此可以并行实现，从而进一步较少了计算机的运算工作量，有利于实时成像。

附图说明

图1是本实用新型的成像系统示意图。

图2是本实用新型的扫描策略示意图。

图3是本实用新型的算法处理流程图。

图1中：1、光源模块，2、宽带光纤耦合器，3、第一偏振控制器，4、第二偏振控制器，5、第一光纤准直器，6、聚焦透镜，7、平面反射镜，8、第二光纤准直器，9、二维扫描振镜，10、物镜，11、样品，12、采集处理模块。

图2中：①表示沿Z方向的扫描(A-scan)；②表示沿X方向的扫描(B-scan)；③表示沿Y方向的扫描(C-scan)。

图3中：A₁-A_N表示相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的N次重复采样数据；B₂-B_N表示用复数互相关算法矫正图像整体错移后的数据；C₁-C_N-1表示用复数互相关算法提取的初步血流信号；D表示结构掩膜；E表示最终的血流信号。操作①表示基于复数互相关的图像整体错移矫正；操作②表示基于复数互相关的局部血流信号提取；操作③表示平均降噪；操作④表示二值化和空间滤波；操作⑤表示掩膜处理。

具体实施方式

下面结合附图和实施例子对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，一种基于复数互相关的微血管光学造影及抖动补偿系统包括光源模块1、宽带光纤耦合器2、参考臂模块、样品臂模块、和采集、处理模块12；参考臂模块包括第一偏振控制器3、第一光纤准直器5、聚焦透镜6和平面反射镜7；样品臂模块包括第二偏振控制器4、第二光纤准直器8、二维扫描振镜9、物镜10和样品11；

光源模块1与宽带光纤耦合器2的一个输入端相连，宽带光纤耦合器的一个输出端通过第一偏振控制器3与第一光纤准直器5连接，聚焦透镜6位于光纤准直器5的出射光路上，平面反射镜7位于聚焦透镜6的后焦面，宽带光纤耦合器的另一个输出端通过第二偏振控制器4与第二光纤准直器8连接，二维扫描振镜9的入射端面位于第二光纤准直器8的出射光路上，物镜10位于二维扫描振镜9的出射光路上，样品11位于物镜10的后焦面，宽带光纤耦合器的另一个输入端与采集、处理模块12连接。

光源模块1发出的低相干光经宽带光纤耦合器2分光后，一部分光通过第一偏振控制器3进入参考臂模块，另一部分光通过第二偏振控制器4进入样品臂模块，进入参考臂模块的光经第一光纤准直器5和聚焦透镜6后，聚焦在平面反射镜7上，然后沿原路返回至宽带光纤耦合器2；进入样品臂模块的光经第二光纤准直器8，二维扫描振镜9，物镜10后，聚焦在待测样品11上。从样品11返回的背向散射光与从平面反射镜7返回的光，在宽带光纤耦合器2中混合干涉，干涉信号由模块12采集并处理。

如图2所示为本实用新型的扫描策略示意图，一般的，沿Z方向的扫描①称之为A-scan，沿X方向的扫描②称之为B-scan，沿Y方向的扫描③称之为C-scan。完成一次A-scan，得到一条线数据(A-line)，完成一次B-scan，得到一帧面数据(B-frame)，完成一次C-scan，得到一块体数据(C-volume)。B-frame由若干条A-line构成，C-volume则由若干帧B-frame构成。本实用新型的扫描策略可以分为三种形式：I线间重复(inter-line)，它重复采样得到的是相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的A-line；II帧间重复(inter-frame)，它重复采样得到的是相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的B-frame；III体间重复(inter-volume)，它重复采样得到的是相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的C-volume；

如图3所示为本实用新型的算法处理流程图，其中所涉及的复数互相关算法可以表示为：

${\mathrm{CC}}_n^M=\frac{\left|\underset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_n{A}_{n+1}^{*}\right|}{\sqrt{\underset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|A_n\right|}^2}\sqrt{\underset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|A_{n+1}\right|}^2}}$

其中，A_n和A_n+1表示相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的第n次和第n+1次重复采样得到的OCT复解析数据，*表示复共轭，M表示空间窗口的大小(包括一维、二维、三维)。

下面对图3中的过程进行说明：

1、对N次重复采样得到的相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的OCT复解析数据A₁-A_N在大空间窗口下进行互相关分析，通过连续改变图像间的整体错移量，使窗口内互相关值最大化(即操作①)，从而得到错移补偿后的数据B₂-B_N。其中，每一次的错移补偿都建立在前一次错移补偿的基础上。

2、对相同空间位置或聚焦光斑具有一定的空间相关性的位置的、具有一定时间间隔的OCT复解析数据A1、B2-BN在小空间窗口下进行互相关分析，提取局部血流信号(即操作②)。

3、如果N>2，则对初步处理得到的N-1幅局部血流信号C₁-C_N-1进行平均降噪处理(即操作③)。

4、针对OCT强度信号，以一定阈值进行二值化并空间滤波(即操作④)，生成一个结构掩膜D，再用掩膜D处理血流信号(即操作⑤)，得到最终血流信号E。

5、最后把不同位置的血流信号E合成三维微血管光学造影图。

Claims (1)

1.一种基于复数互相关的微血管光学造影及抖动补偿系统，包括光源模块、宽带光纤耦合器、参考臂模块、样品臂模块和采集、处理模块；参考臂模块包括第一偏振控制器、第一光纤准直器、聚焦透镜和平面反射镜；样品臂模块包括第二偏振控制器、第二光纤准直器、二维扫描振镜、物镜和样品；

其特征在于：光源模块与宽带光纤耦合器的一个输入端相连，宽带光纤耦合器的一个输出端通过第一偏振控制器与第一光纤准直器连接，聚焦透镜位于光纤准直器的出射光路上，平面反射镜位于聚焦透镜的后焦面，宽带光纤耦合器的另一个输出端通过第二偏振控制器与第二光纤准直器连接，二维扫描振镜的入射端面位于第二光纤准直器的出射光路上，物镜位于二维扫描振镜的出射光路上，样品位于物镜的后焦面，宽带光纤耦合器的另一个输入端与采集、处理模块连接。