TWI473037B

TWI473037B - 鏡像消除方法

Info

Publication number: TWI473037B
Application number: TW100136754A
Authority: TW
Inventors: Chih Chung Yang; Chiung Ting Wu; Cheng Kuang Lee; Ting Ta Chi
Original assignee: Univ Nat Taiwan
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2015-02-11
Also published as: US8724877B2; US20130088721A1; TW201316287A

Description

鏡像消除方法

本發明是有關於一種影像處理方法，且特別是有關於一種適用於光學同調斷層成像系統(optical coherence tomography，OCT)的鏡像消除方法。

在頻域光學同調斷層成像技術(Fourier-domain OCT)的應用中，如何消除斷層影像中的鏡像訊號來改善影像品質係一重要課題。斷層影像中之所以會出現鏡像係起因於在單一A掃瞄模式(A-mode scan)下傅立葉反轉換的資訊不完整所致。在習知技術中，有利用相位移演算法(phase-shift algorithm)搭配壓電式傳感器(piezoelectric transducer，PZT)來消除鏡像者。惟此一方法必須具有相位移產生機制，以在不同A掃瞄模式之間產生相位移來達到消除鏡像的目的。另外，亦有利用電光調變器(electro-optical modulation，EOM)來消除鏡像者。在此方法中，為了達到消除鏡像的目的，必須對相同的橫向位置進行多次的A掃瞄，其結果將降低取像速度，並產生移動假影(motion artifact)。然而，若要消除這些缺點，又會使得成像系統的建置變的複雜且昂貴。另一方面，除了利用相位調變的概念來消除鏡像以外，習知也有基於聲光調變器、電光調變器及色散延遲線(dispersive delay line)的頻率改變(frequency-shift)方式來消除鏡像。

然而，在習知技術中，無論是利用相位調變的概念或頻率改變的方式來消除鏡像，均存在有部分缺失。因此，提供一個有效的鏡像消除方法有其必要性。

本發明提供一種鏡像消除方法，可有效消除光學同調斷層影像的鏡像。

本發明提供一種鏡像消除方法，適用於一光學同調斷層成像系統(optical coherence tomography，OCT)。所述鏡像消除方法包括：(a)利用光學同調斷層成像系統，取得一待測物的斷層影像；(b)針對斷層影像中一特定畫素，利用第n-1個以及第n個特定掃瞄模式所得之影像訊號，計算出第n個特定掃瞄模式所得之實像訊號；(c)根據步驟(b)之計算方式，針對斷層影像中的多個畫素，取得各畫素的實像訊號。

在本發明之一實施例中，上述之鏡像消除方法更包括：(d)根據步驟(c)所得之各該畫素的實像訊號，重建該斷層影像，以消除該斷層影像的鏡像訊號。

在本發明之一實施例中，上述之鏡像消除方法更包括：(e)針對特定畫素，根據步驟(b)計算所得之實像訊號，再利用步驟(b)之計算方式，計算特定畫素的實像訊號，其中步驟(e)可重複執行，以取得特定畫素經多次疊代計算後的實像訊號；(f)根據步驟(e)之計算方式，針對斷層影像中的畫素，取得各畫素的實像訊號，其中步驟(f)可重複執行，以取得各畫素經多次計算後的實像訊號；(g)根據步驟(f)所得之各畫素的實像訊號，重建斷層影像，以消除斷層影像的鏡像訊號。

在本發明之一實施例中，上述之鏡像消除方法更包括：(h)利用第n個以及第n+1個特定掃瞄模式所得之影像訊號，計算出同一位置之特定畫素的第n個特定掃瞄模式所得之實像訊號；(i)將步驟(b)、(h)所得之同一位置畫素之實像訊號結果取算數平均；(j)根據步驟(i)之計算方式，針對斷層影像中的多個畫素，取得各畫素的實像訊號的算數平均。

在本發明之一實施例中，上述之鏡像消除方法更包括：(k)根據步驟(j)所得之各畫素的實像訊號的算數平均，重建斷層影像，以消除斷層影像的鏡像訊號。

在本發明之一實施例中，上述之鏡像消除方法更包括：()針對該特定畫素，根據步驟(i)計算所得之實像訊號的算數平均，再利用步驟(b)及步驟(h)之計算方式，分別計算該特定畫素的實像訊號，再取其算數平均，其中步驟()可重複執行，以取得該特定畫素經多次疊代計算後的實像訊號的算數平均；(m)根據步驟()之計算方式，針對斷層影像中的該些畫素，取得各畫素的實像訊號的算數平均，其中步驟(m)可重複執行，以取得各畫素經多次計算後的實像訊號的算數平均；以及(n)根據各畫素經多次疊代計算後的算數平均，重建該斷層影像，以消除該斷層影像的鏡像訊號。

在本發明之一實施例中，上述之步驟(a)包括：利用相鄰的特定掃瞄模式，對待測物進行掃瞄，以取得多個畫素的影像訊號，其中各畫素影像訊號包括一實像訊號及一鏡像訊號。

在本發明之一實施例中，上述之特定掃瞄模式係一A掃瞄模式(A-mode scan)。

在本發明之一實施例中，在步驟(a)中，待測物的斷層影像係利用一B掃瞄模式(B-mode scan)來取得。

在本發明之一實施例中，上述之光學同調斷層成像系統係選自掃頻式光學同調斷層成像系統(swept-source OCT，SS-OCT)及頻域光學同調斷層成像系統(spectral-domain OCT，SD-OCT)其中之一。

基於上述，在本發明一範例實施例中，所述鏡像消除方法至少利用兩個相鄰的A掃瞄模式所得之影像訊號來計算其中之一A掃瞄模式所得之實像訊號，以消除斷層影像的鏡像。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

在本發明之範例實施例中，所述鏡像消除方法係利用調整光學同調斷層成像系統中的B掃瞄模式掃瞄器來產生相鄰的兩個A掃瞄模式之間的相位移，並獲得相鄰的兩個A掃瞄模式所得之影像訊號。在此種情況下，因實像與鏡像訊號互為共軛複數，相鄰的兩個A掃瞄模式所得之實像與鏡像的相位移會彼此相反。而本發明之鏡像消除方法即利用此一特性來區別影像訊號中的實像與鏡像。此外，所述鏡像消除方法可應用在任何可產生相位移的光學同調斷層成像系統，本發明並不加以限制。

圖1繪示本發明一實施例之光學同調斷層成像系統之架構示意圖。圖2繪示圖1之光學同調斷層成像系統中高輝度發光二極體之光頻譜圖。請參考圖1及圖2，為達成超高縱向解析度，本實施之光學同調斷層成像系統100係採用高輝度發光二極體(super-luminescent diode，SLD)作為光源110，其光頻譜圖如圖2所示，但本發明並不限於此。

在本實施例中，光源110所發出之高輝度光束經由光纖耦合器120(fiber coupler)、光纖準直器130(collimator)、濾光器140及掃瞄器150(galvanometer)後，入射至待測物200，以使電腦系統160可由影像感測器170取得待測物200之斷層影像。在此，濾光器140例如是一減光鏡，或稱中性密度鏡(Neutral Density Filter，ND filter)，其鏡片色呈中性的灰色，除了能減少光量的通過外，亦具有不改變色彩的功能。影像感測器170例如是一電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)，用以感測光源110所發出之高輝度光束，以產生待測物200之斷層影像。

一般而言，在光學同調斷層成像技術中，A掃瞄模式係針對待測物之特定位置的縱深進行掃瞄，以取得斷層影像中構成單一方向的組織圖。若將高輝度光束沿待測物表面以不同位置掃瞄，所測得各位置的A掃瞄模式影像同時加以顯示，即可獲得待測物組織的截面形狀，或可稱之為B掃瞄模式，其結果為一二維(two dimension，2D)的斷層掃瞄影像。在本實施例中，光學同調斷層成像系統100係利用B掃瞄模式以來取得待測物的2D斷層影像。此外，為了獲得待測物上相鄰位置的縱深斷層影像，光學同調斷層成像系統100係利用調整掃瞄器的方式以不同角度來掃瞄待測物，以獲得相鄰的兩個A掃瞄模式所得之影像訊號。

圖3繪示本發明一實施例之鏡像消除方法的步驟流程圖。請參考圖1及圖3，本實施例之鏡像消除方法例如適用於圖1的光學同調斷層成像系統100。在圖1的實施例中，光學同調斷層成像系統100例如是以頻域光學同調斷層成像系統(spectral-domain OCT，SD-OCT)為例示實施例，但本發明並不限於此。在其他實施例中，光學同調斷層成像系統例如也可以是掃頻式光學同調斷層成像系統(swept-source OCT，SS-OCT)。

在步驟S300中，首先利用光學同調斷層成像系統100，以B掃瞄模式取得待測物200的2D斷層影像。由於B掃瞄模式所得的2D斷層影像係所測得各表面位置的A掃瞄模式影像加以組合而顯示，因此於此同時亦可獲得該2D斷層影像的第(n-1)個及第n個A掃瞄模式的影像訊號。換句話說，步驟S300包括利用第(n-1)個及第n個A掃瞄模式，對待測物200進行掃瞄，以取得特定二畫素的影像訊號G(,n-1)及G(,n)。其中，複數(complex)G(,n-1)代表原OCT訊號中第(n-1)個A掃瞄模式的第個畫素之影像訊號；複數G(,n)代表原OCT訊號中第(n)個A掃瞄模式的第個畫素之影像訊號，且各該影像訊號G(,n-1)及G(,n)包括實像訊號及鏡像訊號，其例如可以底下關係式表示：

其中Zr(,n-1)、Zm(,n-1)分別代表第n-1個A掃瞄模式的第個畫素之實像訊號及鏡像訊號；Zr(,n)、Zm(,n)分別代表第(n)個A掃瞄模式中第個畫素之實像訊號及鏡像訊號。

接著，在步驟S302中，針對斷層影像中第個畫素，根據第(n-1)個及第n個A掃瞄模式所得之影像訊號G(,n-1)及G(,n)，計算其中之一A掃瞄模式所得之實像訊號。詳細而言，在本實施例中，藉由假設相鄰兩A掃瞄模式的實像訊號強度相等(即|Zr(,n-1)|=|Zr(,n)|)，以及鏡像訊號強度相等(即|Zm(,n-1)|=|Zm(,n)|)，在相鄰兩A掃瞄模式存在有相位差Θ時，可得：

其中，exp(iΘ)代表自然指數函數(natural exponential function)。因此，關係式(2)可改寫為：

在已知影像訊號G(,n-1)及G(,n)及相位差Θ的情況下，由關係式(1)及(3)可解得實像訊號Zr(,n)，此即為消除鏡像訊號之結果。利用上述計算方式，在已知影像訊號G(,n-1)及G(,n)及相位差Θ的情況下，亦可解得Zm(,n-1)、Zr(,n-1)及Zm(,n)。另外，在已知影像訊號G(,n)及G(,n+1)及相位差Θ的情況下，亦可解得Zr(,n)。將兩次算出之Zr(,n)做算術平均，亦可得一有效消除鏡像訊號之結果。因此，藉由上述兩種計算方式即可達到消除鏡像訊號的目的。

換句話說，在步驟S302中，鏡像消除方法係針對斷層影像中一特定畫素，根據至少兩個相鄰的特定掃瞄模式所得之影像訊號，計算其中之一掃瞄模式所得之實像訊號。

之後，在步驟S304中，根據步驟S302之計算方式，取得斷層影像中多個畫素的實像訊號。此外，此步驟之多個畫素並未排除步驟S302之第個畫素(即該特定畫素)。

繼之，在步驟S306中，根據步驟S304所得之各畫素經算術平均後的實像訊號，重建斷層影像，即可得到一鏡像已被消除的斷層影像。

圖4繪示本發明一實施例之尚未消除鏡像的斷層影像。圖5繪示利用本實施例之鏡像消除方法所得的斷層影像，其鏡像已被消除。請參考圖3至圖5，圖4之尚未消除鏡像的斷層影像例如是圖3之鏡像消除方法在步驟S300中所得待測物200的斷層影像400，其包括待測物200的實像400R及鏡像400M。在應用本實施例之鏡像消除方法後，斷層影像400之鏡像400M被消除，而得到斷層影像400’。由圖5可知，本實施例之鏡像消除方法可有效消除斷層影像的鏡像，獲得良好的影像品質。

此外，本實施例之鏡像消除方法亦可結合疊代計算的概念來消除斷層影像的鏡像。圖6繪示本發明另一實施例之鏡像消除方法的步驟流程圖。請參考圖3及圖6，本實施例之鏡像消除方法類似於圖3的實施例，惟兩者之間最主要的差異例如在於本實施例之步驟S604至S608，說明如下。

本實施例之鏡像消除方法亦是基於利用兩個相鄰的A掃瞄模式所得之影像訊號來計算其中之一A掃瞄模式所得之實像訊號，以消除斷層影像的鏡像。因此，步驟S602所得之實像訊號Zr(,n)可表示如下：

其中，Re{　}代表取括號內數值或變數的實部；Im{　}代表取括號內數值或變數的虛部。

接著，在步驟S604中針對第個畫素，根據步驟S602計算所得之實像訊號Zr(,n)，再利用步驟S602之計算方式，重新計算第n個A掃瞄模式之實像訊號Zr’(,n)，並將兩次算出之Zr’(,n)做算術平均。藉此，可進一步消除實像訊號Zr(,n)的鏡像，而得到更佳的影像品質。且步驟S604可重複數次(即疊代法)以達到更佳的影像品質。

之後，在步驟S606中，根據步驟S604之計算方式，取得斷層影像中多個畫素經算術平均後的實像訊號。此外，此步驟之多個畫素並未排除步驟S602之第個畫素。

繼之，在步驟S608中，根據步驟S606所得之各畫素經算術平均後的實像訊號，或者各畫素經多次疊代計算後的實像訊號，重建斷層影像，即可得到一鏡像已被消除的斷層影像。

簡單來說，在本發明之範例實施例中，鏡像消除方法進行至步驟S304時，利用解聯立方程式的運算方法，即可得消除鏡像之結果。在另一實施例中，鏡像消除方法進行至步驟S604時，係再取相鄰兩組鏡像消除後結果來得算術平均，所得結果可更徹底消除鏡像，進一步改善影像品質。此外，在另一實施例中，鏡像消除方法也可進一步利用步驟S604的結果來重覆進行運算(疊代)，以得到新結果。此可更徹底消除鏡像，更進一步改善影像品質。

綜上所述，在本發明之範例實施例中，鏡像消除方法至少利用兩個相鄰的A掃瞄模式所得之影像訊號來計算其中之一A掃瞄模式所得之實像訊號，以消除斷層影像的鏡像，獲得良好影像品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110．．．光源

120．．．光纖耦合器

130．．．光纖準直器

140．．．濾光器

150．．．掃瞄器

160．．．電腦系統

170．．．影像感測器

200．．．待測物

400．．．未消除鏡像之斷層影像

400R．．．未消除鏡像之斷層影像之實像

400M．．．未消除鏡像之斷層影像之鏡像

400’．．．已消除鏡像之斷層影像

S300、S302、S304、S306、S600、S602、S604、S606、S608．．．鏡像消除方法之步驟

圖1繪示本發明一實施例之光學同調斷層成像系統之架構示意圖。

圖2繪示圖1之光學同調斷層成像系統中高輝度發光二極體之光頻譜圖。

圖3繪示本發明一實施例之鏡像消除方法的步驟流程圖。

圖4繪示本發明一實施例之尚未消除鏡像的斷層影像。

圖5繪示利用本實施例之鏡像消除方法所得的斷層影像。

圖6繪示本發明另一實施例之鏡像消除方法的步驟流程圖。

S300、S302、S304、S306．．．鏡像消除方法之步驟

Claims

一種鏡像消除方法，適用於一光學同調斷層成像系統(optical coherence tomography，OCT)，該鏡像消除方法包括：(a)利用該光學同調斷層成像系統，取得一待測物的斷層影像；(b)針對該斷層影像中一特定畫素，利用第n-1個以及第n個特定掃瞄模式所得之影像訊號，計算出第n個特定掃瞄模式所得之實像訊號；(c)根據步驟(b)之計算方式，針對該斷層影像中的多個畫素，取得各該畫素的實像訊號；(d)利用第n個以及第n+1個特定掃瞄模式所得之影像訊號，計算出同一位置之該特定畫素的第n個特定掃瞄模式所得之實像訊號；(e)將步驟(b)、(d)所得之同一位置畫素之實像訊號結果取算數平均；以及(f)根據步驟(e)之計算方式，針對該斷層影像中的多個畫素，取得各該畫素的實像訊號的算數平均。
如申請專利範圍第1項所述之鏡像消除方法，更包括：(g)根據步驟(c)所得之各該畫素的實像訊號，重建該斷層影像，以消除該斷層影像的鏡像訊號。
如申請專利範圍第1項所述之鏡像消除方法，更包括： (h)針對該特定畫素，根據步驟(b)計算所得之實像訊號，再利用步驟(b)之計算方式，計算該特定畫素的實像訊號，其中步驟(h)可重複執行，以取得該特定畫素經多次疊代計算後的實像訊號；(i)根據步驟(h)之計算方式，針對該斷層影像中的該些畫素，取得各該畫素的實像訊號，其中步驟(i)可重複執行，以取得各該畫素經多次計算後的實像訊號；以及(j)根據步驟(i)所得之各該畫素的實像訊號，重建該斷層影像，以消除該斷層影像的鏡像訊號。
如申請專利範圍第1項所述之鏡像消除方法，更包括：(k)根據步驟(f)所得之各該畫素的實像訊號的算數平均，重建該斷層影像，以消除該斷層影像的鏡像訊號。
如申請專利範圍第1項所述之鏡像消除方法，更包括：(l )針對該特定畫素，根據步驟(e)計算所得之實像訊號的算數平均，再利用步驟(b)及步驟(d)之計算方式，分別計算該特定畫素的實像訊號，再取其算數平均，其中步驟(l )可重複執行，以取得該特定畫素經多次疊代計算後的實像訊號的算數平均；(m)根據步驟(l )之計算方式，針對該斷層影像中的該些畫素，取得各該畫素的實像訊號的算數平均，其中步驟(m)可重複執行，以取得各該畫素經多次計算後的實像訊號的算數平均；以及 (n)根據各該畫素經多次疊代計算後的算數平均，重建該斷層影像，以消除該斷層影像的鏡像訊號。
如申請專利範圍第1項所述之鏡像消除方法，其中步驟(a)包括：利用該些相鄰的特定掃瞄模式，對該待測物進行掃瞄，以取得該特定畫素的影像訊號，其中各該影像訊號包括實像訊號及鏡像訊號。
如申請專利範圍第1項所述之鏡像消除方法，其中該特定掃瞄模式係一A掃瞄模式(A-mode scan)。
如申請專利範圍第1項所述之鏡像消除方法，其中在步驟(a)中，該待測物的斷層影像係利用一B掃瞄模式(B-mode scan)來取得。
如申請專利範圍第1項所述之鏡像消除方法，其中該光學同調斷層成像系統係選自掃頻式光學同調斷層成像系統(swept-source OCT，SS-OCT)及譜域光學同調斷層成像系統(spectral-domain OCT，SD-OCT)其中之一。