一種基于光學(xué)相干斷層掃描成像中相位誤差的校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種基于掃頻光源的光學(xué)相干斷層掃描成像中相位誤差的校正方法，尤其涉及在生物組織和人體中血管成像中采用光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)相干斷層掃描成像(optical coherence tomography, OCT)是一種低相干光學(xué)干涉成像技術(shù)。它能夠?qū)θ梭w等生物組織的散射結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維成像。該技術(shù)在檢測眼底視網(wǎng)膜、消化道系統(tǒng)、動脈血管和皮膚等方面的疾病上有很大的潛力。目前0CT技術(shù)發(fā)展較為成熟的功能是對靜止的散射結(jié)構(gòu)成像，除此以外，0CT還具備其它的延生功能，其中研究較多的一個延生功能成像是對人體等生物組織中的血流成像，通常稱之為光學(xué)相干血管造影(optical coherence ang1gr aphy, 0CA)。實現(xiàn)0CA的方法主要可分為相關(guān)性方法和相位解析方法。相比前者，相位解析的方法具備對血流速度進(jìn)行定量分析的潛力。但是相位解析方法對0CT系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性提出了更高的要求，任何系統(tǒng)自身的相位誤差都會被引入最終的血管成像，影響成像質(zhì)量和后期定量分析的準(zhǔn)確性。此外，相位誤差還會影響0CT成像中的固定模式噪聲去除效果。
[0003]現(xiàn)今0CT已經(jīng)發(fā)展到第三代，基于掃頻光源的OCT (swept-sour ce OCT, SS-0CT)，第一、二代分別是時域0CT和譜域0CT。譜域0C T和掃頻光源0CT又共稱為傅里葉域0CT，掃頻光源0CT相比于譜域0CT，它采用掃頻光源提供的k時鐘作為采樣時鐘，從而使得測量得到的干涉光譜在波數(shù)空間線性均勻分布，因而可以直接對測得的干涉光譜進(jìn)行離散傅里葉變化來獲取深度反射輪廓，大大簡化了后期的信號處理，而譜域0CT則需要在計算離散傅里葉變換之前對測量得到的光譜進(jìn)行重采樣來使得光譜在波數(shù)空間線性均勻分布。在SS-0CT系統(tǒng)中，相位不穩(wěn)定性主要體現(xiàn)為測量的干涉光譜信號在波數(shù)空間的前后偏移，這一現(xiàn)象主要是由掃頻光源所提供的信號采集觸發(fā)信號和k時鐘信號之間的相對不穩(wěn)定性造成的，數(shù)據(jù)采集卡電路本身也可能會引起上面所述的偏移。
[0004]目前，共有兩種后處理方法用于掃頻光源0CT系統(tǒng)中消除系統(tǒng)中的相位不穩(wěn)定性。一種方法是通過在系統(tǒng)中創(chuàng)建一個理想的校準(zhǔn)信號-馬赫曾德爾干涉(MZI)信號進(jìn)行校正，先對所采集到的干涉光譜進(jìn)行重新采樣，采樣信號在線性波數(shù)空間均勻分布，然后通過比較兩個干涉光譜之間的相關(guān)性來判斷前后偏移方向和偏移量，從而校正來消除掃頻光源0CT圖像中所有的偽影。(例如，見Boy Braaf等人的“Phase-stabilized 0FDIat 1- μ m for the measurement of blood flow in the human choroid (穩(wěn)相光學(xué)步頁域成像技術(shù)在1微米內(nèi)測量人類脈絡(luò)膜血流量)”，Optics express (光學(xué)快訊)，2011 ；19(21):20886-903.)另外一種方法是把受觸發(fā)抖動的干涉圖與參考圖進(jìn)行比較，通過比較得出的不同的幅度或者相位來判斷是否有固定模式噪聲并做相應(yīng)的移位提高掃頻光學(xué)相干斷層(SS-0CT)系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性。(例如，見Gangjun Liu等人的“Postprocessingalgorithms to minimize fixed-pattern artifact and reduce trigger jitter inswept source optical coherence tomography (在掃頻光學(xué)相干斷層掃描中固定模式偽影最小化和減少觸發(fā)抖動的后處理算法)”，Optics express (光學(xué)快訊，)，2015 ；23(8):9824-34.)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，本發(fā)明目的是在于提出一個新的方法來實時校正掃頻光源0CT中的相位誤差，即基于掃頻光源的光學(xué)相干斷層掃描成像中相位誤差的校正方法，從而提高基于相位解析的0CT血管造影圖像質(zhì)量和血流速度測量的準(zhǔn)確性，同時提高固定模式噪聲的去除效果。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明是通過對0CT原始干涉光譜信號進(jìn)行特定頻率的調(diào)制，并通過分析該調(diào)制信號的相位分布來檢測上面所述的偏移方向和偏移量，然后計算出相對應(yīng)的相位誤差，最后在譜域?qū)z測出來的相位誤差進(jìn)行校正。其基于光學(xué)相干斷層掃描成像(SS-0CT)中相位誤差的校正方法主要包括三個步驟:
[0008](1)干涉光譜做離散傅里葉變換:先對光學(xué)相干斷層掃描成像(0CT)原始干涉光譜信號進(jìn)行特定頻率的調(diào)制，再做離散傅里葉變換以獲取調(diào)制信號的相位信息；
[0009](2)調(diào)制信號相位分析:對步驟(1)所獲取的調(diào)制信號的相位進(jìn)行分析，相位直方圖中分布最多的相位值為正確無偏移的，其它相位值所對應(yīng)的干涉光譜則認(rèn)為發(fā)生了偏移，偏移方向和偏移量可通過其相位值與正確的相位值的差來確定；
[0010](3)校正干涉光譜偏移:由步驟(2)所得到的光譜的偏移方向和偏移量計算在每一頻率上的相位差，然后將計算所得的相位差直接從步驟(1)中經(jīng)離散傅里葉變換后的信號中減去。
[0011]本發(fā)明首次提出了一種新的具有可行性和有效性的采用由掃頻光源提供的k時鐘作為采樣時鐘的SS-0CT系統(tǒng)中對由電子設(shè)備內(nèi)部抖動引起的相位誤差實時校正方法，為準(zhǔn)確測量人體組織血流量提供保障，對于醫(yī)學(xué)臨床診斷與治療起到重要的輔助作用。該方法在硬件方面對系統(tǒng)的改動很小，在軟件算法方面計算量小，易于實現(xiàn)實時校正。
【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】來詳細(xì)說明本發(fā)明；
[0013]圖1為本發(fā)明的光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)原理圖；
[0014]圖2(a)本發(fā)明一次B掃描采集的第500個干涉光譜圖像；
[0015]圖2(b)為一次B掃描采集的所有干涉光譜取平均后圖像；
[0016]圖3為本發(fā)明干涉光譜經(jīng)傅里葉變換后的幅度譜圖；
[0017]圖4(a)校正之前的相位分布圖；
[0018]圖4(b)為校正之后的相位分布圖；
[0019]圖5 (a)左右移位引起的相位誤差關(guān)于頻率的函數(shù)；
[0020]圖5 (b)為圖5 (a)上從± 1到±3點(diǎn)移動的最小相位差關(guān)于調(diào)制頻率的函數(shù)圖。
[0021]圖6為61，000個光譜分別在掃描觸發(fā)和光觸發(fā)條件下偏移點(diǎn)數(shù)的直方圖；
[0022]圖7 (a)人體皮膚圖像相位校正之前的灰度圖像；
[0023]圖7(c)人體皮膚圖像相位校正之前的多普勒圖像；
[0024]圖7 (b)人體皮膚圖像相位校正之后的灰度圖像；
[0025]圖7(d)人體皮膚圖像相位校正之后的多普勒圖像。
【具體實施方式】
[0026]為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合【具體實施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0027]在SS-0CT中，掃頻光源提供了信號采集的觸發(fā)信號和k時鐘(采樣時鐘)。與第二代譜域0CT最大的區(qū)別在于SS-0CT使用k時鐘作為信號采集的采樣時鐘從而使得采集到的干涉光譜信號線性均勻分布在波數(shù)空間，這可以大大簡化后期的信號處理。另外一方面，使用k時鐘作為采樣時鐘的主要缺陷在于觸發(fā)信號和k時鐘之間的相對不穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為連續(xù)采集的干涉光譜在波數(shù)空間發(fā)生相對偏移，這種偏移可達(dá)到幾個時鐘周期。
[0028]上述的偏移是SS-0CT成像中相位誤差的主要來源，本發(fā)明主要是檢測和校正上述偏移從而降低SS-0CT的系統(tǒng)相位誤差，提供一種SS-0CT系統(tǒng)即基于掃頻光源的光學(xué)相干斷層掃描成像中相位誤差的實時校正方法，其為新的具有可行性和有效性的采用由掃頻光源提供的k時鐘作為采樣時鐘的SS-0CT系統(tǒng)中對由電子設(shè)備內(nèi)部抖動引起的相位誤差實時校正方法，具體原理是通過對0CT原始干涉光譜信號進(jìn)行特定頻率的調(diào)制，并通過分析該調(diào)制信號的相位分布來檢測上面所述的偏移方向和偏移量，然后計算出相對應(yīng)的相位誤差，最后在譜域?qū)z測出來的相位誤差進(jìn)行校正。(例如，見Jianhua Mo等人的“Correct1n of Phase-error for Phase-resolved k-clocked Optical FrequencyDomain Imaging(基于相位解析的光學(xué)頻域成像的相位誤差的校正)”)。
[0029]為詳細(xì)說明本發(fā)明，下面對本發(fā)明的具體實施方法作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0030]參見圖，本發(fā)明主要包括3個步驟:SS-0CT系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)采集與處理、相位誤差校正算法。具體描述如下:
[0031](1)SS-0CT 系統(tǒng)搭建；
[0032]本發(fā)明所設(shè)計的SS-0CT系統(tǒng)主要由掃頻激光源，樣品臂，參考臂，X-Y振鏡掃描儀和數(shù)據(jù)采集卡組成，如圖1所示。光源中心波長為1310納米，波長范圍從1249.4到1359.6納米。激光器平均輸出功率為20毫瓦。從掃頻激光源中出來的光由90/10的光纖耦合器分出兩束光，分別經(jīng)過光纖環(huán)形器進(jìn)入到樣品臂(90%)和參考臂(10%)，經(jīng)由兩臂中反射面反射回來的背向散射光通過50/50的光纖耦合器發(fā)生干涉，干涉信號由平衡探測器探測得到。B掃描通過16位的高速模擬輸出裝置驅(qū)動X-Y掃描振鏡實現(xiàn)光柵掃描。
[0033](2)數(shù)據(jù)采集與處理；
[0034]由平衡探測器探測得到的干涉信號先經(jīng)過低通濾波器用以去除頻率高于90MHz的信號，繼而通過14位的數(shù)據(jù)采集卡記錄進(jìn)電腦里。數(shù)據(jù)采集卡由激光源提供的外部k時鐘驅(qū)動，通過k時鐘把光譜采樣到線性波數(shù)空間(K空間)并做傅立葉變換計算。數(shù)據(jù)采集程序建立在LabVIEW平臺上，用來采集數(shù)據(jù)和控制X-Y掃描振鏡，并且用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以實時展現(xiàn)干涉光譜圖像。
[0035](3)相位誤差校正算法
[0036]相位誤差校正算法主要包括3個步驟:包括:(a)干涉光譜做離散傅里葉變換；對光學(xué)相干斷層掃描成像原始干涉信號進(jìn)行調(diào)