CN103698301A - 改进型sd-oct系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进型SD-OCT系统，用于观测组织的浅层微观形态信息。所述SD-OCT系统包括激光发射器、耦合器、探测器、色散补偿单元以及PC上位机。激光经相同长度的光纤和相同的光纤准直器照射在样本和参考臂反射镜上，色散补偿单元对探测器记录的干涉信号采用分层多步色散补偿算法进行色散补偿，在色散补偿中使用预畸变矫正以克服重影；同时，本系统利用参考臂方向上的调节，将SD-OCT与TD-OCT的扫描方式进行结合，计算得到样品不同深度下的光谱信息。本发明使得图像的分辨率得到了显著提高，可以获得更多的数据信息，使得图像空间分辨率和谱分辨率都达到最佳，可获取样品不同深度下的光谱信息。

Description

改进型SD-OCT系统

技术领域

本发明属于医学监测技术领域，涉及一种基于光学相干层析成像技术与原理的用于观测组织的浅层微观形态信息的装置，具体是一种改进型SD-OCT系统。

背景技术

OCT（Optical Coherence Tomography）是最近几年发展起来的结合光谱分析的光学相干层析技术。OCT技术主要利用弹道光和近弹道光所携带的样品信息进行成像。利用干涉门技术可以对样品不同深度的光学特性（折射率等）进行调制，然后对捕获的光学信号进行特定的解调处理就可以得到样品不同深度的断层图像。光谱分析OCT(Spectroscopic OCT，SOCT)不仅分析回射光的强度，同时也分析回射光的光谱。通过这种联合分析，SOCT在获取高分辨率的组织微形态图像的同时，也可以获得相对应的组织成分空间分布。

OCT是基于干涉测量技术来进行深度扫描的，其中在物理实现上最常用的就是迈克尔逊干涉仪，如图1所示。光源发出的单色光射入分光立方体之后被分成两束，一束射向参考臂反射镜，一束射向样品；两束光分别反射回来之后在分光立方体处发生干涉；通过分析干涉信号，由探测器探测到图像信息。

现有的低相干干涉仪LCI，它与单色光迈克尔逊干涉仪光路结构完全一样，但是在LCI系统中采用了宽带光源来取代单色光，从而产生低相干干涉。LCI系统因为使用了宽带光源，其相干长度变得很短。利用这一特性就可以实现对样品反射回来的光信号进行深度筛选。

现有采用光谱仪技术的谱域光学相干层析成像系统(Spectral-Domain Optical CoherenceTomography，简称SD-OCT)，不仅极大地提高了OCT的扫速度，而且在信噪比、灵敏度上都有了显著的提升，SD-OCT中干涉信号分布在频率域，深度信号通过傅里叶变换在频域被解调出来。

在SD-OCT系统中参考臂和样品臂的色散不匹配会造成深度分辨率的严重下降。色散是由光在介质中的传播函数对波长的依赖性造成的。在全光纤SD-OCT系统中，如果参考臂和样品臂的色散没有匹配，问题将变得更加突出。

SOCT存在空间分辨率和谱分辨率之间的权衡，在获得较高空间分辨率的情况下必然后降低系统的谱分辨率，这实际上限制了SOCT技术的应用。

发明内容

本发明针对现有光谱分析OCT(SOCT)在空间分辨率和谱分辨率之间的权衡，使得现有的OCT不可能在获得较高空间分辨率的情况下同时提高谱分辨率的问题，提出了一种改进型SD-OCT系统。本发明改进型SD-OCT系统还可以获取更多图像数据信息，以可获得样品不同深度下的光谱信息。

本发明的改进型SD-OCT系统，包括激光发射器、耦合器、探测器、色散补偿单元以及PC上位机。激光发射器发出的激光经过耦合器分成两束，激光经相同长度的光纤和相同的光纤准直器，分别照射在样本和参考臂反射镜上。从样本和反射镜反射回来的光在耦合器处发生干涉，干涉信号由探测器记录并发送给色散补偿单元。色散补偿单元对输入的干涉信号进行色散补偿，并将色散补偿后得到的图像传入PC上位机进行显示。

所述的色散补偿单元对干涉信号进行色散补偿，将成像深度3.7mm分为n个区域，针对采集的每一帧原始图像进行n次色散补偿处理，每一次补偿使得相应的图像在成像深度1-n个区域处的色散为零，色散补偿产生n幅图像，将n幅图像和原始图像分别加窗后融合为一幅，产生最终图像。n小于N/2，N表示探测器像素数；

所述的改进型SD-OCT系统，利用参考臂方向上的调节，将SD-OCT与TD-OCT的扫描方式进行结合，具体是：将样品分为一个个体素，设每一个体素的高度为Δz，样品成像深度范围内分为M层，M为正整数；参考臂方向上的移动是指反射镜每次沿光程方向上移动步长Δz，随参考臂光程的改变，获取光谱仪第j个采样点的量化结果，当反射镜移动了M步后，获得光谱仪第j个采样点在参考臂方向上的一个完整的M步扫描，利用M个量化结果获取样品不同深度下的光谱信息。

本发明的改进型SD-OCT系统及样本光谱获取方法，其优点和积极效果在于：

（1）通过分层多步色散补偿和预畸变矫正使得图像的分辨率得到了显著提高，实验证明可使得分辨率提高30%；

（2）将SD-OCT与TD-OCT的扫描方式进行结合，从而可以获得更多的数据信息，使得图像空间分辨率和谱分辨率都达到最佳，获取样品不同深度下的光谱信息。

附图说明

图1是迈克尔逊干涉仪的原理示意图；

图2是本发明的SD-OCT系统的原理结构示意图；

图3是样品二维调节的示意图；

图4是本发明的分区补偿的示意图；

图5是本发明的色散补偿单元进行色散补偿的流程图；

图6是本发明在参考臂的调节示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例来说明本发明的技术方案。

如图2所示，本发明的SD-OCT系统包括如下组成部分：激光发射器1、耦合器2、探测器3、色散补偿单元4以及PC上位机5。由激光发射器1发出一束激光，经过耦合器2分成两束，经光纤分别照射在样本6和参考臂反射镜7上。从样本6和反射镜7反射回来的光在耦合器2处发生干涉，干涉信号由探测器3记录并发送给色散补偿单元4，经过色散补偿的信号传入到PC上位机5上进行分析处理。连接耦合器2照射样本6的光路称为样本臂，连接耦合器2照射反射镜7的光路称为参考臂。耦合器2连接相同长度的光纤用于照射样本6和反射镜7。本发明实施例中探测器3为线阵探测器，线阵探测器的像素数为N。

由于光学相干层析成像技术的横向分辨率和深度分辨率可以达到微米量级，因此为了满足系统精确对焦和样品微动测量的需要，本发明中采用高精度的二维载物台放置样品6。本发明所采用的精密载物台，其台面尺寸为70mm×70mm，最高分辨率可以达到0.025μm，累积误差≤10μm/20mm，水平直线度≤0.5μm/20mm，垂直直线度≤1μm/20mm。配合五相步进驱动器，二维载物台的绝对定位精度可以达到1μm以内。在20mm×20mm的视场范围内可以通过微动样品实现对试样结构1μm以内的高精度测量。

耦合器2通过光纤将激光出射给扫描振镜，利用光纤准直器将光束中心与扫描振镜中心重合，光路共轴。扫描振镜将激光出射给远心镜头，然后采集样本6的图像，扫描振镜的中心与远心镜头的焦点重合。如图3所示，为将样本6在载物台的水平面上进行X轴和Y轴方向上的位置调整示意。

为了实现精密对焦，本发明采用电动对焦系统。电动对焦系统在手动步进对焦模式下可以实现5μm的对焦分辨率，在程控模式下分辨率可以达到1μm，已经接近光学层析显微技术的深度分辨率极限，完全可以满足本发明系统需要。

整套精密载物台和电动对焦系统采用两种控制模式：手动步进动作模式和程控工作模式。在手动步进工作模式下，通过转动手动操作台的三个编码手轮实现精密载物台步进控制。在手动步进工作模式下，载物台的X-Y位移步长为1μm，Z轴对焦步进步长分辨率为5μm。对精密载物台和电动对焦系统的控制系统采用FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)实现，全并行控制模式，以硬件的方式实现对手轮脉冲信号的解调，同时实现毛刺去除，手轮半步识别，抖动去除等。

本发明的改进型SD-OCT系统选用的扫描振镜能够达到15μRad的分辨率，重复定位精度15μRad。扫描振镜在不同扫描角度和不同深度下聚焦光斑的尺寸都能满足系统要求。使用该透扫描振镜可以保证在±8°的扫描范围内，5mm以内的成像深度下光斑尺寸<25μm。从而有效地保证了系统的横向分辨率。为实现远心镜头焦点与扫描振镜中心重合，光纤准直器光束中心与扫描振镜中心重合，光路共轴的要求，并考虑到机械加工的精度难以保证，所以采用了六维度微调机构来保证光路的精度。精密二维手动调整平台用以调整扫描振镜的中心与远心镜头的焦点重合。四维调整架则用来调整光纤准直器出射光束中心与扫描振镜的中心重合，光路同轴调整等。调整完成的评价标准是当扫描振镜工作时，扫描在反射镜表面测得的反射信号与扫描位置基本无关，即扫描振镜工作角改变不影响光纤准直器的耦合效率。满足该条件时，可以推知光路基本同轴，调整结束。

SD-OCT系统涉及复杂的系统同步和触发工作，因此必须仔细设计各个子系统的触发信号，从而保证系统稳定高速工作。为了简化设计，SD-OCT系统采用统一的全局触发信号。为了充分利用发挥扫描振镜的扫描速度，规避大幅度摆动时的稳定时间，选用了三角波扫描方式，即扫描振镜运动一个周期可以进行两次B型扫描，该扫描方式需要在后处理阶段对图像进行隔帧翻转操作，虽然增加了算法的复杂性，但是有利于将扫描振镜的扫描速度发挥到极限。在这种触发模式下，SD-OCT系统在全局使用统一的触发信号，一方面简化了系统复杂度，另一方面使得系统的稳定性得到增强。采用全局触发控制信号进行系统的同步和触发控制，实现了多任务多器件的并行工作，最大限度的优化了系统运行的速度，使得SD-OCT成像在现有器件性能的基础上达到了最高，接近6帧每秒。

考虑到光纤系统的灵活性优势，本发明选用了全光纤光路方案。其中参考臂和样品臂各加入光纤偏振控制器以修正由光纤造成的偏振态改变，从而可以提高耦合器2的干涉效率，进而增加系统的信噪比。另外在探测器3中的光谱仪光纤入口端加入光纤偏振控制器，可以调整入射激光的偏振角使得光栅系统的分光效率最高。本发明实施例中，设置激光发射器1的工作电流为700mA，此时，激光半峰全宽FWHM=107.3nm，可以获得的最高分辨率为7.2μm。

在OCT系统中参考臂和样品臂的色散不匹配会造成深度分辨率的严重下降。色散是由光在介质中的传播函数Ψ(k)对波长的依赖性造成的。在全光纤OCT系统中，如果参考臂和样品臂的色散没有匹配，问题将变得更加突出。

任何介质中光的传播函数Ψ(k)都可以在中心波数k₀处做泰勒展开，如式(1)：

$\mathrm{\&Psi;}\left(k\right)=\mathrm{\&Psi;}\left(k_0\right)+\frac{\mathrm{d\&Psi;}}{\mathrm{dk}}{|}_{k_0}(k-k_0)+\frac{1}{2}\frac{d^2\mathrm{\&Psi;}}{{\mathrm{dk}}^2}{|}_{k_0}{(k-k_0)}^2+\frac{1}{6}\frac{d^3\mathrm{\&Psi;}}{{\mathrm{dk}}^3}{|}_{k_0}{(k-k_0)}^3---\left(1\right)$

其中，k表示光波数，k₀为中心光波数。

公式(1)共有四项相加。第一项Ψ(k₀)为中心光波数处光的传播常数。第二项称作一阶色散，即群延迟的倒数。第三项以后为高阶色散，会使得光源光谱形状产生畸变，从而展宽PSF(point-spread function，扩散函数)，影响OCT系统的深度分辨率。

分析SD-OCT成像方法，可以发现：任何造成光谱相位非线性分布的因素都会造成PSF的展宽，进而影响图像分辨率。将光谱相位非线性产生的原因归为三个方面，第一是系统参考臂和样品臂色散不平衡造成的Ψ(z,k)+Ψ₀(k)，其中Ψ₀(k)表示系统固有色散造成的相位非线性，其与成像深度无关。Ψ(z,k)表示随成像深度改变而改变的由观察样品造成的相位非线性，z表示成像深度。第二是探测器的非理想特性造成的光谱相位非线性畸变Ψ_S(z)，随着成像深度增加，干涉光谱频率逐渐增加，此时由于探测器的象元的有限尺寸等非理想特性会造成光谱相位的非线性畸变，该因素与成像深度有关。第三方面是光谱仪的非线性特想Ψ_s(k)。由于光谱仪分光误差的存在，光谱在线性传感阵列焦平面并非严格的线性分布，而是伴随一定的二次和高次畸变。归结起来，将SD-OCT系统的非线性相位畸变建模为：

Ψ=Ψ(z,k)+Ψ₀(k)+Ψ_S(z)+Ψ_s(k)    (2)

式(2)中共有四项相加，第一项和第三项与成像深度有关，可以通过固有的系统色散补偿来进行光谱相位校正。而第二项和第四项则与样品成像深度无关，由于很难进行有效的补偿通常被大多数研究者所忽略。

本发明的色散补偿单元4采用本发明提供的“分层多步色散补偿算法”，考虑了全部非线性产生的原因，并通过实验证明具有较好的效果。本发明通过参考臂和样本臂采用相等长度的光纤，同样的光纤准直器，以及使用为扫描镜头专门设计的色散补偿单元，在硬件上实现参考臂和样品臂的色散匹配。虽然可以通过硬件手段补偿系统固有的色散，但是样品臂中，样品的光程在参考臂中引入的色散是无法通过硬件进行补偿的。通常情况下由于OCT系统的成像深度相对较浅，在1-2mm左右，因此研究者通常忽略由样品引入带来的色散问题。通过目前提出的色散补偿算法，还没有能够彻底补偿样品带来的色散。而本发明搭建的OCT系统成像深度为7.2μm×512≈3.7mm，所以样品带来的色散问题变得相对较为突出。本发明采用了“分区补偿”的方法来解决这个问题，下面进行详细介绍。本发明实施例中将成像深度3.7mm分为5个区域，如图4所示。采集一帧图像数据之后，对图像进行五次色散补偿处理，每一次补偿使得相应的1-5区域处色散为零。从而产生五幅图像，该五幅图像分别对应深度为1-5处的色散得到补偿。

理论上在这五幅图像依次在1-5处的图像分辨率最高。采集的原始图像对应样品表面处色散为零。将色散补偿得到的五福图像加上没有进行色散处理的原始图像，共六幅图像分别加窗后融合为一幅，产生最终图像。

本发明在样品臂放入反射镜后测量不同深度下的PSF，发现即使在2.6mm处，深度分辨率仍可以达到11μm左右，已经比较接近理论值7.2μm。

通过葡萄成像进行不同深度的色散补偿之后的结果分析，以及进行图像叠加融合之后最终的处理效果比较，发现在较深的位置进行色散补偿会造成信号向低频移动，表现为图像深度信息向浅层移动。这种情况随着深度的增加变得更加明显。此时进行图像融合之后表现为图像在深度较深的位置出现明显的“重影”，严重影响的图像的质量。为了从根本上解决这种问题需要改进色散补偿算法，或者设定变形向量，进行图像预畸变之后再融合。也可以选择简化方法：取消深度较深的色散补偿窗口。利用融合前的预畸变矫正，实现了防止较深的位置进行色散补偿时会造成的信号向低频移动，防止了图像深度信息向浅层移动的发生。

如图5所示，为色散补偿单元4采用分层多步色散补偿算法对干涉信号进行色散补偿的方法，具体是：

第一步，对采集的原始图像I(i)进行带通滤波，得到不同频段的干涉信号，对应为不同深度的图像信息I_k(i)=I(i)*w_k(i)，其中，i表示第i个像素，k表示成像深度的第k处区域，本发明实施例中k=1,2,...5；I(i)表示第i个像素的原始图像信息，w_k(i)表示第k个窗函数，用于补偿第k处成像深度的图像；I_k(i)表示经过第k个窗函数进行带通滤波后的第i个像素的图像信息。

第二步，对不同深度的干涉信号进行一阶和二阶色散补偿。

第三步，调整一阶色散补偿系数a_k和二阶色散补偿系数b_k，使得各深度条带图像的对比度达到最高。k=1,2,...5。

第四步，对各深度图像进行深度方向的畸变修正。

第五步，将各深度图像和原始图像配准融合，得到最终的图像。

本发明实施例中畸变修正通过设定变形向量进行图像预畸变。

光谱分析OCT(SOCT)存在空间分辨率和谱分辨率之间的权衡，不可能在获得较高空间分辨率的情况下同时提高谱分辨率，这实际上限制了光谱分析OCT(SOCT)技术的应用。对于SD-OCT系统，线阵探测器像素数为N，每一帧B型扫描由M个A型扫描构成，那么实际上获得的数据量为M×N，其中M为正整数。如果光谱分辨率和空间分辨率都达到最佳，则需数据量为M×(N/2)×N。但在现有的OCT扫描方法之上获得的数据信息不足以将空间分辨率和谱分辨率都达到最佳。因此要想同步提高空间分辨率和谱分辨率，就应当改变SD-OCT信号的采集方式，以获得更多的信息才有可能求解样品每一空间点的谱信息。

因此，本发明将SD-OCT与TD-OCT的扫描方式进行结合，如图6所示，利用参考臂方向上的调节来获得更多的数据。具体地，本发明将样品分为一个个体素。设每一个体素的高度为Δz。反射镜每次沿光程方向上移动步长Δz，从而改变参考臂光程。样品成像深度范围内分为M层，线阵探测器像素数为N，反射镜移动m步，可以得到光谱仪第j个采样点在参考臂方向上移动了m步时的量化结果，m=1,2,…M。当m=M时，得到光谱仪第j个采样点在参考臂方向上一个完整的M步扫描，利用M个量化结果可以计算得到样品不同深度下的光谱信息。

参考臂方向上的每次移动，利用本发明改进型SD-OCT系统，都采集得到一帧样本的原始图像。在进行M步移动后，得到M帧样本的原始图像和M帧经色散补偿单元4处理后的最终图像，克服了现有OCT扫描方法获得的数据信息不足的问题，使得图像空间分辨率和谱分辨率都达到最佳，可得到获取样品不同深度下的光谱信息。

Claims (4)

1.一种改进型SD-OCT系统，包括激光发射器、耦合器、探测器以及PC上位机，其特征在于，所述SD-OCT系统还包括色散补偿单元；激光发射器发出的激光经过耦合器分成两束，激光经相同长度的光纤和相同的光纤准直器，分别照射在样本和参考臂反射镜上，从样本和反射镜反射回来的光在耦合器处发生干涉，干涉信号由探测器记录并发送给色散补偿单元，色散补偿单元对输入的干涉信号进行色散补偿，并将色散补偿后的图像传入PC上位机进行显示；所述的色散补偿单元对干涉信号进行色散补偿，将成像深度3.7mm分为n个区域，对采集的一帧原始图像进行n次色散补偿处理，每一次补偿使得相应成像深度1-n个区域处的图像的色散为零，色散补偿产生n幅图像，将n幅图像和原始图像分别加窗后融合为一幅，产生最终图像；n小于N/2，N表示探测器像素数。

2.根据权利要求1所述的改进型SD-OCT系统，其特征在于，所述的改进型SD-OCT系统，利用参考臂方向上的移动将SD-OCT与TD-OCT的扫描方式结合，具体是：将样品分为一个个体素，设每一个体素的高度为Δz，样品成像深度范围内分为M层，M为正整数；参考臂方向上的移动是指反射镜每次沿光程方向上移动步长Δz，随参考臂光程的改变，获取光谱仪第j个采样点的一个量化结果，当反射镜移动了M步后，获得光谱仪第j个采样点在参考臂方向上的一个完整的M步扫描，利用M个量化结果获取样品不同深度下的光谱信息。

3.根据权利要求1所述的改进型SD-OCT系统，其特征在于，所述的色散补偿单元，采用分层多步色散补偿算法对干涉信号进行色散补偿，具体为：

第一步，对采集的原始图像进行带通滤波，得到不同频段的干涉信号，对应为不同深度的图像信息；

第二步，对不同深度的干涉信号进行一阶和二阶色散补偿；

第三步，调整一阶色散补偿系数和二阶色散补偿系数，使得各深度条带图像的对比度达到最高；

第四步，对各深度图像进行深度方向的畸变修正；

第五步，将各深度图像和原始图像配准融合，得到最终的图像。

4.根据权利要求3所述的改进型SD-OCT系统，其特征在于，所述的色散补偿单元，对各深度图像进行深度方向的畸变修正，具体是：通过设定变形向量进行图像预畸变。

Images