一种提高扫频光学相干层析成像分辨率方法与流程

本发明涉及扫频光学相干层析成像(Swept source Optical Coherence Tomography，SS-OCT)。

背景技术：

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种通过探测样品背向散射光的强度来获取样品不同深度的结构信息的生物医学光学成像技术，具有非侵入、高分辨率、可在体检测生物组织内部微结构信息等特点。自1991年1991年，美国麻省理工学院的J.G.Fujimoto和D.Huang等人首先提出了此概念，并对视网膜和冠状动脉进行了离体成像，目前已被广泛应用于眼科、皮肤科、心血管等领域的临床诊断和研究。

OCT可分为时域OCT(TD-OCT)和频域OCT(FD-OCT)，而频域OCT又可分为基于光谱仪的频域OCT(SD-OCT)和基于扫频光源的频域OCT(SS-OCT)。在SS-OCT系统中，光源发出的光不是波数(k)域等间隔的，根据SD-OCT理论，样品深度方向的空间信息与光波数是傅里叶变换对，因此必须对干涉信号在k域进行重采样从而获得在k域等间隔的干涉信号。目前大多数商用的扫频光源都集成了波数域等间隔采样时钟信号(即k-clock)，理想情况下，利用该k-clock作为时钟对干涉信号进行重采样便能得到k域等间隔的干涉信号。然而，受限于扫频光源的稳定性及同步触发硬件的精度，以及受到外部器件和外界工作环境温度、环境震动等干扰，在重采样干涉信号时，k-clock的起始点很可能与干涉信号之间有一个不确定的延时，从而导致干涉信号没有在k域严格等间隔采样，造成系统分辨率下降。

目前市场上部分的商业扫频光源自带了可以调节k-clock延时的功能，如Santec公司HSL系列光源。但是这种延时校正功能是针对干涉信号在光纤和同轴电缆中传播时间与k-clock在同轴电缆中传播时间不一致设计的。使用者利用生产厂商提供的参考公式计算出两者的时间差后，通过软件设置k-clock延时时间进行校正。这种校正是一次性的，在设定好之后一般不再更改。因此没有从根本上消除外界环境因素以及扫频光源不稳定性等引起的k-clock时钟不确定延时问题。针对k-clock与干涉信号之间不确定延时造成系统分辨率下降的问题，陈效杰等人(参见：陈效杰,白宝平,陈晓冬,等.一种提高扫频光学相干层析成像分辨率的延时自动校正算法[J].中国激光,2015(12):123-130.)提出一种光源k-clock延时自动校正算法，该算法通过平均峰值法和平均半峰全宽法，对k-clock信号进行粗调、微调、精调最终得到使系统分辨率最高的k-clock起始点。这种方法在调节时需对k-clock进行滤波、Hilbert变换、CORDIC变换、解卷绕后，截取k-clock相位中的稳态成分进行相位等分，然后对k-clock信号进行逐步移动，每移动一步都需对干涉信号进行重采样，这导致该算法效率低、耗时长，降低了算法的实用性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提出一种提高扫频光学相干层析成像分辨率方法。本发明的基本原理是通过校正光源自带k-clock的延时，进而使干涉信号能更加准确的在k域等间隔点被重采样，从而提高系统分辨率。本发明将待校正的k-clock信号和模板信号进行互相关运算，能够快速得出需校正的k-clock信号的延时，从而进行校正。

本发明的技术解决方案如下：

一种提高SS-OCT系统成像分辨率方法，该方法的具体步骤如下：

①在扫频光学相干层析成像系统的样品臂放置一块平面反射镜作为样品，对其进行N次扫描，N为正整数，得到N个干涉信号和N个波数域等间隔采样时钟信号，对不同的干涉信号经过重采样和快速傅里叶变换后得到不同的点扩展函数，取其中半峰全宽最小时的波数域等间隔采样时钟信号作为标准波数域等间隔采样时钟信号，即k-clock₁信号，并进行保留，作为后续互相关运算的模板，取出样品；

②在扫频光学相干层析成像系统的样品臂放置另一块平面反射镜作为样品，对其进行扫描，采集扫描时的光学相干层析成像干涉信号(即OCT干涉信号)以及光源的波数域等间隔采样时钟信号k-clock₂，将k-clock₂与所述的模板进行互相关运算，得到互相关运算结果的绝对值最大值所在的横坐标τ_d；

③当τ_d等于零，则不平移波数域等间隔采样时钟信号k-clock₂；

当τ_d大于零，则将波数域等间隔采样时钟信号k-clock₂信号向右平移|τ_d|个采样点，即K'_j(t)；

当τ_d小于零，则将波数域等间隔采样时钟信号k-clock₂信号向左平移|τ_d|个采样点，即K'_j(t)；

④将平移后的波数域等间隔采样时钟信号K'_j(t)使用插值算法得到其过零点坐标；

⑤再次应用插值算法对步骤②采集得到的光学相干层析成像干涉信号在平移后的波数域等间隔采样时钟信号K'_j(t)的过零点进行重采样，得到波数域等间隔采样的干涉信号；

⑥将此干涉信号与一个汉明窗函数相乘进行光谱整形，再对经过光谱整形后的干涉信号进行快速傅里叶变换得到样品反射率随深度变化的一维曲线，即A-line图像。

实施上述方法的SS-OCT系统主要包括扫频光源，耦合器、环形器、平衡探测器、数据采集卡、计算机等。光源发出的光经过一定分光比的耦合器后被分为两束，分别进入参考臂和样品臂。参考臂的光经过环形器、偏振控制器、准直器后入射到反射镜上，经过反射镜反射后再从环形器进入迈克尔逊干涉仪的一端。样品臂的光经过环形器后先后入射到样品臂末端的探头及被测样品上，被测样品的返回光同样经环形器后进入迈克尔逊干涉仪的另一端。迈克尔逊干涉仪的输出端连接至平衡探测器，探测器探测的干涉光谱通过数据采集卡输入到计算机中。

所述的扫频光源自带k-clock，如Santec公司的扫频光源HSL-20等。

所述的迈克尔逊干涉仪其特征在于具有两个接近等光程的干涉光路，分别为参考臂和样品臂。该干涉仪的分束比为50:50，它可以是体光学系统也可以是光纤光学系统。

所述的平衡探测器是具有光电信号转换功能和放大差分信号的探测器。

作为优选，所述的插值算法可采用三次样条插值算法。

作为优选，可以增大在取标准k-clock信号时的扫描次数N，以提高本发明效果。

本发明与在先技术相比，无需对光源k-clock信号进行粗调、微调、精调来最终得到使系统分辨率最高的k-clock起始点。避免了调节时需对k-clock进行滤波、Hilbert变换、CORDIC变换、解卷绕等运算，在减小算法运行时间的同时能够保证对系统分辨率的提高。

附图说明

图1是光纤型扫频光学相干层析成像系统结构示意图。

图2是本方法步骤示意图。

图3是对单层反射镜样品，采用本方法校正前样品的A-line信号图。

图4是对单层反射镜样品，采用本方法校正后样品的A-line信号图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为光纤型扫频光学相干层析成像系统结构示意图。其中包括扫频光源1，扫频光源的输出光与分光比为90:10的耦合器6-2的输入端口相连，耦合器6-2将光分为样品臂光路13和参考臂光路12。耦合器6-2的一个输出端口输出90％的光进入样品臂光路13中，经过环形器7-2后依次经过二维扫描振镜的两块振镜9-1、9-2，最终照射到待测样品10。经样品10反射的返回光沿样品臂原路返回至环形器7-2后，从环形器7-2的第三个端口进入耦合器6-1中。

耦合器6-2的另一个输出端口输出10％的光进入参考臂光路12中，进过环形器7-1后依次通过偏振控制器8、准直透镜14后，最终照射到平面反射镜11。经平面反射镜11反射的返回光沿参考臂原路返回至环形器7-1后，从环形器7-1的第三个端口进入耦合器6-1中。参考臂光路12的返回光和样品臂光路13的返回光在耦合器6-1中发生干涉，该干涉光经平衡探测器5探测，并将光信号转换成电信号。该电信号经数据采集卡4采集后送入计算机3中。

本实施例中，扫频光源的中心波长是1310nm，带宽约为104nm。

本发明的基本数学原理如下所述。

OCT系统的轴向分辨率取决于光源的中心波长和光源的带宽，当光源光谱为高斯状时，系统纵向分辨率可由下式计算：

由式(1)，计算得到本实施例中系统的理论纵向分辨率为7.6μm。

所述的平衡探测器5中探测得到的干涉光谱强度可以表示为：

式中S(k)是光源光谱密度，R_R与R_S分别表示参考臂反射率和样品臂反射率，Δx表示参考臂和样品臂之间的光程差，k表示光波数，是参考臂光束与样品臂光束的相位差。

光源自带的k-clock信号是由光源内部的马赫-曾德干涉仪(MZI)产生的，光源在第i次扫频时的MZI干涉信号可表示为

I_i(k_i(t))∝s(k_i(t))cos(k_i(t)d)， (3)

式中，s(k_i(t))代表扫频光源的光谱密度，d为光源内部马赫-曾德干涉仪的光程差，k_i(t)代表光波数k为时间t的函数。

需要校正的k-clock信号(即K_j(t))与标准k-clock信号(即模板信号，以K_s(t)表示)进行互相关运算。由于K_s(t)和K_j(t)被数据采集卡采集后均为数字信号，因此两者的互相关函数可表示为

式中n代表k-clock信号长度，当τ＝τ_d时的绝对值有最大值，则说明K_j(t)超前或滞后τ_d个采样点与K_s(t)最相似，即的峰值偏离原点的位置反映了K_j(t)与模板信号K_s(t)之间的时差。设数据采集卡采样频率为S_rateGSa/s，则可以计算出K_j(t)与K_s(t)之间的真实时差为

图2是本发明一种提高SS-OCT系统成像分辨率方法步骤示意图。按图中所示步骤，进行实验。

在扫频光学相干层析成像系统的样品臂放置一块平面反射镜作为样品，对其进行N次扫描，N为正整数，得到N个干涉信号和N个波数域等间隔采样时钟信号，对不同的干涉信号经过重采样和快速傅里叶变换后得到不同的点扩展函数，取其中半峰全宽最小时的波数域等间隔采样时钟信号作为标准波数域等间隔采样时钟信号，即k-clock₁信号，并进行保留，作为后续互相关运算的模板，取出样品；

在扫频光学相干层析成像系统的样品臂放置另一块平面反射镜作为样品，对其进行扫描，采集扫描时的光学相干层析成像干涉信号以及光源的波数域等间隔采样时钟信号k-clock₂，将k-clock₂与所述的模板进行互相关运算，得到互相关运算结果的绝对值最大值所在的横坐标τ_d；

当τ_d等于零，则不平移波数域等间隔采样时钟信号k-clock₂；

当τ_d大于零，则将波数域等间隔采样时钟信号k-clock₂信号向右平移|τ_d|个采样点，即K'_j(t)；

当τ_d小于零，则将波数域等间隔采样时钟信号k-clock₂信号向左平移|τ_d|个采样点，即K'_j(t)；

将平移后的波数域等间隔采样时钟信号K'_j(t)使用插值算法得到其过零点坐标；

再次应用插值算法对步骤②采集得到的光学相干层析成像干涉信号在平移后的波数域等间隔采样时钟信号K'_j(t)的过零点进行重采样，得到波数域等间隔采样的干涉信号；

将此干涉信号与一个汉明窗函数相乘进行光谱整形，再对经过光谱整形后的干涉信号进行快速傅里叶变换得到样品反射率随深度变化的一维曲线，即A-line图像。

图3是采用本发明校正后样品的A-line信号图，图4是采用本发明校正前样品的A-line信号图。测量这两个A-line信号图中干涉峰的FWHM即可得到本发明校正前后系统纵向分辨率。从图中可以看出，经过校正后，系统分辨率由校正前的15.7μm提高到12.6μm，提高了约20％。系统的实际纵向分辨率低于理论值可能是由于系统样品臂和参考臂之间的色散不匹配以及光谱整形引起的。采用本文提出的方法，利用上述实验中获得的标准k-clock信号作为模板重复进行了37次实验，实验结果表明，37次实验中系统分辨率均得到提高，说明方法具有较好的鲁棒性。经过计算，系统纵向分辨率平均提高了18.2％。

在每次使用SS-OCT系统进行成像时，为了避免外界环境因素和光源不稳定性引起的系统性能下降，均需要对系统进行k-clock延时校正，而本发明带来的时间消耗小，在不影响系统正常工作的情况下可以确保具有较高的分辨率。