扫频光学相干层析成像系统的光谱标定方法与流程

本发明涉及扫频光学相干层析成像(sweptsourceopticalcoherencetomography，简称ss-oct)，特别是一种用于ss-oct的光谱标定方法。

背景技术：

光学相干层析成像(opticalcoherencetomography，以下简称为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结构信息的生物医学光学成像技术，具有非侵入、分辨率高、可在体检测生物组织内部微结构信息等特点。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oct技术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(timedomainoct，td-oct)和频域oct(fourierdomainoct，fd-oct)，而频域oct又可分为基于光谱仪的频域oct(spectraldomainoct，sd-oct)和基于扫频光源的频域oct(又称扫频光学相干层析成像，sweptsourceoct，ss-oct)。扫频光学相干层析成像系统主要包括扫频光源1、迈克尔逊干涉仪2、平衡探测器3和数据采集卡4。扫频光源发出的光经迈克尔逊干涉仪产生干涉信号，由平衡探测器3探测，数据采集卡采集获得干涉信号随波长变化的强度分布(干涉谱)，然后对其做倒数变换后得到干涉信号在频域的强度分布，即频域干涉条纹。基于待测物体内各层光反射或背向散射界面的深度对应频域干涉条纹的不同频域的原理，ss-oct对频域干涉条纹作逆傅里叶变换得到待测物体沿照明光光轴方向的深度分辨的反射率或背向散射率分布，即层析图。在ss-oct中，样品深度和光源波数是一对傅里叶变换对，将采集的干涉信号沿波数k进行傅里叶变换(简称为fft)，获得样品的层析结构图像。对非波数等间隔的干涉信号直接进行fft会产生一个展宽因子，导致系统的轴向分辨率和测量精度降低，影响图像质量。通过光谱标定，可以获得波数等间隔的干涉信号。因此，光谱标定在频域oct系统中具有重要的作用。

扫频光学相干层析成像(ss-oct)系统中，数据采集卡密集采样时采集到的干涉信号是时间等间隔分布，而扫频光源输出光的波数通常并不是随时间线性变化的，因此需要在傅里叶变换之前获得波数等间隔的干涉信号。目前主要有硬件和软件两种方式获得波数等间隔的干涉信号。

硬件的方式主要有：

1)采用一个窄带固定波长滤波器(如光纤布拉格光栅)来标定扫频输出光的起始点，并且认为波长随时间线性分布，对干涉光谱信号进行插值，得到波数等间隔分布的干涉光谱采样点(参见在先技术[1]，b.j.vakoc,s.h.yun,j.f.deboer,g.j.tearney,andb.e.bouma，“phase-resolvedopticalfrequencydomainimaging”，opt.express，vol.13,no.14，5483–5493，2005)；

2)在扫频oct系统中，将光源的一部分输出光引入到光纤法布里-珀罗干涉仪(ffpi)，当扫频光源的输出光谱覆盖ffpi的自由光谱范围时，产生一个尖峰信号，触发采集卡采集一个采样点，获得波数等间隔的干涉信号(参见在先技术[2]，michaela.choma,kevinhsuandjosepha.izatt，“sweptsourceopticalcoherencetomographyusinganall-fiber1300-nmringlasersource”，journalofbiomedicaloptics，vol.10，no.4，044009，2005)；

3)j.g.fujimoto等人用马赫曾德干涉仪(mzi)代替ffpi，产生具有固定光程差的正弦干涉信号。通过最近邻域比较算法、遗传算法和插值相结合等方法得到等波数间隔采样点，同步触发数据采集卡，获得波数等间隔的干涉信号(参见在先技术[3]，r.huber,m.wojtkowskiandj.g.fujimoto，“three-dimensionalandc-modeoctimagingwithacompact,frequencysweptlasersourceat1300nm”，opt.express，vol.13,no.25，10523–10538，2005)。

4)另外，xingdeli等人采用马赫曾德干涉仪结合过零点探测电路得到等波数间隔采样时钟，同步触发数据采集卡，获得波数等间隔的干涉信号(参见在先技术[4]，jiefengxi,lihuo,jiasongliandxingdeli，“genericreal-timeuniformk-spacesamplingmethodforhigh-speedswept-sourceopticalcoherencetomography”,opt.expressvol.18,no.9，9511-9517，2010)。

上述基于硬件方法的精度与采样点数受到触发同步硬件性能的限制，如采用窄带固定波长滤波器只能将标定起始点的波长固定于一点，ffpi只能产生有限多的采样点，而mzi干涉仪的光程差限制了系统的波数等间隔采样点数。此外，硬件的方法需要引入额外器件，增加了系统的复杂性。

软件的方式有两种：

1)zhihuading等提出的基于非均匀离散傅里叶变换的方法，直接对采集的波长等间隔的干涉信号进行非均匀离散傅里叶变换，但该方法数据处理量大、耗时，不适用于实时显示(参见在先技术[5]，tongwu，zhihuading，kaiwang，chuanwang，“sweptsourceopticalcoherencetomographybasedonnon-uniformdiscretefouriertransform”,中国光学快报(英文版),vol.7,no.10，941-944，2009)；

2)y.yasuno等提出的基于反射镜干涉信号的校正方法，该方法先用反射镜作为样品获得干涉信号，再利用该干涉信号的相位信息进行光谱校准，但是需要已知光源波长随时间的变化关系，同时认为光源至少在数个月内保持稳定，且不能实时校准采集的样品干涉信号(参见在先技术[6]，y.yasuno,v.d.madjarova,s.makita,m.akiba,a.morosawa,c.chong,t.sakai,k.p.chan,m.itoh,andt.yatagai,“three-dimensionalandhigh-speedswept-sourceopticalcoherencetomographyforinvivoinvestigationofhumananterioreyesegments,”opt.expressvol.13,no.2510652–106642005)。

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，提供一种扫频光学相干层析成像系统的光谱标定方法。在扫频光学相干层析成像系统的参考臂中放置一个折射率为n、厚度为d的透明薄片，利用该透明薄片的可以获得具有固定光程差的干涉信号，再获得该干涉信号的相位信息，从而实现对样品干涉信号的光谱标定。

本发明的技术解决方案如下：

一种扫频光学相干层析成像系统的光谱标定方法，该扫频光学相干层析成像系统中扫频光源的输出端口与第一耦合器的第一端口相连，第二端口连接至第二耦合器的第一端口，第一耦合器将光分为两路，分别连接至样品光路和参考光路，其中样品光路中，第一耦合器的第三端口连接至第一准直透镜，准直后的光出射方向顺序放置二维扫描振镜、聚焦透镜和待测样品；参考光路中，输出光的出射方向顺序放置第二光束准直器、色散补偿快和第三准直透镜，输出端口连接至第二耦合器的第二端口，第二耦合器的两个输出端口和连接至平衡探测器，再通过数据采集卡与计算机相连，其特点在于，该光谱标定法包括以下步骤：

①在所述的参考光路中第二光束准直器和第三准直透镜之间放置一个透明薄片，该透明薄片的前后表面能够产生光程差为2nd的干涉信号：

当参考光路是透射式结构的参考臂，则所述的透明薄片的折射率为n，厚度为d；

当参考光路是反射式结构的参考臂，则所述的透明薄片的折射率为n，厚度为d/2；

②启动扫频光学相干层析成像系统，所述的透明薄片产生光程差为2nd的透明薄片干涉信号阵列is，同时参考臂的光和样品臂的光在第二个耦合器发生干涉，得到样品干涉信号阵列irs，透明薄片干涉信号阵列is和样品干涉信号阵列irs对应点的数值叠加得到信号阵列i，经探测器探测后通过数据采集卡传输到计算机；

所述的透明薄片干涉信号阵列is、样品干涉信号阵列irs和信号阵列i均是含有m*p个采样点数的阵列，m表示深度(轴向)方向的采样点数，p表示每帧(b-scan)包含的横向扫描点数，其中干涉信号阵列is沿横向扫描点方向的数值相同；

③信号阵列i沿横向扫描点方向的对应点求和，再除以p获得透明薄片干涉信号阵列is，或者通过傅里叶变换后找到透明薄片干涉信号阵列is所对应的频率再滤波该信号的方法获得透明薄片干涉信号阵列is，然后再将信号阵列i的每一列减去透明薄片干涉信号阵列is的对应点的值得到样品干涉信号阵列irs；

④对透明薄片干涉信号阵列is进行傅里叶变换，分别求得傅里叶变换后的左右信号并滤出，接着对这两个信号逆傅里叶变换后求取其相位阵列并解包裹，获得两个解包裹的相位阵列，然后选出与光源波数变化趋势相同的相位阵列

⑤将光源的光谱密度函数s(k)的波长扫描范围等分成m-1份，得到含有m个点的初始波长阵列λ，并通过公式k0＝2π/λ得到与λ对应的初始波数阵列k0；

⑥设定最大循环次数n，将初始波数阵列k0作为自变量、相位阵列作为因变量进行三次幂或三次幂以上的多项式曲线拟合，获得一组拟合系数，再根据求出的多项式中二次幂及更高次幂多项式曲线拟合系数，计算出二次幂及更高次幂对应的非线性相位由公式求出相应的波数变化量δk0，其中，z_peak0＝2*π*p_idx0./(kmax0-kmin0),p_idx0表示干涉信号阵列is傅里叶变换后相应的峰值位置，kmax0和kmin0分别表示初始波数阵列k0的最大值和最小值；然后，从初始波数阵列k0的每一项减去对应项的波数变化量δk0，获得新的波数阵列k1；

⑦令ki＝k1，将波数阵列ki作为自变量、相位阵列作为因变量进行三次幂或三次幂以上的多项式曲线拟合，获得一组新的拟合系数，再根据求出的二次幂及更高次幂多项式曲线拟合系数计算出二次幂及更高次幂对应的非线性相位由公式其中z_peaki＝2*π*p_idxi./(kmaxi-kmini),p_idxi表示透明薄片干涉信号阵列is傅里叶变换后相应的峰值位置，kmaxi和kmini分别表示波数阵列ki的最大值和最小值；求出相应的波数变化量δki，直至满足最大循环次数n或者波数变化量δki的均值最小，得到最终的波数阵列kn；

⑧在最终的波数阵列kn的起始点和终止点之间等间隔均分m-1份，获得含有m个点的等间隔的波数阵列kn＇，再通过公式λn＝2π/kn＇获得与kn＇对应的波数等间隔的波长阵列λn，利用初始波长阵列λ和波长阵列λn对样品干涉信号阵列irs进行插值，得到波数等间隔分布的样品干涉信号阵列irs(λn)，对其进行逆傅里叶变换的数据处理和图像重建算法，得到样品的层析图像。

实施上述方法的扫频光学相干层析成像系统主要包括扫频光源、迈克尔逊干涉仪、平衡探测器和数据采集卡。所述的迈克尔逊干涉仪具有两个接近等光程的干涉光路，分别为参考光路和样品光路。

所述的样品光路将光束聚焦到样品并进行扫描成像，可以通过二维扫描振镜扫描样品，也可以通过移动精密机械位移台扫描样品。

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。

该系统的工作情况如下：

扫频光源发出的光经迈克尔逊干涉仪后分为参考光路和样品光路，样品光路中的光经一系列光学器件后聚焦到待测样品；参考光路中须通过透明薄片，用于获得具有固定光程差的干涉信号。样品内部不同深度的背向散射光被重新收集并沿原光路返回，该返回光和参考臂的耦合光发生干涉后接入平衡探测器，探测器探测的干涉信号通过数据采集卡送入计算机进行数据处理，得到待测样品沿深度方向的层析图。通过二维振镜沿光轴垂直方向扫描获得样品上不同位置的层析图，得到待测样品的二维或三维层析图。

本发明与现有技术相比有益的效果是：

1.与在先技术[1]、[2]、[3]和[4]相比，本发明不需要mzi等额外复杂的器件，减少了系统的成本和复杂性。

2.与在先技术[5]相比，本发明的数据计算量减小，节省时间，可实时显示成像结果。

3.与在先技术[6]相比，本发明认为光源在一个b-scan内保持稳定，降低了光源不稳定性的影响，而且采用傅里叶变换后再滤波的方式可以实时校准。

附图说明

图1是光纤型扫频光学相干层析成像系统的结构示意图。

图2是采用精密位移平台对样品进行扫描的样品臂光路示意图。

图3是反射式结构的参考臂光路示意图。

图4是光谱标定的流程图。

图5是模拟的光谱标定前的波长等间隔的两层样品的a-line信号图。

图6是模拟的光谱标定后的波长等间隔的两层样品的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为本发明的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1的输出端口与第一耦合器21的第一端口211相连，第二端口212连接至第二耦合器24的第一端口241，第一耦合器21将光分为两路213和214，分别连接至样品光路22和参考光路23。样品光路22中，第一耦合器21的第三端口213连接至第一准直透镜221，准直后的光出射方向顺序放置二维扫描振镜222、聚焦透镜223和待测样品224；参考光路23中，第一耦合器21的另一个出射端口214，输出光的出射方向顺序放置第二光束准直器231、透明薄片232、色散补偿快233和第三准直透镜234，输出端口连接至第二耦合器24的第二端口242。第二耦合器24的两个输出端口243和244连接至平衡探测器3，再通过数据采集卡4与计算机5相连。

扫频光源1的输出扫频激光进入第一耦合器21中并分成两路213和214，一路213进入样品臂光路22，并经过第一准直透镜221、二维扫描振镜222和聚焦透镜223后聚焦到待测样品224上；另一路214进入参考臂光路23，经过第二准直透镜231、透明薄片232、色散补偿块233和第三准直透镜234后输出耦合光。从待测样品234内部不同深度处背向散射回来的光被重新收集回第一耦合器21，并由第二端口212输出。该第二端口212的输出光与参考光路23输出的耦合光，输入到第二耦合器24的第一端口241和第二端口242，在第二耦合器24产生干涉信号，该干涉信号经平衡探测器3将光信号转换成电信号，经数据采集卡4采集后送入计算机5中。该干涉信号在计算机5中进行数据处理后获得透明薄片232的干涉信号和样品的干涉信号。由透明薄片232的干涉信号获得波数等间隔采样点，利用这些采样点对系统中被测样品234的干涉信号插值获得波数等间隔的干涉信号，逆傅里叶变换后得到被测样品234沿深度方向的层析图。通过二维扫描振镜223对待测样品234沿光轴垂直方向做横向扫描获得被测样品234的二维或三维层析图。

本实施例中，扫频光源的中心波长是1050nm，带宽约为102nm。第一准直透镜、第二准直透镜和第三准直透镜具有相同的参数，色散补偿块233是由与聚焦透镜223相同的两个透镜组成的4f系统。

图4是本发明扫频光学相干层析成像系统光谱标定的流程图，如图所示，包括下列步骤：

①在所述的参考光路中第二光束准直器和第三准直透镜之间放置一个透明薄片232，该透明薄片232的前后表面能够产生光程差为2nd的干涉信号：

当参考光路是透射式结构的参考臂，则所述的透明薄片232的折射率为n，厚度为d；

当参考光路是反射式结构的参考臂，则所述的透明薄片232的折射率为n，厚度为d/2；

启动扫频光学相干层析成像系统，所述的透明薄片产生光程差为2nd的透明薄片干涉信号阵列is，同时参考臂的光和样品臂的光在第二个耦合器24发生干涉，得到样品干涉信号阵列irs，透明薄片干涉信号阵列is和样品干涉信号阵列irs对应点的数值叠加得到信号阵列i，经探测器3探测后通过数据采集卡4传输到计算机5；

所述的透明薄片干涉信号阵列is、样品干涉信号阵列irs和信号阵列i均是含有m*p个采样点数的阵列，m表示深度(轴向)方向的采样点数，p表示每帧(b-scan)包含的横向扫描点数，其中干涉信号阵列is沿横向扫描点方向的数值相同；

②信号阵列i沿横向扫描点方向的对应点求和，再除以p获得透明薄片干涉信号阵列is，或者通过傅里叶变换后找到透明薄片干涉信号阵列is所对应的频率再滤波该信号的方法获得透明薄片干涉信号阵列is，然后再将信号阵列i的每一列减去透明薄片干涉信号阵列is的对应点的值得到样品干涉信号阵列irs；

③对透明薄片干涉信号阵列is进行傅里叶变换，分别求得傅里叶变换后的左右信号并滤出，接着对这两个信号逆傅里叶变换后求取其相位阵列并解包裹，获得两个解包裹的相位阵列，然后选出与光源波数变化趋势相同的相位阵列

④将光源的光谱密度函数s(k)的波长扫描范围等分成m-1份，得到含有m个点的初始波长阵列λ，并通过公式k0＝2π/λ得到与λ对应的初始波数阵列k0；

⑤设定最大循环次数n，将初始波数阵列k0作为自变量、相位阵列作为因变量进行三次幂或三次幂以上的多项式曲线拟合，获得一组拟合系数，再根据求出的多项式中二次幂及更高次幂多项式曲线拟合系数，计算出二次幂及更高次幂对应的非线性相位由公式求出相应的波数变化量δk0，其中，z_peak0＝2*π*p_idx0./(kmax0-kmin0),p_idx0表示干涉信号阵列is傅里叶变换后相应的峰值位置，kmax0和kmin0分别表示初始波数阵列k0的最大值和最小值；然后，从初始波数阵列k0的每一项减去对应项的波数变化量δk0，获得新的波数阵列k1；

⑥令ki＝k1，将波数阵列ki作为自变量、相位阵列作为因变量进行三次幂或三次幂以上的多项式曲线拟合，获得一组新的拟合系数，再根据求出的二次幂及更高次幂多项式曲线拟合系数计算出二次幂及更高次幂对应的非线性相位由公式其中z_peaki＝2*π*p_idxi./(kmaxi-kmini),p_idxi表示透明薄片干涉信号阵列is傅里叶变换后相应的峰值位置，kmaxi和kmini分别表示波数阵列ki的最大值和最小值；求出相应的波数变化量δki，直至满足最大循环次数n或者波数变化量δki的均值最小，得到最终的波数阵列kn；

⑦在最终的波数阵列kn的起始点和终止点之间等间隔均分m-1份，获得含有m个点的等间隔的波数阵列kn＇，再通过公式λn＝2π/kn＇获得与kn＇对应的波数等间隔的波长阵列λn，利用初始波长阵列λ和波长阵列λn对样品干涉信号阵列irs进行插值，得到波数等间隔分布的样品干涉信号阵列irs(λn)，对其进行逆傅里叶变换的数据处理和图像重建算法，得到样品的层析图像。

图5是模拟的光谱标定前的波长等间隔的两层样品的a-line信号图。图6是模拟的光谱标定后的波长等间隔的两层样品的a-line信号图。从图中可以看出，当采集的样品干涉信号是非波数等间隔时，a-line信号发生了严重的展宽。而且当两层距离较近时，容易发生混叠，甚至无法分开。

本发明应用于扫频光学相干层析成像系统的光谱标定，利用透明薄片产生的干涉信号对波数进行校准，从而实现系统中样品干涉信号的光谱标定，获得波数等间隔的系统样品干涉信号。