专利名称：一种频域光学相干层析信号位置和相位配准方法
技术领域：
本发明涉及一种频域光学相干层析信号的位置和相位配准方法。尤其是涉及对生物组织在体扫描成像时位置和相位配准方法。
背景技术：
光学相干层析成像技术(OpticalCoherence Tomography, OCT)是继 X 射线、CT、磁共振成像(MRI)、超声诊断技术之后的又一种新的断层成像技术。与常规医学影像学方法相比，具有更高的灵敏度与分辨率。可以实现对生物组织的无损伤、非侵入、非电离辐射、微米量级的结构成像以及偏振0CT、多普勒0CT、光谱0CT、弹性OCT等功能成像，用于活体生物组织的显微结构分析和特性参数测量，在生物医学(眼科、皮肤科、心血管系统、消化系统及中医学等)和许多领域开始被广泛地应用。时域光学相干层析成像(Time DomainOptical Coherence Tomography, TD-0CT)技术需要实现深度方向扫描,不利于OCT的高速实时成像。频域光学相干层析成像(Frequency Domain Optical Coherence Tomography,FD-0CT)系统，通过对样品臂和参考臂的相干光谱作傅立叶变换就可以得到深度方向(Z方向)的全部信息(A-扫描信号)，不需要深度方向机械扫描(A-扫描)，仅需要进行横向扫描(X方向扫描和Y方向扫描)，一次X方向扫描形成一幅B扫描图像,Y方向扫描形成OCT三维信号，大大提高了图像采集速度，而且频域OCT能够提高信噪比，具有较高的分辨率和灵敏度，成为目前OCT领域研究的重点。频域光学相干层析成像获取A扫描信号速率较快，A扫描信号内各个深度的信号之间具有稳定的相位。但由于FD-OCT系统扫描定位误差、机械部分产生的跳动以及热飘移等因素会引起各个相邻A扫描信号之间相位波动。生物组织在体成像时样品抖动(例如眼睛的运动)对信号稳定性影响更加严重，不仅A扫描信号相位发生波动，甚至其纵向位置(Z方向)和横向位置都有可能发生偏移。不仅影响获取的结构图像的质量，更严重的是使多普勒0CT，相位显微技术和离焦图像复原等与相位有关的应用无法正常工作。因此，需要对各个A扫描信号的位置和相位进行精确配准。一般来说，采用测量臂和参考臂共光路设计，由光纤拉伸器或压电调制器组成的反馈控制回路等结构可以补偿相位波动，采用线条式照明光束，把样品外光束的相位作为参考相位可以消除共模噪声["Improved phase sensitivity in spectral domainphase microscopy using line-field illumination and self phase-referencing;/ ,Optics Express 17,10681-7, 2009],这些复杂而昂贵的硬件补偿器会影响FD-OCT的成像速度。Ralston 等[〃 Phase stability technique for inverse scattering in opticalcoherence tomography;/ , 3rd IEEE International Symposium on Biomedical Imaging Nano to Macro，578-581，2006]将一个盖玻片放在被测样品上，在图像中定位盖玻片位置，计算每个A扫描相位和群延迟，补偿光程的不同变化。盖玻片和被测对象直接接触，可能影响被测对象的某些特性，还需要校正盖玻片和样品之间相对移动引起的相位波动，而且在生物组织在体成像情况下，不便使用盖玻片。An Lin等["In vivo volumetricimaging of vascular perfusion within human retina and choroids with opticalmicro-angiography " , Optics Express 16,11438-11452, 2008]用直方图分析方法以及对A扫描信号之间所有相位差进行平均方法补偿组织整体移动带来的影响，A扫描信号中噪声的相位影响A扫描信号之间相位差测量精度和速度。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明的目的是提供一种频域光学相干层析信号的位置和相位配准方法。实现横 向二维扫描过程得到的A扫描信号位置和相位配准，消除扫描定位误差、机械跳动、热飘移、特别是样品抖动对A扫描信号位置和相位稳定性的影响。本发明包括以下步骤(I)通过归一化互相关方法求相邻二维B扫描信号扫描起始位置偏移量，对所有B扫描在X方向起始位置实现配准；(2)通过归一化互相关方法求相邻A扫描信号零光程差位置偏移量，对所有A扫描信号在Z方向的零光程差位置实现配准；(3)通过相邻A扫描信号的相位差分布特征矢量的匹配，搜索A扫描信号中由样品内部结构形成的散射信号，并通过计算相邻A扫描信号中由样品内部结构形成的散射信号的相位差的均值得到A扫描信号之间相位差，消除噪声信号相位的影响，基于相邻A扫描信号之间相位差对所有A扫描信号进行相位配准；(4)将横向二维扫描区域分成多个子区域，在每个子区域内，利用B扫描内各个A扫描之间的幅值归一化互相关与A扫描之间距离的关系建立在整个子区域内适用的关系，并对B扫描之间的相邻A扫描信号横向距离进行校正；(5)利用插值方法将横向扫描位置非均匀分布的A扫描复数信号转换为均匀分布的复数信号，从而得到均匀分布的、位置和相位配准的A扫描复数信号。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点利用A扫描信号中由样品内部结构形成的散射信号求A扫描信号之间相位差，既消除噪声信号相位的影响，配准精度高，又速度快；利用B扫描内各个A扫描信号幅值的归一化互相关系数与横向距离的关系直接建立针对此测试样品的归一化互相关系数与横向距离的关系，不需要通过专门的样品测试而获得；本发明的FD-OCT位置和相位配准方法不需要增加任何硬件，不影响系统的扫描速度，特别适合于生物组织活体成像；本发明的FD-OCT位置和相位配准方法具有很强的移植性，可以用于偏振0CT、多普勒OCT及其它有关扫描成像技术；
图I是根据本发明实施例的频域光学相干层析扫描成像形成的A扫描信号、B扫描信号示意图；图2是根据本发明实施例的FD-OCT A扫描信号位置和相位配准流程图；图3是根据本发明实施例的对相邻B扫描信号进行起始位置(X方向)配准示意图；图4是根据本发明实施例的对A扫描信号进行参考臂和样品臂零光程差位置(Z方向)配准示意图5是根据本发明实施例的对相位配准结果；图6是根据本发明实施例的对A扫描信号扫描位置校正示意图；图7是根据本发明实施例的对A扫描信号扫描位置插值示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施例。频域光学相干层析成像系统，只需通过一次投射，对样品臂和参考臂的相干光谱作傅立叶变换就可以得到深度方向(Z方向)的全部信息(A-扫描信号)，不需要深度方向机械扫描(A-扫描)。仅需要进行横向扫描(X方向扫描和Y方向扫描)，一次X方向扫描形成一幅B扫描信号，Y方向扫描形成OCT三维信号F(xj,z) =次X,(x = I :N，y=I M,z = I :K)，如图I所示。由于频域光学相干层析成像获取A扫描信号速度较快(目前已接近IMHz)，因此，认为一个A扫描内的信号具有稳定的相位。但由于FD-OCT系统扫描定位误差、机械部分产生的跳动以及热飘移等因素会引起相邻A扫描信号之间位置或相位波动。生物组织活体成像时样品抖动对信号稳定性影响更加严重，不仅A扫描信号之间相位发生波动，甚至其纵向位置(Ζ方向)和横向位置都有可能发生偏移。因此，需要对各个A扫描信号的位置和相位进行精确配准。图2是根据本发明实施例的FD-OCT A扫描信号位置和相位配准流程图。参照图2，在步骤101中，从FD-OCT三维信号中读取各个B扫描信号，通过求相邻二维B扫描信号幅值的归一化互相关方法确定相邻B扫描信号扫描起始位置偏移量，对所有B扫描在X方向起始位置实现配准。FD-OCT的横向扫描由X方向快扫描和Y方向慢扫描两个扫描单元组成，每一次X方向扫描形成一个B扫描，Y方向慢扫描形成若干个B扫描,产生FD-OCT三维信号。由于扫描机构误差、样品抖动等原因造成各个B扫描的扫描起始位置不稳定，为得到三维高质量结构图像和稳定的相位信号，需要对各个B扫描扫描起始位置进行配准。FD-OCT的二维B扫描信号中既有幅值信息又有相位信息，都可以用于位置配准。但幅值信号稳定性较好。基于幅值归一化互相关方法的B扫描起始位置配准可包括以下步骤(I)从FD-OCT三维复数信号中读取M个二维B扫描信号Bn的幅值；\Bn\ = \A(x,n,z)eMx'n'z)\ = A(x,n,z) (x = I N, n = I M, z = I K)(2)将二维B扫描信号B2相对于B1在X方向向左或向右偏移Λ η个像素(即Λη个A扫描信号)；(3)计算B2和B1中重叠的A扫描信号幅值的归一化互相关值；若B2相对于B1向左偏移Δ η个像素,则
X Α(χ + Δη, 2, ζ)Α(χ, I, ζ)r IrΜ_Δη κΠμ-Δπ κ
J Σ ΣΑ(χ + Δπ,2,ζ)[艺 Α(χ,1，ζ)
Y _ χ=1 ζ=1_ χ=1 ζ=1若B2相对于B1向右偏移Δη个像素，贝Ij
权利要求
1.一种频域光学相干层析信号的位置和相位配准方法。其特征在于包括以下步骤 (1)通过归一化互相关方法求相邻二维B扫描信号扫描起始位置偏移量，对所有B扫描在X方向起始位置实现配准； (2)通过归一化互相关方法求相邻A扫描信号零光程差位置偏移量，对所有A扫描信号在Z方向的零光程差位置实现配准； (3)基于相邻A扫描信号的相位差分布特征矢量的匹配方法，对所有A扫描信号进行相位配准；(4)将横向二维扫描区域分成多个子区域，在每个子区域内，建立A扫描之间的幅值归一化互相关值与A扫描之间距离的关系，对B扫描之间的相邻A扫描横向距离进行校正； (5)利用插值公式将横向扫描位置非均匀分布的A扫描复数信号转换为横向扫描位置均匀分布的A扫描复数信号，从而得到均匀分布的、位置和相位配准的A扫描复数信号。
2.根据权利要求I所述的频域光学相干层析信号位置和相位配准方法，其中，B扫描在X方向起始位置配准步骤包括 (1)将第2个二维B扫描信号相对于第I个B扫描信号在X方向偏移Δη个像素(即Λ η个A扫描信号)，计算偏移后的两个二维B扫描信号重叠的A扫描信号幅值的归一化互相关值； (2)改变Λη的值，重复步骤I，搜索最大互相关值，最大互相关值对应的Λ η为第2个二维B扫描信号相对于第I个B扫描信号在X方向的偏移量； (3)重复步骤I-步骤2，求所有相邻二维B扫描信号之间的起始位置偏移量，对所有B扫描在X方向起始位置实现配准。
3.根据权利要求2所述的频域光学相干层析信号位置和相位配准方法，其中，A扫描信号在Z方向的零光程差位置配准步骤包括 (1)第I个B扫描内第2个A扫描信号相对于第I个A扫描信号在Z方向进行Λk像素数平移，对相对平移后的两个相邻A扫描信号互相重叠部分计算幅值的归一化互相关； (2)改变Ak的值，重复步骤1，搜索最大互相关值，最大互相关值对应的Ak为两个A扫描信号在Z方向上的零光程差位置偏移量； (3)重复步骤I-步骤2，求第I个B扫描内所有相邻A扫描信号之间的零光程差位置偏移量，对第I个B扫描内所有A扫描在Z方向上零光程差位置实现配准； (4)基于归一化互相关原理求B扫描之间的相邻A扫描的零光程差位置偏移量； (5)综合第3步和第4步结果，得到所有A扫描信号相对于第I个B扫描的第I个A扫描信号的零光程差位置偏移量，实现所有A扫描信号在Z方向零光程差位置配准。
4.根据权利要求3所述的频域光学相干层析信号位置和相位配准方法，其中，A扫描信号相位配准步骤包括 (1)读取第I个B扫描内第2个A扫描信号和第I个A扫描信号各个深度的相位差分布特征矢量，对两个A扫描信号对应深度的相位差分布特征矢量进行匹配，找到两个A扫描信号中所有的真正的信号相位点，通过求这些点的相位差的均值，得到两个A扫描信号之间的相位差； (2)重复步骤1，得到第I个B扫描内所有相邻A扫描信号之间的相位差； (3)基于相位差分布特征矢量匹配方法，求相邻B扫描的各对相邻A扫描信号中真正的信号相位点，并通过求相邻A扫描信号的真正信号相位点的相位差的均值，得到相邻B扫描的各对相邻A扫描信号之间的相位差； (4)利用步骤2和步骤3的结果，得到所有A扫描信号相对于第I个B扫描的第I个A扫描信号的相位差，进行所有A扫描信号的相位配准。
5.根据权利要求4所述的频域光学相干层析信号位置和相位配准方法，其中，对B扫描之间相邻A扫描横向距离进行校正步骤包括 (1)将横向二维扫描区域分成5X5的多个子区域，在每一个5X5子区域中，对每一个B扫描信号内的各个A扫描之间作幅值信号归一化互相关，得到与横向距离Λχ、2Λχ、3Δχ,4Δχ分别对应的一些列归一化互相关值； (2)基于最小二乘原理，用指数曲线r= e_kd拟合步骤I中获得的一系列数据，得到各个5X5子区域内任意方向A扫描信号之间幅值的归一化互相关值大小与横向距离的关系; (3)利用步骤2建立的各个子区域内A扫描信号之间幅值的归一化互相关值大小与横向距离的关系，将B扫描之间相邻A扫描的幅值归一化互相关值转化为距离，实现B扫描之间的相邻A扫描信号横向距离的校正。
6.根据权利要求5所述的频域光学相干层析信号位置和相位配准方法，其中，将横向扫描位置非均匀分布的A扫描信号转换为均匀分布的A扫描信号步骤包括 (1)根据非均匀分布的A扫描信号的横向范围，计算均匀分布的A扫描信号的横向坐标； (2)计算每一个均匀分布的A扫描信号与周围4个非均匀分布的A扫描信号的横向距离 Cl1-Cl4 ； (3)利用下面插值公式分别计算均匀分布的A扫描信号在各个深度的实部和虚部，
全文摘要
本发明公开了一种频域光学相干层析信号的位置和相位配准方法，该方法包括以下步骤通过幅值归一化互相关方法对B扫描起始位置配准；通过幅值归一化互相关方法对A扫描信号在Z方向上零光程差位置配准；基于A扫描信号相位差分布特征矢量的匹配，实现A扫描信号的相位配准；获取各个子区域内幅值归一化互相关值与横向距离关系，对A扫描信号横向位置进行校正；通过插值将横向扫描位置非均匀分布的A扫描信号转换为均匀分布的A扫描信号。本发明消除系统扫描误差及生物组织在体成像时样品抖动对信号稳定性影响。该方法无需增加硬件，不影响系统扫描速度，适合活体组织检测；相位配准精度高、速度快；具有很强的移植性，可用于多普勒OCT等领域。
文档编号A61B5/00GK102613960SQ20121010956
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者刘国忠, 王瑞康 申请人:北京信息科技大学