一种提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法与流程

本发明涉及生物医学光学成像技术领域，尤其涉及一种提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法。

背景技术：

光学相干层析成像技术(oct)是近年来快速发展的一种极具潜力的光学成像手段，基于宽谱光的干涉长度超短特性，对组织内的背向散射光进行相干检测，可以实现对生物组织的二维或者三维断层成像。相比传统的医学成像手段oct技术具有无辐射，非接触和高分辨率的优势，其分辨率可达5-15μm。因此oct技术非常适合应用于在医学成像领域，其中在眼科疾病诊疗中已经成为标准手段，同时与内窥镜结合，在心血管、呼吸道、消化道等内窥成像领域的应用也得到了广泛应用。oct技术目前从基于机械扫描的时域oct(tdoct)发展到基于光谱解码的频域oct(fdoct)，成像速度得到了很大的提高，而频域oct根据光谱解码的方法可以分为从探测端分辨光谱的谱域oct(sdoct)和从光源端分辨光谱的扫频光源oct(ssoct)，其中以扫频光源实现频率扫描的ssoct可以实现更高的成像速度和成像范围，同时拥有较为紧凑的结构，使其得到了广泛的应用。

以光波作为探测信号载体赋予了oct技术高分辨率、非接触、无电离辐射等优势，但由于吸收和散射，光在生物组织内传播时光强随深度以e指数迅速下降，成像范围内信号强度随深度迅速减弱，由此带来的动态范围不足的问题，另外对比度也随深度迅速下降，从而制约了它的应用和发展。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法，通过对不同深度处oct信号进行补偿，弥补不同深度信号的差异，增加最小可探测信号大小，从而能够提高系统动态范围、成像质量和对比度。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法，包括以下步骤：

通过扫频光源输出频率随时间扫描的宽谱光，并提供对应的触发信号和时钟信号；

根据所述扫频光源提供的触发信号和时钟信号，控制相干成像系统的机械扫描，并接收后续频率依赖探测系统转换得到的电信号后发送对应的反馈信号；

将所述宽谱光传导至样品表面进行扫描，并接收从样品返回的背向散射光和参考光同时发生干涉，生成相干光；

对所述相干光进行探测并转换为电信号，根据所述电信号的频率调节不同频率分量的增益幅度，保证不同深度的信号幅值在同一水平，并对补偿后的信号进行分析处理，同时实时成像。

进一步的，所述将所述宽谱光传导至样品表面进行扫描，并接收从样品返回的背向散射光和参考光同时发生干涉，生成相干光，具体为：

通过对所述宽谱光进行90:10耦合分光，以将90％的光传导至样品臂，将10％的光传导至参考臂；

将所述参考臂上的光聚焦到反射镜上，得到参考光；

将所述样品臂上的光进行机械扫描，并聚焦到样品上，得到背向散射光；

将所述参考光和所述背向散射光进行50:50耦合相干，生成包含样品结构信息的相干光。

作为本发明的优选实施例，本发明还提供了一种提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的装置，包括：扫频光源模块、控制模块、相干成像模块以及频率依赖探测模块；

所述扫频光源模块，用于通过扫频光源输出频率随时间扫描的宽谱光，并提供对应的触发信号和时钟信号；

所述控制模块，用于根据所述扫频光源提供的触发信号和时钟信号，控制相干成像系统的机械扫描，并接收后续频率依赖探测系统转换得到的电信号后发送对应的反馈信号；

所述相干成像模块，用于将所述宽谱光传导至样品表面进行扫描，并接收从样品返回的背向散射光和参考光同时发生干涉，生成相干光；

所述频率依赖探测模块，用于对所述相干光进行探测并转换为电信号，根据所述电信号的频率调节不同频率分量的增益幅度，保证不同深度的信号幅值在同一水平，并对补偿后的信号进行分析处理，同时实时成像。

进一步的，所述相干成像模块包括传导单元、参考光获取单元、样品光获取单元以及处理单元；

所述传导单元，用于通过对所述宽谱光进行90:10耦合分光，以将90％的光传导至样品臂，将10％的光传导至参考臂；

所述参考光获取单元，用于将所述参考臂上的光聚焦到反射镜上，得到参考光；

所述样品光获取单元，用于将所述样品臂上的光进行机械扫描，并聚焦到样品上，得到背向散射光；

所述处理单元，用于将所述参考光和所述背向散射光进行50:50耦合相干，生成包含样品结构信息的相干光。

本发明另一实施例还提供了一种提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述发明实施例所述的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法。

本发明另一实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述发明实施例所述的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明提供一种提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法，通过扫频光源输出频率随时间扫描的宽谱光，并提供对应的触发信号和时钟信号；根据所述扫频光源提供的触发信号和时钟信号，控制相干成像系统的机械扫描，并接收后续频率依赖探测系统转换得到的电信号后发送对应的反馈信号；将所述宽谱光传导至样品表面进行扫描，并接收从样品返回的背向散射光和参考光同时发生干涉，生成相干光；对所述相干光进行探测并转换为电信号，根据所述电信号的频率调节不同频率分量的增益幅度，保证不同深度的信号幅值在同一水平，并对补偿后的信号进行分析处理，同时实时成像。采用本发明提供的实施例，通过对不同深度处oct信号进行补偿，弥补不同深度信号的差异，增加最小可探测信号大小，从而能够提高系统动态范围、成像质量和对比度。

附图说明

图1是本发明提供的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法的一种实施例的流程示意图；

图2是本发明提供的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的装置的一种实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的具体光路图；

图4是本发明提供的频率依赖探测电路的一种结构示意图；

图5是本发明提供的频率依赖探测电路的另一种结构示意图

图6是本发明提供的未补偿的样品oct信号光和理想情况下频率依赖探测电路的增益曲线的对照图；

图7是本发明提供的补偿后的oct信号幅度曲线图；

图8是本发明提供的一种基于高通滤波电路的频率依赖探测电路结构示意图；

图9是本发明提供的一种频率依赖探测电路的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参见图1，图1是本发明提供的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法的一种实施例的流程示意图。如图1所示，该方法包括步骤s1至步骤s4，各步骤具体如下：

s1,通过扫频光源输出频率随时间扫描的宽谱光，并提供对应的触发信号和时钟信号；

s2,根据所述扫频光源提供的触发信号和时钟信号，控制相干成像系统的机械扫描，并接收后续频率依赖探测系统转换得到的电信号后发送对应的反馈信号；

s3,将所述宽谱光传导至样品表面进行扫描，并接收从样品返回的背向散射光和参考光同时发生干涉，生成相干光；

在本发明实施例中，所述步骤s3具体为：通过对所述宽谱光进行90:10耦合分光，以将90％的光传导至样品臂，将10％的光传导至参考臂；将所述参考臂上的光聚焦到反射镜上，得到参考光；将所述样品臂上的光进行机械扫描，并聚焦到样品上，得到背向散射光；将所述参考光和所述背向散射光进行50:50耦合相干，生成包含样品结构信息的相干光。

s4，对所述相干光进行探测并转换为电信号，根据所述电信号的频率调节不同频率分量的增益幅度，保证不同深度的信号幅值在同一水平，并对补偿后的信号进行分析处理，同时实时成像。

需要说明的是，在对所述相干信号进行探测并转换为电信号之后，先计算出不同频率信号在样品内的衰减情况，根据信号衰减趋势提供反馈信号，以此调节不同频率分量的增益情况，从而保证样品内不同深度处的信号幅度相接近，压缩了信号的范围。

本发明依据扫频光源oct系统中信号的不同频率对应样品的不同深度的特点，对干涉信号的不同频率分量提供不同的增益。不同光学性质的样品对光信号的衰减情况并不一致，具体的增益曲线可以根据信号光在样品内部的衰减情况得到，oct系统首先在无补偿的情况下预先测量到光信号在组织内部的衰减曲线后，根据此衰减曲线，动态调节不同频率的增益。本发明提供的实施例可以针对不同样品动态调节信号增益，保证不同深度的信号幅值在同一水平。通过这种方法，可以大幅度提高oct系统的动态范围，并将oct图像不同深度处的对比度保存在较高水平，从而使整幅oct图像整体更加清晰，加强oct系统的深度成像能力，深层组织的微小结构也可以清晰的呈现出来，不至于因对比度低而无法观察到，对于在临床医学中的应用有很大的意义，可以为医生提供足够的组织信息，为病情的诊断提供依据，有利于精准辅助医生进行病情的检测和手术操作。

实施例2：

请参见图2，图2是本发明提供的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的装置的一种实施例的结构示意图，如图2所示，该装置包括扫频光源模块、控制模块、相干成像模块以及频率依赖探测模块；

所述扫频光源模块，用于通过扫频光源输出频率随时间扫描的宽谱光，并提供对应的触发信号和时钟信号；

所述控制模块，用于根据所述扫频光源提供的触发信号和时钟信号，控制相干成像系统的机械扫描，并接收后续频率依赖探测系统转换得到的电信号后发送对应的反馈信号；

所述相干成像模块，用于将所述宽谱光传导至样品表面进行扫描，并接收从样品返回的背向散射光和参考光同时发生干涉，生成相干光；

所述频率依赖探测模块，用于对所述相干光进行探测并转换为电信号，根据所述电信号的频率调节不同频率分量的增益幅度，保证不同深度的信号幅值在同一水平，并对补偿后的信号进行分析处理，同时实时成像。

在本发明实施例中，所述相干成像模块包括传导单元、参考光获取单元、样品光获取单元以及处理单元；

所述传导单元，用于通过对所述宽谱光进行90:10耦合分光，以将90％的光传导至样品臂，将10％的光传导至参考臂；所述参考光获取单元，用于将所述参考臂上的光聚焦到反射镜上，得到参考光；所述样品光获取单元，用于将所述样品臂上的光进行机械扫描，并聚焦到样品上，得到背向散射光；所述处理单元，用于将所述参考光和所述背向散射光进行50:50耦合相干，生成包含样品结构信息的相干光。

实施例3：

请参见图3，图3是本发明提供的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的具体光路图，包括计算机控制系统101、扫频光源102、90:10光纤耦合器21、环形器22、准直器23、透镜24、反射镜25、样品26、透镜27、振镜扫描系统28、环形器29、50:50耦合器30、平衡光电探测器31、频率依赖探测电路32，以及数据采集卡33。

具体针对扫频光源oct系统的信号随深度衰减补偿的具体步骤如下：

由扫频光源102提供触发和时钟信号，扫频光源102出射频率随时间扫描的宽谱光，由90:10耦合器21分光，90％的光进入样品臂，10％的光进入参考臂。参考臂的光经过环形器22的1端口，由2端口输出，经准直器23和透镜24聚焦到反射镜25上，在发生反射后由2端口进入，3端口输出。样品臂的光经过环形器29的1端口，由2端口输出，由扫描振镜28进行机械扫描，由透镜27聚焦到样品26上，样品光经原路返回，进入环形器29的2端口，3端口输出。

参考光和样品光在50:50耦合器30处发生相干，包含样品结构信息的相干光输出至平衡光电探测器31的输入端，转换为电信号，经由频率依赖探测电路32后由数据采集卡33采集，传输至计算机控制系统101，在没有补偿的条件下预先测量得到信号光在样品内的衰减曲线，并反馈至频率依赖探测电路，控制其增益随频率变化曲线调节至理想状态，保证各个深度处反射回的信号强度在同一水平上，计算机控制系统101再对补偿后的信号进行分析处理，并实时成像。

实施例4：

请参见图4，图4是本发明提供的频率依赖探测电路的一种结构示意图，该电路为运算放大电路，包括电阻35，37，38，运算放大器34，磁珠36，其中磁珠36是一种电阻率和磁导率很高的电子元件，等效于电阻和电感串联，电阻值和电感值都随频率变化，在高频时呈现阻性。oct信号经光电探测器转换为电压信号后，输入至运算放大器34的同相输入端，输出电压通过电阻37和磁珠36反馈到运算放大器的反相输入端，根据运算放大器的虚短和虚断特性可以得到，输入电压vi和输出电压vo之间的关系：vo＝(1+rfb/r2)vi，其中rfb为磁珠阻抗，r2为电阻37阻值。因为磁珠36阻抗rfb随信号频率上升，所以此放大电路的放大增益将随频率上升，信号频率越高增益越大。根据实际情况可调节磁珠36的参数以获得需要的增益随频率变化曲线，使oct信号中不同频率分量幅度保持在同一水平。

实施例5：

请参见图5，图5是本发明提供的频率依赖探测电路的另一种结构示意图，该电路为运算放大电路，包括电阻40，42，43，44，运算放大器39，电感41。oct信号经光电探测器转换为电压信号后，输入至运算放大器39的同相输入端，输出电压通过电阻42,43和电感41反馈到运算放大器的反相输入端，和实施例4的电路类似，以一个电阻42和电感41代替磁珠36，在信号频率增大时，根据电感的频率响应特性，频率增大时电感的阻抗变大，即该设计增大了反馈端的电阻，放大电路的增益随频率增加。根据实际情况可调节电感41的参数以获得需要的增益随频率变化曲线，使oct信号中不同频率分量幅度保持在同一水平。

需要说明的是，图4和图5所示为放大器的基本结构图，并不局限于此一种电路结构，实际应用中可以采用其他放大电路结构，也可以通过其他电路结构实现反馈端阻抗随频率的变化。

实施例6：

请参见图6，图6是本发明提供的未补偿的oct信号光和理想情况下频率依赖探测电路的增益曲线的对照图，如图6所示的曲线47，在样品45的各个界面反射回的光在oct信号中显示为若干个峰值，而由于样品内的吸收与散射，信号强度呈e指数衰减，深层信号和表层信号幅度差距过大。如图6所示的曲线46为频率依赖探测电路的增益曲线，增益随频率增加。

实施例7：

请参见图7，图7是本发明提供的补偿后的oct信号幅度曲线图，图7中所示为补偿后的oct信号幅度曲线48，信号在样品内的衰减得到补偿，各个深度的信号幅度补偿至相近水平，在成像范围内oct信号的对比度得到了提升，深处的信号可以更加清晰的显示出来。

实施例8：

请参见图8，图8是本发明提供的一种基于高通滤波电路的频率依赖探测电路结构示意图，图8所示的频率依赖探测电路为一种高通滤波电路，包括电阻49，51，53，运算放大器50，电容52。oct信号经光电探测器转换为电压信号后，经电阻53和电容52输入至运算放大器50的反相输入端，输出电压通过电阻51反馈到运算放大器的反相输入端。通过调节高通滤波电路参数控制滤波电路幅频特性，使滤波器的通带和阻带之间的过渡带的频率范围延长，保证这一频率带包含oct系统的信号频率。从而使滤波电路在一定频率范围内插入损耗随频率减小，oct信号的低频分量得到较大抑制，而高频分量较小的抑制，使oct信号中不同频率分量幅度保持在相近水平。

需要说明的是，图8所示为一种高通滤波电路的结构示意图，并不局限于此一种电路结构，实际应用中可以采用其他滤波电路结构，实现插入损耗随频率的变化。

实施例9：

请参见图9，图9是本发明提供的一种频率依赖探测电路的另一种结构示意图，通过双通道方法调节不同频率分量的幅度，包括分束器54，低通滤波器56，合束器57，高通滤波器59。oct信号经光电探测器转换为电压信号后，由分束器分为两路，较弱的一路传输至低通滤波器56，较强的一路传输至高通滤波器59，输出的信号经由合束器重新结合至一路，此时在低通滤波器56一路得到了幅度较小的低频分量，在高通滤波器57一路得到了幅度较大的高频分量，由此可以控制oct信号中不同频率分量的幅度，根据信号在样品内的衰减情况，调节分束器的分束比例，以及低通滤波器和高通滤波器的参数，合束后的信号低频分量和高频分量的幅度可以幅度保持在相近水平。

综上所述，本发明提供的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法，通过对oct信号在生物组织内传播导致的衰减信号进行补偿，从而压缩了oct的探测范围，并使oct图像在穿透范围内保持较高的对比度，增强oct系统的深度成像能力。本发明实施例利用ssoct信号中深度信息由信号频率编码的特性，对干涉信号的不同频率以不同增益进行放大。这种方法可以有效地提高系统的动态范围，增加对比度，提高对深处组织微小结构的分辨能力，有助于oct技术在临床医疗成像中的推广应用。

本发明一实施例提供的提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的设备。该设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤s1至s4。

所称处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的设备的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据程序所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述提高扫频光源光学相干层析成像系统动态范围的设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。