一种基于光学相干断层扫描成像中相位误差的校正方法

摘要

本发明公开的一种基于扫频光源的光学相干断层扫描成像中相位误差的校正方法，其包括(1)干涉光谱做离散傅里叶变换；对光学相干断层扫描成像原始干涉信号进行调制的方法。(2)利用对光学相干断层扫描成像原始干涉信号的调制信号的相位分布来检测原始干涉光谱信号的偏移。(3)校正光学相干断层扫描成像原始干涉光谱信号的偏移的方法。本发明是一种新的具有可行性和有效性的采用由扫频光源提供的k时钟作为采样时钟的SS‑OCT系统中对由电子设备内部抖动引起的相位误差实时校正方法，为准确测量人体组织血流量提供保障，对于医学临床诊断与治疗起到重要的辅助作用，提高基于相位解析的OCT血管造影图像质量和血流速度测量的准确性，同时提高固定模式噪声的去除效果。

权利要求

1.一种基于光学相干断层扫描成像中相位误差的校正方法，其包括步骤如下：(1)原始干涉光谱信号进行离散傅里叶变换：先对光学相干断层扫描成像原始干涉光谱信号进行某一频率的调制得到调制信号，然后再通过离散傅里叶变换以获取调制信号的相位信息；

(2)调制信号相位分析：对步骤(1)所获取的调制信号的相位进行分析，相位直方图中分布最多的相位值为正确无偏移的，其它相位值所对应的干涉光谱则认为发生了偏移，偏移方向和偏移量通过其相位值与正确的相位值的差来确定；

(3)校正干涉光谱偏移：由步骤(2)所得到的光谱的偏移方向和偏移量计算在每一频率上的相位差，然后将计算所得的相位差直接从步骤(1)中经离散傅里叶变换后的信号中减去。

2.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述步骤(1)中，首先是先建立光学相干断层扫描成像系统，然后进行数据采集与处理；

所述光学相干断层扫描成像系统包括扫频激光源，样品臂，参考臂，X-Y振镜扫描仪和数据采集卡，从扫频激光源中出来的光通过光纤耦合器分出两束光，分别经过光纤环形器进入到样品臂和参考臂，经由样品臂和参考臂中反射面反射回来的背向散射光通过光纤耦合器发生干涉，干涉信号由平衡探测器探测得到。

3.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，所述X-Y振镜扫描仪通过16位的高速模拟输出装置驱动X-Y扫描振镜实现光栅扫描。

4.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，扫频激光源的光源中心波长范围为

1249.4～1359.6纳米。

5.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，所述数据采集与处理由平衡探测器探测得到的干涉信号先经过低通滤波器用以去除频率高于90MHz的信号，继而通过数据采集卡记录进电脑里；数据采集卡由激光源提供的外部k时钟驱动，通过k时钟把光谱采样到线性波数空间并做傅立叶变换计算。

6.根据权利要求5所述的校正方法，其特征在于，所述数据采集的程序建立在LabVIEW平台上，用来采集数据和控制X-Y扫描振镜，并且用LabVIEW平台进行数据处理实时展现干涉光谱图像。

7.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，上述步骤(3)的校正方式是在发生偏移的信号基础上直接减去调制信号偏移量的理论值从而得到正确相位；具体步骤如下：首先，在开始采集数据时，由一定数量的点抖动引起的相位误差从理论上计算得到，点偏移量在频域进行校正的公式如下：φc(k)＝φo(k)-2πkm/1024,

其中，φo和φc分别表示校正前和校正后的相位，k是深度指数，m是偏移点数，正号表示右移，负号表示左移，1024表示每个光谱扫描的数据点数目；

然后，根据图像深度，找出正确相位的频率，继续优化调制信号的频率；对每一频率，计算偏移的相互之间的相位差，然后取相位差最大值所对应的频率为调制信号的最优频率；

最后，通过调制信号的理论值判断光谱采集时是左偏还是右偏、具体是偏移了几个点；

从而在偏移方向和偏移量的基础上进行校正。

说明书

一种基于光学相干断层扫描成像中相位误差的校正方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种基于扫频光源的光学相干断层扫描成像中相位误差的校正方法，尤其涉及在生物组织和人体中血管成像中采用光学相干断层扫描成像系统。

背景技术

[0002] 光学相干断层扫描成像(optical coherence tomography,OCT)是一种低相干光学干涉成像技术。它能够对人体等生物组织的散射结构进行三维成像。该技术在检测眼底视网膜、消化道系统、动脉血管和皮肤等方面的疾病上有很大的潜力。目前OCT技术发展较为成熟的功能是对静止的散射结构成像，除此以外，OCT还具备其它的延生功能，其中研究较多的一个延生功能成像是对人体等生物组织中的血流成像，通常称之为光学相干血管造影(optical coherence angiogr aphy,OCA)。实现OCA的方法主要可分为相关性方法和相位解析方法。相比前者，相位解析的方法具备对血流速度进行定量分析的潜力。但是相位解析方法对OCT系统的相位稳定性提出了更高的要求，任何系统自身的相位误差都会被引入最终的血管成像，影响成像质量和后期定量分析的准确性。此外，相位误差还会影响OCT成像中的固定模式噪声去除效果。

[0003] 现今OCT已经发展到第三代，基于扫频光源光学相干断层扫描成像(swept-source OCT，SS-OCT)，第一、二代分别是时域OCT和谱域OCT。谱域OCT和扫频光源OCT又共称为傅里叶域OCT，扫频光源OCT相比于谱域OCT，它采用扫频光源提供的k时钟作为采样时钟，从而使得测量得到的干涉光谱在波数空间线性均匀分布，因而可以直接对测得的干涉光谱进行离散傅里叶变化来获取深度反射轮廓，大大简化了后期的信号处理，而谱域OCT则需要在计算离散傅里叶变换之前对测量得到的光谱进行重采样来使得光谱在波数空间线性均匀分布。在SS-OCT系统中，相位不稳定性主要体现为测量的干涉光谱信号在波数空间的前后偏移，这一现象主要是由扫频光源所提供的信号采集触发信号和k时钟信号之间的相对不稳定性造成的，数据采集卡电路本身也可能会引起上面所述的偏移。

[0004] 目前，共有两种后处理方法用于扫频光源OCT系统中消除系统中的相位不稳定性。一种方法是通过在系统中创建一个理想的校准信号-马赫曾德尔干涉(MZI)信号进行校正，先对所采集到的干涉光谱进行重新采样，采样信号在线性波数空间均匀分布，然后通过比较两个干涉光谱之间的相关性来判断前后偏移方向和偏移量，从而校正来消除扫频光源OCT图像中所有的伪影。(例如，见Boy Braaf等人的“Phase-stabilized OFDI at 1-μm for the measurement of blood flow in the human choroid(稳相光学频域成像技术在1微米内测量人类脉络膜血流量)”，Optics express(光学快讯)，2011；19(21):20886-903.)另外一种方法是把受触发抖动的干涉图与参考图进行比较，通过比较得出的不同的幅度或者相位来判断是否有固定模式噪声并做相应的扫频光源光学相干断层扫描成像(SS-OCT)系统的相位稳定性。(例如，见Gangjun Liu等人的“Postprocessing algorithms to minimize fixed-pattern artifact and reduce trigger jitter in swept source optical coherence tomography(在扫频光学相干断层扫描中固定模式伪影最小化和减少触发抖动的后处理算法)”，Optics express(光学快讯，)，2015；23(8):9824-34.)发明内容

[0005] 针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提出一个新的方法来实时校正扫频光源OCT中的相位误差，即基于扫频光源的光学相干断层扫描成像中相位误差的校正方法，从而提高基于相位解析的OCT血管造影图像质量和血流速度测量的准确性，同时提高固定模式噪声的去除效果。

[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0007] 本发明是通过对OCT原始干涉光谱信号进行特定频率的调制，并通过分析该调制信号的相位分布来检测上面所述的偏移方向和偏移量，然后计算出相对应的相位误差，最后在谱域对检测出来的相位误差进行校正。其基于光学相干断层扫描成像(OCT)中相位误差的校正方法主要包括三个步骤：

[0008] (1)干涉光谱做离散傅里叶变换：先对光学相干断层扫描成像(OCT)原始干涉光谱信号进行特定频率的调制，再做离散傅里叶变换以获取调制信号的相位信息；

[0009] (2)调制信号相位分析：对步骤(1)所获取的调制信号的相位进行分析，相位直方图中分布最多的相位值为正确无偏移的，其它相位值所对应的干涉光谱则认为发生了偏移，偏移方向和偏移量可通过其相位值与正确的相位值的差来确定；

[0010] (3)校正干涉光谱偏移：由步骤(2)所得到的光谱的偏移方向和偏移量计算在每一频率上的相位差，然后将计算所得的相位差直接从步骤(1)中经离散傅里叶变换后的信号中减去。

[0011] 本发明首次提出了一种新的具有可行性和有效性的采用由扫频光源提供的k时钟作为采样时钟的SS-OCT系统中对由电子设备内部抖动引起的相位误差实时校正方法，为准确测量人体组织血流量提供保障，对于医学临床诊断与治疗起到重要的辅助作用。该方法在硬件方面对系统的改动很小，在软件算法方面计算量小，易于实现实时校正。

附图说明

[0012] 下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

[0013] 图1为本发明的光学相干断层扫描成像系统原理图；

[0014] 图2(a)本发明一次B扫描采集的第500个干涉光谱图像；

[0015] 图2(b)为一次B扫描采集的所有干涉光谱取平均后图像；

[0016] 图3为本发明干涉光谱经傅里叶变换后的幅度谱图；

[0017] 图4(a)校正之前的相位分布图；

[0018] 图4(b)为校正之后的相位分布图；

[0019] 图5(a)左右移位引起的相位误差关于频率的函数；

[0020] 图5(b)为图5(a)上从±1到±3点移动的最小相位差关于调制频率的函数图。

[0021] 图6为61,000个光谱分别在扫描触发和光触发条件下偏移点数的直方图；

[0022] 图7(a)人体皮肤图像相位校正之前的灰度图像；

[0023] 图7(c)人体皮肤图像相位校正之前的多普勒图像；

[0024] 图7(b)人体皮肤图像相位校正之后的灰度图像；

[0025] 图7(d)人体皮肤图像相位校正之后的多普勒图像。

具体实施方式

[0026] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

[0027] 在SS-OCT中，扫频光源提供了信号采集的触发信号和k时钟(采样时钟)。与第二代谱域OCT最大的区别在于SS-OCT使用k时钟作为信号采集的采样时钟从而使得采集到的干涉光谱信号线性均匀分布在波数空间，这可以大大简化后期的信号处理。另外一方面，使用k时钟作为采样时钟的主要缺陷在于触发信号和k时钟之间的相对不稳定性，具体表现为连续采集的干涉光谱在波数空间发生相对偏移，这种偏移可达到几个时钟周期。

[0028] 上述的偏移是SS-OCT成像中相位误差的主要来源，本发明主要是检测和校正上述偏移从而降低SS-OCT的系统相位误差，提供一种SS-OCT系统即基于扫频光源的光学相干断层扫描成像中相位误差的实时校正方法，其为新的具有可行性和有效性的采用由扫频光源提供的k时钟作为采样时钟的SS-OCT系统中对由电子设备内部抖动引起的相位误差实时校正方法，具体原理是通过对OCT原始干涉光谱信号进行特定频率的调制，并通过分析该调制信号的相位分布来检测上面所述的偏移方向和偏移量，然后计算出相对应的相位误差，最后在谱域对检测出来的相位误差进行校正。(例如，见Jianhua Mo等人的“Correction of Phase-error for Phase-resolved k-clocked Optical Frequency Domain Imaging(基于相位解析的光学频域成像的相位误差的校正)”)。

[0029] 为详细说明本发明，下面对本发明的具体实施方法作进一步详细的描述。

[0030] 参见图，本发明主要包括3个步骤：SS-OCT系统搭建、数据采集与处理、相位误差校正算法。具体描述如下：

[0031] (1)SS-OCT系统搭建；

[0032] 本发明所设计的SS-OCT系统主要由扫频激光源，样品臂，参考臂，X-Y振镜扫描仪和数据采集卡组成，如图1所示。光源中心波长为1310纳米，波长范围从1249.4到1359.6纳米。激光器平均输出功率为20毫瓦。从扫频激光源中出来的光由90/10的光纤耦合器分出两束光，分别经过光纤环形器进入到样品臂(90％)和参考臂(10％)，经由两臂中反射面反射回来的背向散射光通过50/50的光纤耦合器发生干涉，干涉信号由平衡探测器探测得到。B扫描通过16位的高速模拟输出装置驱动X-Y扫描振镜实现光栅扫描。

[0033] (2)数据采集与处理；

[0034] 由平衡探测器探测得到的干涉信号先经过低通滤波器用以去除频率高于90MHz的信号，继而通过14位的数据采集卡记录进电脑里。数据采集卡由激光源提供的外部k时钟驱动，通过k时钟把光谱采样到线性波数空间(K空间)并做傅立叶变换计算。数据采集程序建立在LabVIEW平台上，用来采集数据和控制X-Y扫描振镜，并且用LabVIEW进行数据处理可以实时展现干涉光谱图像。

[0035] (3)相位误差校正算法

[0036] 相位误差校正算法主要包括3个步骤：包括：(a)干涉光谱做离散傅里叶变换；对光学相干断层扫描成像原始干涉信号进行调制的方法。(b)调制信号相位分析；利用对光学相干断层扫描成像原始干涉信号的调制信号的相位分布来检测原始干涉光谱信号的偏移。(c)校正干涉光谱偏移；校正光学相干断层扫描成像原始干涉光谱信号的偏移的方法。该具体如下：

[0037] (a)干涉光谱做离散傅里叶变换；

[0038] 本发明中B扫描通过16位的高速模拟输出装置驱动X-Y扫描振镜实现光栅扫描。一次B扫描包含12000个干涉光谱，每个光谱上有1024个点，这些光谱组成一个1024*12000的数据包。一次B扫描采集的干涉光谱如图2所示。在干涉信号被送进探测器之前，对干涉光谱施加一个完美的正弦调制信号。光谱调制信号由在平衡探测器之前其中一个臂的光路中插入一个聚碳酸酯片产生。该调制信号在干涉光谱进行傅里叶变换后的幅度谱中表示为一个非常稳定的高峰，如图3所示。通过分析稳定调制信号的相位来识别和量化干涉光谱的偏移。

[0039] (b)调制信号相位分析

[0040] 本发明提出的方式是通过对OCT原始信号进行某一特定频率的调制，通过分析该调制信号的相位来检测干涉光谱的偏移抖动并对检测出来抖动引起的相位误差进行校正。具体来说，在同一点进行数据采集,比如说重复采集一万次,在这一点它的相位分布会呈现离散状态,不一定是均匀分布的,可能在某一处存在5000个点,在另一处存在4200个点,其余800个点则是存在于其他一处,但总的加起来还是10000个点。然后统计其相位分布，以点分布最多的一个相位值作为正确相位。基于步骤(a)中做完傅里叶变换之后的幅度谱，在峰值处取三个相对最高点作为参考信号，对三个参考信号做相位直方图，并以其中幅值最大点作为正确的相位，其他点通过与理论值相比较来确定点的偏移位数和偏移方向并做±1到±3点的移位校正。校正前后的结果如图4所示。

[0041] (c)校正干涉光谱偏移

[0042] 本发明采取的校正方式是在发生偏移的信号基础上直接减去调制信号偏移量的理论值从而得到正确相位。首先，在开始采集数据时，由一定数量的点抖动引起的相位误差可以从理论上计算得到。点偏移量在频域进行校正的公式如下：

[0043] φc(k)＝φo(k)-2πkm/1024,(1)

[0044] 这里φo和φc分别表示校正前和校正后的相位，k是深度指数，m是偏移点数(正号表示右移，负号表示左移)，1024表示每个光谱扫描的数据点数目。如图5(a)所示。

[0045] 另外，考虑到图像深度的问题，找出正确相位的频率，继续优化调制信号的频率。如图5(a)所示，对每一频率，计算从±1到±3点偏移的相互之间的相位差，然后取相位差最大值所对应的频率为调制信号的最优频率(图5(b))。在此发明中，选择调制频率约为
60MHz,其原因有两个：(1)在一个A扫描中调制信号峰值离我们关心的图像深度足够远；(2)从理论上来说，未经过校正前有±1到±3点偏移的相位整个范围内，60MHZ左右能被最好的分离(在做相位直方图时不会出现重叠现象)，而不是在27.9MHz左右。

[0046] 然后，通过调制信号的理论值判断光谱采集时是左偏还是右偏、具体是偏移了几个点。在知道了偏移方向和偏移量的基础上进行校正。(4)光谱偏移原因[0047] 为探讨光谱偏移的原因，本发明测试了在光触发条件下的相位稳定性。光触发信号通过将光源发出的光分出一小部分导入布拉格光纤光栅(FBG)，布拉格光栅反射回来的光由光接收器探测得到转换为电脉冲信号，以此作为OCT数据采集的触发信号。由布拉格光纤光栅反射回来的光的中心波长位置是固定的即每次光纤光栅给的光信号位置是固定的，所以光触发信号与k时钟基本一致不存在相对的不稳定抖动。与扫描触发条件下的直方图分布相比，两者非常类似，如图6所示，其为61,000个光谱分别在扫描触发和光触发条件下偏移点数的直方图。当偏移点数为±2时，为了更好地可视化放大了100倍。以上每个直方条上都标注了实际的点数。

[0048] 上述意味着光触发信号与k时钟基本一致不存在抖动，并可得出引起抖动最大的因素是来自数据采集卡上的电子设备的结论。由于偏移点的数量十分有限，本发明建议在干涉谱上强加一个稳定的光谱调制信号并加以利用其相位来校正由于抖动引起的相位误差。具体方法详见算法步骤(a)、(b)。

[0049] (5)实验验证

[0050] 此外，本发明在人体皮肤上验证了相位误差校正算法。评价相位校正效果有三个标准：1)调制信号的相位分布；2)基于相位解析的多普勒图；3)固定模式噪声去除效果。校正结果如图7所示。

[0051] 调制信号的相位分布效果已从步骤(b)中看出校正前后差异。校正前，其相位呈现出离散且不均匀的分布，经过算法校正后，其相位分布比较均匀而且很集中，消除相位误差的效果十分明显。

[0052] 图7分别描述可以看到在图7(a)中，没有经过相位误差校正的结构图上，灰度图像的上半部分仍然存在一些较淡的灰色的直线条，在同一图像深度，在灰度图像的下半部分存在着一条厚厚的黑线(由正弦调制信号导致)。这表明固定模式噪声没有被完全消除。与此相反的是，在图7(b)中，经过相位误差矫正之后，以上这些固定模式噪声行几乎完全被消除了。这表明校正相位误差后可以改善固定模式噪声的消除。至于多普勒图像，校正相位误差前很难识别到多普勒信号。校正相位误差后,多普勒信号显示的很清楚，如图7(c)和图7(d)所示。

[0053] 这些结果表明我们的相位误差校正方法在校正相位误差、校正后改善的固定模式噪声去除效果、以及基于相位解析的光学频域成像的多普勒信号的对比上都有很好的效果。

[0054] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。