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0CT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，0CT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 ang1gr aphy, 0CA)。实现0CA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0CT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0CT成像中的固定模式噪声去除效果。
[0003]现今0CT已经发展到第三代，基于扫频光源的OCT (swept-sour ce OCT, SS-0CT)，第一、二代分别是时域0CT和谱域0CT。谱域0C T和扫频光源0CT又共称为傅里叶域0CT，扫频光源0CT相比于谱域0CT，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0CT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-0CT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0CT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0CT图像中所有的伪影。(例如，见Boy Braaf等人的“Phase-stabilized 0FDIat 1- μ m for the measurement of blood flow in the human choroid (稳相光学步页域成像技术在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移位提高扫频光学相干断层(SS-0CT)系统的相位稳定性。(例如，见Gangjun Liu等人的“Postprocessingalgorithms to minimize fixed-pattern artifact and reduce trigger jitter inswept 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0CT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0CT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0CT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(SS-0CT)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(0CT)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-0CT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-0CT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0CT最大的区别在于SS-0CT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-0CT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-0CT的系统相位误差，提供一种SS-0CT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-0CT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0CT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“Correct1n of Phase-error for Phase-resolved k-clocked Optical FrequencyDomain 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-0CT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-0CT 系统搭建；
[0032]本发明所设计的SS-0CT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