CN101513366B - 基于ps-oct的三维可视化成像方法 - Google Patents

Abstract

一种基于PS-OCT的三维可视化口腔龋齿检测装置及检测方法。包括：将偏振光光束通过自聚焦透镜照射在被测物上，携带被测物信息的反射光由原光路返回，和自聚焦透镜出射端面的反射光一起进入干涉仪两臂，经法拉第旋光镜后返回耦合器处发生干涉；调节光纤拉伸器，实现纵向Z方向的扫描，同时通过位移平台对被测物进行横向X方向的扫描，得到某一横断面的二维信息；调节位移平台使其沿与横断面垂直的Y方向进行扫描，即可得到代表样品不同部位的多幅二维图像；由软件对数据进行分析和处理，得出被测物的结构和双折射信息，并重建出被测物的三维图像，对结果进行显示。本发明可以实现对牙齿的高精度、无辐射探测，便于对龋病的诊断。

Description

基于PS-OCT的三维可视化成像方法 

【技术领域】：

本发明属于口腔龋齿疾病的检测技术领域，涉及PS-OCT(偏振敏感光学相干层析成像)技术及口腔龋齿结构的三维重建方法及装置。 

【背景技术】：

OCT(光学相干层析成像)技术是近几年迅速发展起来的，继超声波、X射线计算机断层摄影(XCT)、核磁共振成像(MRI)等技术之后的又一种新的生物组织成像技术。它将共焦显微技术与超灵敏探测技术集为一体，同时结合自动控制与计算机图像处理技术，能够对生物体实现无损检测，可获得生物组织内部微观结构的高分辨率截面图像。 

龋病是一种世界范围内的口腔常见病和多发病，是导致口腔疼痛和牙齿丧失的主要原因。据世界卫生组织最新统计，龋病已成为继癌症和心脑血管疾病之后的人类第三大疾病。近年来，我国全民的口腔健康状况虽得到逐步改善，但各个年龄段人群龋病的患病率仍然很高，对人民生命健康构成了极大威胁，所以对龋病的控制和干预已成当务之急。口腔细菌将食物转化为酸性物质，这些酸性物质使得牙齿表面及内部脱矿，形成小孔或者腐烂，从而形成了龋齿。 

目前的口腔龋齿诊断的主要方法是医生人工诊断和采用X线成像。由于早期龋齿是由牙齿内部脱矿造成，因此在牙齿表面无明显迹象，医生的人工诊断无法诊断出早期的龋齿变化，而采用X线成像技术，虽然可以发现牙齿内部的病变，但其分辨率低，同时具有辐射污染及不能准确定位等缺点，严重限制了早期龋齿诊断的准确性，同时也对病人和医生造成了伤害。 

【发明内容】：

本发明的目的是解决上述口腔龋齿诊断方法的不足，提供一种基于PS-OCT的三维可视化口腔龋齿检测装置及检测方法。 

本发明提供的PS-OCT技术，可以获得牙齿内部的微结构和偏振特性，同时通过三维可视化技术可以得到牙齿的三维结构图像，以此来对龋齿进行诊断。 

本发明提供的基于PS-OCT的三维可视化口腔龋齿检测装置，包括： 

光源：用来照射被测物，产生带有被测物信息的测量光信号； 

偏振态发生器：用于将光源发出的光根据需要调节成一特定的偏振态(根据光纤，器件及被测样品的偏振性质加以调节，使得到的输出信号清晰)； 

光纤环形器：其中1端口用来接收光源发出的光并从2端口输出； 

自聚焦透镜：与光纤环行器的2端口相连，其出射端面具有一定的反射率，用于将光纤环行器2端口输出的光照射在被测物上并将一部分光直接反射回到光纤环形器的2端口，并3端口输出，进入光纤耦合器的1端口。同时接收携带被测样品信息的反射光返回到光纤环形器的2端口并从3端口输出，进入光纤耦合器的1端口； 

位移平台：由二维步进电机及样品平台组成，用于固定被测物，同时能带动被测物进 行横向的二维位移运动，实现对被测样品的横向X轴和Y轴的二维扫描； 

光纤耦合器：用于将1端口输入的光分为两束分别进入3端口和4端口，并进入干涉仪的两臂，同时接收从干涉仪两臂返回的光并在耦合器处发生干涉，并将干涉信号从2端***出； 

可调光纤延迟器：接收光纤耦合器3端口输出的光束，用于对光路中的光程进行调节； 

补偿光纤：连接在可调光纤延迟器的后面，用于匹配干涉仪两臂的光纤长度； 

光纤拉伸器：接收光纤耦合器4端口输出的光束，用于快速精确的调节光路中的光程，实现对被测物的纵向Z方向的扫描； 

两个法拉第旋光镜：分别安装在补偿光纤和可调光纤延迟器的后面，用于将光纤耦合器发出的两束光反射回耦合器，使之发生干涉，同时通过法拉第旋光效应，消除光纤中的偏振噪声对***性能的影响； 

偏振分束器：与光纤耦合器的2端口连接，用于将干涉信号光波分成偏振态互相垂直的两束线偏光； 

两个光电探测器：分别用于接收偏振分束器输出的水平和竖直两个方向的线偏振光，并将光强信号转换为电压信号输入采集卡； 

数据采集卡：用于采集由两个光电探测器转换后的电压信号，送入计算机进行处理，并通过其I/O口控制位移平台的移动； 

计算机：为光纤拉伸器，偏振态发生器，位移平台提供控制信号，同时用于对数据采集卡的输出信号进行处理，得出二维的层析图像，使用软件进行三维重建，将信号输出。 

一种基于PS-OCT的三维可视化口腔龋齿检测方法，该方法依次包括： 

第1、将被测物牙齿样品放置在位移平台上； 

第2、打开光源，调节偏振态发生器，使光源发出的光根据需要调节成一特定的偏振态(根据光纤，器件及被测样品的偏振性质加以调节，使得到的输出信号清晰)； 

第3、令光源发出的光束通过自聚焦透镜，产生一个反射光和一个透射光，使透射光照射在被测物上； 

第4、携带被测物信息的反射光由原光路返回，和自聚焦透镜出射端面的反射光合成一束，进入光纤耦合器的1端口后，分别进入干涉仪两臂，经两个法拉第旋光镜后返回耦合器处发生干涉； 

第5、第4步获得的干涉信号经偏振分束器后分为水平偏振和竖直偏振两束光信号，分别进入两个光电探测器； 

第6、调节光纤拉伸器，对被测物进行纵向Z方向的扫描，同时通过位移平台对被测物进行X方向的横向扫描，得到对应于被测物某一横断面的二维信息； 

第7、调节位移平台使其沿与第6步中横断面垂直的Y方向行进，重复第2到6步，采集被测物不同横断面的二维信息； 

第8、将两个光电探测器获取的光强度信号由采集卡送入计算机，对数据进行分析和处理，得出被测物的结构和双折射信息； 

第9、重建被测物牙齿样品的三维图像，并对结果进行显示，该方法依次包括： 

第9.1、由于二维灰度图像对应样品某一部位的横断面信息，由位移平台对样品在垂直于横断面的方向Y方向进行扫描，即可得到代表样品不同部位的多幅二维图像。这多幅二维图像就是三维重建所需的原始图像数据。 

第9.2、对图像进行预处理。首先选用中值滤波器对图像进行处理，去除背景中的椒盐噪声。为了使目标的灰度值更加突出，采用直方图均衡化来调节图像的对比度。再通过设定阈值来滤除绝大部分的背景噪声。然后使用sobel算子提取图像的轮廓，这样提取出的轮廓含有很多不需要的组织内部的信息，需要把这部分去掉。通过膨胀把轮廓线连接起来，可以重复进行，但为了保证大小不变，必须腐蚀相应的次数。最后再用八连通域进行处理，就可以提取出组织的轮廓线。把轮廓线外部的背景变为黑色，里面保留原有图像的灰度值。 

第9.3、重采样，从屏幕上的每一个像素点根据设定的观察方向发出一条射线，这条射线穿过三维数据场，沿着这条射线选择K个等距的采样点，并由距离某一采样点最近的8个数据点的函数值求平均，即得出该采样点的函数值。 

第9.4、对数据进行分类，根据数据值不同，将其分为若干类并给每一类数据赋予不同的灰度值C和不透明度值α，以生成具有透明效果的图像，反映三维数据场的内部结构。 

第9.5、图像合成。将每条射线上各采样点的灰度值及不透明度值由前向后加以合成，即可以得到发出该射线的像素点处的灰度值。 

为了方便观察，增加了旋转和剖切的功能。用鼠标可实现三维图像绕任意轴旋转，同时使用鼠标实现对任意面的剖切功能，能对三维空间中的任意平面进行观察。 

本发明的优点和积极效果： 

本发明提出了一种基于全光纤PS-OCT的口腔龋齿检测三维可视化方法，及实现该方法的检测装置，可以实现对牙齿的高精度、无辐射探测，其横向分辨率和轴向分辨率可达到15um。该方法在光路中加入偏振态发生器，可以同时获得样品的结构和双折射信息，便于对龋病的诊断。采用了光纤拉伸器对样品进行纵向扫描，同时通过位移平台带动样品进行横向的二维位移运动，实现对牙齿样品的三维扫描。使用软件对牙齿进行三维重建，便于实现对牙齿龋病的直观检测。 

【附图说明】：

图1是PS-OCT三维可视化口腔龋齿检测装置的原理图； 

图2是PS-OCT三维可视化口腔龋齿检测装置的总体结构框图； 

图3是PS-OCT三维可视化口腔龋齿检测装置的三维扫描过程示意图； 

图4是PS-OCT三维可视化口腔龋齿检测方法中的三维图像重建方法的流程图； 

图5是PS-OCT三维可视化口腔龋齿检测方法中的三维图像重建方法的预处理部分流程图； 

图6是PS-OCT三维可视化口腔龋齿检测方法中的三维图像重建方法的图像合成部分示意图； 

图7是使用PS-OCT三维可视化口腔龋齿检测装置得到的牙齿三维图像。 

图中，101光源，102偏振态发生器，103光纤环行器，104自聚焦透镜，105位移平台，106和108光电探测器，107偏振分束器，109采集卡，110光纤耦合器，111可调光纤延迟器，112补偿光纤，113法拉第旋光镜，114光纤拉伸器，115计算机。 

【具体实施方式】：

实施例1、检测装置 

如图1所示，本发明提供基于PS-OCT三维可视化口腔龋齿检测装置包括： 

——光源101：用来照射被测物，产生带有被测物信息的测量光信号； 

——偏振态发生器102：用于将光源发出的光根据需要调节成一特定的偏振态(根据光纤，器件及被测样品的偏振性质加以调节，使得到的输出信号清晰)； 

——光纤环形器103：其中1端口用来接收光源发出的光并从2端口输出； 

——自聚焦透镜104：与光纤环行器的2端口相连，其出射端面具有一定的反射率，用于将光纤环行器2端口输出的光照射在被测物上并将一部分光直接反射回到光纤环形器的2端口并从3端口输出，进入光纤耦合器的1端口。同时接收携带被测样品信息的反射光返回到光纤环形器的2端口并从3端口输出，进入光纤耦合器的1端口； 

——位移平台105：由二维步进电机及样品平台组成，用于固定被测物，同时能带动被测物进行横向的二维位移运动，实现对被测样品的横向X轴和Y轴的二维扫描。位移平台的实施例采用目前市场上通用的电控位移平台； 

——光纤耦合器110：用于将1端口输入的光分为两束分别进入3端口和4端口，并进入干涉仪的两臂，同时接收从干涉仪两臂返回的光并在耦合器处发生干涉，并将干涉信号从2端***出； 

——可调光纤延迟器111：接收光纤耦合器3端口输出的光束，用于对光路中的光程进行调节； 

——补偿光纤112：连接在光纤拉伸器的后面，用于匹配干涉仪两臂的光纤长度； 

——光纤拉伸器114：接收光纤耦合器4端口输出的光束，用于快速精确的调节光路中的光程，实现对被测物的纵向Z方向的扫描； 

——两个法拉第旋光镜113：分别安装在补偿光纤和可调光纤延迟器的后面，用于将光纤耦合器发出的两束光反射回耦合器，使之发生干涉，同时通过法拉第旋光效应，消除光纤中的偏振噪声对***的影响； 

——偏振分束器107：与光纤耦合器的2端口连接，用于将干涉信号光波分成偏振态互相垂直的两束线偏光； 

——两个光电探测器106和108：分别用于接收偏振分束器输出的水平和竖直两个方向的线偏振光，并将光强信号转换为电压信号输入采集卡； 

——数据采集卡109：用于采集由两个光电探测器转换后的电压信号，送入计算机进行处理，并通过其I/O口控制位移平台的移动； 

——计算机115：为光纤拉伸器，偏振态发生器，位移平台提供控制信号，同时用于对数据采集卡的输出信号进行处理，得出二维的层析图像，使用软件进行三维重建，将信号输出。 

实施例2、检测方法 

如图2所示PS-OCT三维可视化平台的总体结构主要包括硬件和软件两大部分。 

基于PS-OCT的三维可视化口腔龋齿检测方法依次包括： 

第1、将被测物牙齿样品放置在位移平台上； 

第2、打开光源101，调节偏振态发生器102，使光源101发出的光根据需要调节成一特定的偏振态(根据光纤，器件及被测样品的偏振性质加以调节，使得到的输出信号清晰)； 

第3、令光源发出的光束通过自聚焦透镜104，产生一个反射光和一个透射光，使透射光照射在被测物上； 

第4、携带被测物信息的反射光由原光路返回，和自聚焦透镜104出射端面的反射光合成一束，进入光纤耦合器110的1端口后，分别进入干涉仪两臂，经两个法拉第旋光镜113后返回耦合器处发生干涉； 

第5、第4步获得的干涉信号经偏振分束器107后分为水平偏振和竖直偏振两束光信号，分别进入两个光电探测器106和108； 

第6、如图3所示，调节光纤拉伸器114，对被测物进行纵向Z方向的扫描，同时通过位移平台105对被测物进行X方向的横向扫描，得到对应于被测物某一横断面的二维信息； 

第7、调节位移平台105使其沿与第6步中横断面垂直的Y方向行进，重复第2到6步，采集被测物不同横断面的二维信息； 

第8、将两个光电探测器106和108获取的光强度信号由采集卡送入计算机，对数据进行分析和处理，得出被测物的结构和双折射信息； 

第9、调用软件重建被测物牙齿样品的三维图像，并对结果进行显示。 

三维重建软件的流程如图4所示，首先由于二维灰度图像对应样品某一部位的横断面信息，由位移平台对样品在垂直于横断面的方向Y方向进行扫描，即可得到代表样品不同部位的多幅二维图像。这多幅二维图像就是三维重建所需的原始图像数据。该软件算法假定三维数据f(i，j，k)分布在均匀的网格或规则网格的网格点上。由于原始二维图像数据中的背景灰度值和组织内部牙本质的灰度值在同一个水平上，这样会对重建结果造成很大 影响，所以在重建之前先要把背景灰度值变为全黑，也就是0。为了达到这个目的，只要提取出组织的轮廓线即可。下面详细叙述一下这一图像预处理的过程。 

本预处理过程如图5所示。首先由于背景中椒盐噪声比较多，所以选用中值滤波器进行处理。中值滤波器对于一定类型的随即噪声，提供了优秀的去噪能力，比小尺寸的线性平滑滤波器的模糊程度明显要低，对于处理脉冲噪声非常有效，因为这种噪声是以黑白点叠加在图像上的。下一步，为了使目标的灰度值更加突出，采用直方图均衡化来调节图像的对比度。再通过设定阈值来滤除绝大部分的背景噪声。然后使用sobel算子提取图像的轮廓。这样提取出的轮廓含有很多不需要的组织内部的信息，且其轮廓线有断开的地方，需要作进一步处理。通过重复膨胀处理可以把轮廓线连接起来，但为了保证大小不变，必须腐蚀相应的次数。最后再用八连通域进行处理，去除内部信息，即可以提取出组织的轮廓线。八连通域可以找到所有轮廓线中最大的，并记录位置。有了组织的轮廓线后把轮廓线外部的背景变为黑色，里面保留原有的灰度值。这样就消除了背景噪声的影响。 

然后是重采样，从屏幕上的每一个像素点根据设定的观察方向发出一条射线，这条射线穿过三维数据场，沿着这条射线选择K个等距的采样点，并由距离某一采样点最近的8个数据点的函数值求平均，求出该采样点的函数值。在做重新采样之前，需要将具有函数值的三维数据场由物体坐标转换成相应的图像坐标。 

下一步对数据进行分类，其目的是根据函数值的不同，正确的将其分为若干类并给每一类数据赋予不同的灰度值C和不透明度值α，其中α＝1代表该物体完全不透明，α＝0则表示完全透明，以求正确的表示多种物质的不同分布或单一物质的不同属性，生成具有透明效果的的图像，反映三维数据场的内部结构。目前本算法是针对牙冠部分进行成像，其由牙釉质和牙本质两部分组成，经过反复验证，我们使用灰度值C为230不透明度α为0.03来代表牙釉质部分，灰度值C为70不透明度α为0.1来代表牙本质部分，以得到清晰的图像。 

这一算法的最后一步是图像合成，即将每条射线上各采样点的灰度值及不透明度值由前向后加以合成，即可以得到发出该射线的像素点处的灰度值。由前向后的图像合成算法是沿射线由前往后将各种采样点的灰度值及不透明度合成在一起，以得到最终图像。如附图5所示，设第i个采样点的灰度值为C_now，不透明度为α_now，进入第i个采样点的灰度值为C_in，不透明度为α_in，经过第i个采样点后的灰度值为C_out，不透明度为α_out，则有： 

C_outα_out＝C_inα_in+C_nowα_now(1-α_in)，α_out＝α_in+α_now(1-α_in) 

结合图6和表1对图像合成过程说明如下： 

假设第1个采样点的灰度值为70，不透明度为0.1，由于其为第1个采样点，其出射的灰度值与不透明度与其本身的数值相同。接下来进行第2个采样点的计算，第1个采样点出射的灰度值和不透明度作为第2个采样点入射的灰度值和不透明度，分别为70和0.1，第2个采样点的本身的灰度值为230，不透明度为0.03，，由上面的公式可以得出其出射的灰度值为104.016，不透明度为0.127，以此作为第3个采样点的入射灰度值与不透明度 进行计算。以此类推，可以得到后面各个采样点的灰度值和不透明度。 

表1 

采样点序号i	1	2	3	4
					第i个采样点的灰度值Cnow	70	230	230	70
第i个采样点的不透明度αnow	0.1	0.03	0.03	0.1
					进入第i个采样点的灰度值Cin	0	70	104.016	125.711
进入第i个采样点的不透明度αin	0	0.1	0.127	0.153
					经过第i个采样点后的灰度值Cout	70	104.016	125.711	105.726
经过第i个采样点后的不透明度αout	0.1	0.127	0.153	0.238

由前向后的图像合成基于光线的吸收和散射模型，主要优点有，在由前向后进行图像合成过程中，不透明度α必然逐步增大，说明该像素点的图像已接近于完全不透明，后面的采样点不会对该像素点的图像有所贡献，因而可不再计算，可以提高速度。

另外为了方便观察，增加了旋转和剖切的功能。用鼠标可实现三维图像绕任意轴旋转，同时使用鼠标实现对任意面的剖切功能，能对三维空间中的任意平面进行观察。使用软件重建的牙齿图像如图7所示。 

Claims (1)

1.一种基于PS-OCT的三维可视化成像方法，该方法依次包括：

第1、将被测物牙齿样品放置在位移平台上；

第2、打开光源，调节偏振态发生器，根据光纤、器件及被测样品的偏振性能将光源发出的光根据需要调节成一特定的偏振态，使得到的输出信号清晰；

第3、令光源发出的光束通过自聚焦透镜，产生一个反射光和一个透射光，使透射光照射在被测物上；

第4、携带被测物信息的反射光由原光路返回，和自聚焦透镜出射端面的反射光合成一束，进入光纤耦合器的1端口，光纤耦合器将1端口输入的光分为两束分别进入3端口和4端口，并进入干涉仪的两臂，经两个法拉第旋光镜反射回光纤耦合器处发生干涉；

第5、第4步获得的干涉信号经偏振分束器后分为水平偏振和竖直偏振两束光信号，分别进入两个光电探测器；

第6、调节位于光纤耦合器的4端口和法拉第旋光镜之间的光纤拉伸器，对被测物进行纵向Z方向的扫描，同时通过位移平台对被测物进行X方向的横向扫描，得到对应于被测物某一横断面的二维信息；

第7、调节位移平台使其沿与第6步中横断面垂直的Y方向行进，重复第2到6步，采集被测物不同横断面的二维信息；

第8、将两个光电探测器获取的光强度信号由采集卡送入计算机，对数据进行分析和处理，得出被测物的结构和双折射信息；

第9、重建被测物牙齿样品的三维图像，并对结果进行显示，其包括：

第9.1、由于二维灰度图像对应样品某一部位的横断面信息，由位移平台对样品在垂直于横断面的方向Y方向进行扫描，即可得到代表样品不同部位的多幅二维图像，所述多幅二维图像就是三维重建所需的原始图像数据；

第9.2、对图像进行预处理，首先选用中值滤波器对图像进行处理，去除背景中的椒盐噪声，为了使目标的灰度值更加突出，采用直方图均衡化来调节图像的对比度；再通过设定阈值来滤除绝大部分的背景噪声；然后使用sobel算子提取图像的轮廓，通过重复膨胀处理把轮廓线连接起来，并腐蚀相应的次数；最后再用八连通域进行处理，就可以提取出组织的轮廓线，把轮廓线外部的背景变为黑色，里面保留原有图像的灰度值；

第9.3、重采样，从屏幕上的每一个像素点根据设定的观察方向发出一条射线，这条射线穿过三维数据场，沿着这条射线选择K个等距的采样点，并由距离某一采样点最近的8个数据点的函数值求平均，即得出该采样点的函数值；

第9.4、对数据进行分类，根据数据值不同，将其分为若干类并给每一类数据赋予不同的灰度值C和不透明度值α，以生成具有透明效果的图像，反映三维数据场的内部结构；

第9.5、图像合成，将每条射线上各采样点的灰度值及不透明度值由前向后加以合成，即可以得到发出该射线的像素点处的灰度值，其中合成方法按照如下式子：

C_outα_out＝C_inα_in+C_nowα_now(1-α_in)，α_out＝α_in+α_now(1-α_in)

其中，第i个采样点的灰度值为C_now，不透明度为α_now，进入第i个采样点的灰度值为C_in，不透明度为α_in，经过第i个采样点后的灰度值为C_out，不透明度为α_out；

第9.6、为了方便观察，增加了旋转和剖切的功能，用鼠标可实现三维图像绕任意轴旋转，同时使用鼠标实现对任意面的剖切功能，能对三维空间中的任意平面进行观察。

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