CN102628799A - 无需深度扫描的时域光学相干层析成像方法与*** - Google Patents

Abstract

一种无需深度扫描的时域光学相干层析成像方法与***，该方法是在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光，并通过倾斜参考臂的参考平面反射镜在参考光线状长度方向上引入连续的光程差，用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号，通过去直流背景之后，对该干涉信号沿参考光线状长度方向作希尔伯特变换分析，最后得到待测样品的层析图。本发明只需一次曝光即可实现一维光学相干层析成像，具有结构简单、成像速度快、无寄生像、对运动模糊不敏感的特点。在不牺牲***信噪比的情况下，实现无需深度扫描的时域光学相干层析成像。

Description

无需深度扫描的时域光学相干层析成像方法与***

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)，尤其涉及一种无需深度扫描的时域光学相干层析成像(Time-domain OpticalCoherence Tomography，简称TD-OCT)方法与***。

背景技术

光学相干层析成像(OCT)是近年来发展起来的一种光学层析成像技术，它能够对高散射介质如生物组织内部几个毫米深度范围内的微小结构进行高分辨率非侵入成像，在生物组织活体成像和医疗成像诊断等领域具有广泛的应用前景。

最早的OCT***是时域光学相干层析成像***(TD-OCT)(参见在先技术[1]，D.Huang，E.A.Swanson，C.P.Lin，J.S.Schuman，W.G.St inson，W.Chang，M.R.Hee，T.Flotte，K.Gregory，C.A.Puliafito and J.G.Fujimoto，“Optical coherencetomography”，Science，Vol.254，pp.1178-1181，1991)。它通过光学参考臂的轴向深度扫描并记录相对应不同深度处的干涉信号强度得到样品的一维层析图(A-line)。TD-OCT的探测速度比较低，如果探测过程中被测样品有运动，就会容易产生运动模糊。如果强制提高TD-OCT的轴向深度扫描速度以增加探测速度会导致***灵敏度的下降。

频域光学相干层析成像***(Fourier-domain Optical Coherence Tomography，简称FD-OCT)是一种新型OCT***(参见在先技术[2]，N.Nassif，B.Cense，B.H.Park，S.H.Yun，T.C.Chen，B.E.Bouma，G.J.Tearney and J.F.de Boer，“In vivo humanretinal imaging by ultrahigh-speed spectral domain optical coherencetomography”，Optics Letter，Vol.29，pp.480-482，2004)，它通过探测干涉谱并对其作逆傅里叶变换得到样品的一维层析图(A-line)，相对于早先的时域光学相干层析成像***(TD-OCT)具有无需深度方向扫描、成像速度快和探测灵敏度高的优势，能更好地满足生物组织活体成像以及医疗成像诊断的实时性要求。但是，FD-OCT获得的层析图中包含着若干寄生像，限制了FD-OCT的应用。这些寄生像分别是：直流背景，自相干噪声和复共轭镜像。其中，直流背景和自相干噪声的存在降低了FD-OCT的信噪比，影响了成像质量；而复共轭镜像的存在，使FD-OCT无法区分正负光程差(探测光路相对参考光路的光程差)，测量时待测样品只能置于零光程差位置的一侧，导致有效探测深度范围减少一半。另外，FD-OCT的信噪比随着光程差的增加也会急剧下降。

并行FD-OCT与传统基于单点照明的FD-OCT的主要区别在于，它通过采用线状光照明待测样品实现FD-OCT二维层析图(B-scan)的并行探测。(参见在先技术[3]，Branislay Grajciar，Michael Pircher，Adolf F.Fercher and RainerA.Leitgeb，“Parallel Fourier domain optical coherence tomography for in vivomeasurement of the human eye”，Optics Express，Vol.13，pp.1131-1137，2005)。该方法一般通过在光路中添加柱面凸镜实现对待测样品的线状光照明，并利用二维光电探测阵列并行记录频域干涉条纹，重建得到一幅待测样品的二维层析图(B-scan)。并行FD-OCT由于避免了对待测样品的横向机械式扫描，成像速度更快，对运动模糊不敏感。但是，和传统的FD-OCT一样，并行FD-OCT仍然存在复共轭镜像寄生像等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法与***。本发明只需一次曝光即可实现一维光学相干层析成像，具有结构简单、成像速度快、无寄生像、对运动模糊不敏感的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法，该方法是在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光，并通过倾斜参考臂的参考平面反射镜在参考光线状长度方向上引入连续的光程差，用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号，通过去直流背景之后，对该干涉信号沿参考光线状长度方向作希尔伯特变换即可得到待测样品的层析图。

本发明无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法的具体步骤如下：

①在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光；

②使参考臂的参考平面反射镜在由线状参考光长度方向和参考光照明方向组成的平面内倾斜，在线状参考光线状长度方向上引入连续的光程差；参考光入射到倾斜平面反射镜上的入射角为θ，其中θ取值范围为-60°≤θ≤60°；

③用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号；***工作后，所述的一维光电探测器阵列记录的干涉信号如式(1)所示：

其中：m是所述一维光电探测器阵列的探测单元序号，I(m)是所述一维光电探测器阵列第m个探测单元探测到的干涉信号强度；I_sig、I_ref、I_in分别是参考光信号强度、样品光信号强度和入射光信号强度；z是待测样品的相对纵向深度位置，

p代表所述一维光电探测器阵列的单个探测单元宽度，σ代表被测样品到所述一维光电探测器阵列的成像放大率，z₀是一个常数；R(z)是待测样品相对纵向深度位置z处的反射率或背向散射率；γ(m)是低相干光源的空间相干度函数，c是光速，

是一个相位常数，*表示卷积运算；

④对所述的干涉信号进行平均处理，得到直流背景如式(2)所示：

$I_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_m,---\left(2\right)$

其中：M是所述一维光电探测器阵列的探测单元总数；将式(1)减去式(2)，得到初步去除直流背景的干涉信号，如式(3)所示：

I_nodc(m)＝I(m)-I_dc；             (3)

⑤对步骤④所得的式(3)作以m为变量的傅里叶变换得到式(4)：

其中：f_m代表对应m的傅里叶变换频谱，

代表以m为变量的傅里叶变换；将式(4)信号先乘上一个区间大小为2π的矩形窗函数 $W\left(f_m\right)=\left\{\begin{array}{c}0,\left|f_m\right|\≤\mathrm{\π}\\ 1,\left|f_m\right|>\mathrm{\π}\end{array}\right.$ 进行高通滤波，得到式(5)：

E′_nodc(f_m)＝E_nodc(f_m)·W(f_m)；  (5)

再将式(5)信号作以f_m为变量的逆傅里叶变换得到完全去除直流背景的干涉信号，如式(6)所示：

其中

代表以f_m为变量的逆傅里叶变换；

⑥对步骤⑤所得的去背景干涉信号(6)作以m为变量的希尔伯特变换得到式(7)：

其中

代表以m为变量的希尔伯特变换；将信号式(6)和式(7)合成得到式(8)，

$I_0\left(m\right)={\left|I_{\mathrm{Hilbert}}\left(m\right)\right|}^2+{\left|I_{\mathrm{nodc}}^{\′}\left(m\right)\right|}^2=4I_{\mathrm{ref}}{I}_{\mathrm{in}}R\left(z\right)*\left|\mathrm{\γ}\left(m\right)\right|;---\left(8\right)$

⑦将步骤⑥所得信号式(8)的自变量m转换为自变量z，即得到待测样品的一维层析图，如式(9)所示：

I₀(z)＝4I_refI_inR(z)*|γ(z)|。    (9)

⑧通过精密平移台对待测样品沿与照明光光轴方向垂直的平面作二维扫描，重复以上步骤②～⑦得到待测样品的三维层析图。

一种实现上述方法的无需深度扫描的时域光学相干层析成像***，包括低相干光源，在低相干光源的照明方向上顺序放置准直扩束器和迈克尔逊干涉仪，该迈克尔逊干涉仪的分光器将入射光分为透射光束和反射光束，其特点在于：在所述的透射光束方向依次设置柱面透镜和倾斜摆放的平面反射镜构成参考臂光路，在所述的反射光束方向依次设置第一聚焦透镜和待测样品构成探测臂光路，所述的待测样品放置在一个精密移动平台上；在所述的迈克尔逊干涉仪输出端顺序放置第二聚焦透镜和一维光电探测器阵列；该一维光电探测器阵列通过图像数据采集卡和计算机连接；所述的柱面透镜将入射平行光会聚为线状光，产生一个线状参考光；所述的平面反射镜倾斜摆放，在参考光线状长度方向上引入连续的光程差；所述的柱面透镜的焦距和所述的第一聚焦透镜的焦距相同；所述的待测样品和平面反射镜分别与所述的一维光电探测器阵列构成物像共轭关系；所述的一维光电探测器阵列的探测单元阵列方向和所述的参考臂光路中的线状照明光长度方向在同一个平面内。

所述的低相干光源为宽带光源，其光谱典型半高全宽为几十纳米到几百纳米，如发光二极管或超辐射发光二极管或飞秒激光器或超连续谱光源等。

所述的准直扩束器由物镜和若干透镜组成。

所述的一维光电探测器阵列是线阵CCD或线阵CMOS或线阵InGaAs或其它具有光电信号转换功能的一维探测器阵列。

所述的精密移动平台可以沿三个互相垂直方向做微米级精度的平移。

该***的工作情况如下：

低相干光源发出的光经准直器扩束后，在迈克尔逊干涉仪中待分成两束，一束光经过参考臂，在柱面凸镜的会聚作用平面内聚焦，产生一个线状照明光，入射到倾斜的平面反射镜上，另一束光经探测臂入射到待测样品内，从平面反射镜回来的反射光和从待测样品内不同深度处反射或背向散射回来的样品光分别沿参考臂和探测臂返回，在迈克尔逊干涉仪中会合发生干涉，干涉信号经过聚焦透镜聚焦后由一维光电探测器阵列记录，经图像数据采集卡数模转换后送入计算机进行数据处理，得到待测样品沿照明光光轴方向的一个一维层析图。通过精密平移台对待测样品沿与照明光光轴方向垂直的平面作二维扫描，得到待测样品的三维层析图。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法的特点是利用线状参考光和倾斜放置的平面参考反射镜在线状参考光长度方向上引入连续的光程差，使用空间滤波和希尔伯特变换分析方法一次性获得待测样品的一维层析信息，在不牺牲***信噪比的情况下，提高成像速度，实现无需深度扫描的时域光学相干层析成像。

与在先技术1相比，本发明无需轴向深度扫描，成像速度快，对运动模糊不敏感，对干涉仪和样品的稳定性要求不高。

与在先技术2和3相比，本发明***结构简单，没有寄生像问题的困扰，图像信噪比不随光程差的增加而下降。

附图说明

图1为本发明无需深度扫描的时域光学相干层析成像***的光路和结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1。图1为本发明无需深度扫描的时域光学相干层析成像***的光路和结构示意图。由图1可见，本发明无需深度扫描的时域光学相干层析成像***包括低相干光源1，在该低相干光源1的照明方向上顺序放置准直扩束器2、迈克尔逊干涉仪3，该迈克尔逊干涉仪3的分光棱镜31将入射光分为探测臂光路34和参考臂光路32，参考臂光路32的末端为一个柱面凸镜36和倾斜摆放的平面反射镜33，探测臂光路34的末端为一个聚焦透镜37和待测样品35，待测样品35放置在一个精密移动平台(图中未示)上；迈克尔逊干涉仪3输出端顺序放置聚焦透镜4和线阵CCD探测器5；线阵CCD探测器5通过图像数据采集卡6和计算机7连接。该***的特点是所述参考臂光路32末端的柱面凸镜36将入射平行光会聚为线状光，产生一个线状参考光；所述参考臂光路32末端的倾斜平面反射镜33在参考光线状长度方向上引入连续的光程差。

所述的迈克尔逊干涉仪3中在平面反射镜33前的柱面凸镜36和待测样品35前的聚焦透镜37的焦距相同；所述的待测样品35和平面反射镜33分别与线阵CCD探测器5在***光路上是物像共轭关系；所述的线阵CCD探测器5的探测单元阵列方向和所述的参考臂光路32中的线状照明光长度方向在同一个平面内。

低相干光源1发出的宽光谱光经准直器2扩束后，在迈克尔逊干涉仪3中被分光棱镜31分成两束，一束透射光在参考臂光路32中经柱面凸镜36产生一个线状照明光，再被倾斜的平面反射镜33反射逆向返回；另一束反射光经探测臂光路34入射到放置在精密平移台(图中未示)上的待测样品35内，从平面反射镜33反射回来的光和从待测样品35内不同深度处反射或背向散射回来的光分别沿参考臂光路32和探测臂光路34返回，在迈克尔逊干涉仪3中汇合发生干涉，再经聚焦透镜4聚焦，成像在线阵CCD探测器5上，转换成电信号后，经图像数据采集卡6数模转换后送入计算机7进行数据处理，得到待测样品35沿照明光光轴方向的一个一维层析图。

所述的参考臂光路32中的参考平面反射镜33在由线状参考光长度方向和参考光照明方向组成的平面内倾斜，参考光入射到倾斜平面反射镜33上的入射角为θ。

所述的线阵CCD探测器5记录到所述的待测样品35同一个探测点连续不同深度处的干涉信号为：

其中：m是所述的线阵CCD探测器5的探测单元序号，I(m)是线阵CCD探测器5第m个探测单元探测到的干涉信号强度；I_sig、I_ref、I_in分别是参考光信号强度、样品光信号强度和入射光信号强度；z是待测样品35的相对纵向深度位置，

p代表线阵CCD探测器5的单个探测单元宽度，σ＝F₂/F₁代表一维成像***的横向放大率，F₁代表聚焦透镜37和柱面凸镜36的焦距，F₂代表聚焦透镜4的焦距，z₀是一个常数；R(z)是待测样品35相对纵向深度位置z处的反射率或背向散射率；γ(m)是所述低相干光源1的空间相干度函数，c是光速，是一个相位常数，*表示卷积运算。

首先，对干涉信号式(10)进行平均处理，得到直流背景如式(11)所示：

$I_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_m,---\left(11\right)$

其中：M是线阵CCD探测器5的探测单元总数；将式(10)减去式(11)，得到初步去除直流背景的干涉信号，如式(12)所示：

I_nodc(m)＝I(m)-I_dc；            (12)

接着对信号式(12)作以m为变量的傅里叶变换得到式(13)：

其中：f_m代表对应m的傅里叶变换频谱，代表以m为变量的傅里叶变换；将信号式(13)先乘上一个区间大小为2π的矩形窗函数 $W\left(f_m\right)=\left\{\begin{array}{c}0,\left|f_m\right|\≤\mathrm{\π}\\ 1,\left|f_m\right|>\mathrm{\π}\end{array}\right.$ 进行高通滤波，得到式(14)：

E′_nodc(f_m)＝E_nodc(f_m)·W(f_m)；   (14)

再将信号式(14)作以f_m为变量的逆傅里叶变换得到完全去除直流背景的干涉信号，如式(15)所示：

其中

代表以f_m为变量的逆傅里叶变换。

对去除背景信息的干涉信号(15)作以m为变量的希尔伯特变换得到式(16)：

其中

代表以m为变量的希尔伯特变换；将信号式(15)和式(16)合成得到式(17)，

I₀(m)＝|I_Hilbert(m)|²+|I′_nodc(m)|²＝4I_refI_inR(z)*|γ(m)|；   (17)

最后，将信号式(18)的自变量m转换为自变量z，即得到待测样品35的一维层析图，如式(18)所示：

I₀(z)＝4I_refI_inR(z)*|γ(z)|。       (18)

通过精密平移台(图中未示)对待测样品35沿与照明光光轴方向垂直的平面作二维扫描，重复以上过程得到待测样品35的三维层析图。

Claims (4)

1.一种无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法，其特征在于该方法是在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光，并通过倾斜参考臂的参考平面反射镜在参考光线状长度方向上引入连续的光程差，用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号，通过去直流背景之后，对该干涉信号沿参考光线状长度方向作希尔伯特变换即可得到待测样品的层析图。

2.根据权利要求1所述的无需深度扫描的时域光学相干层析成像的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

①在时域光学相干层析成像方法的基础上，用柱面凸镜代替干涉参考臂的聚焦透镜形成线状参考光；

②使参考臂的参考平面反射镜在由线状参考光长度方向和参考光照明方向组成的平面内倾斜，在线状参考光线状长度方向上引入连续的光程差；参考光入射到倾斜平面反射镜上的入射角为θ，其中θ取值范围为-60°≤θ≤60°；

③用一维光电探测器阵列代替点光电探测器，获得待测样品同一个探测点连续不同深度处的干涉信号：

其中：m是所述一维光电探测器阵列的探测单元序号，I(m)是所述一维光电探测器阵列第m个探测单元探测到的干涉信号强度；I_sig、I_ref、I_in分别是参考光信号强度、样品光信号强度和入射光信号强度；z是待测样品的相对纵向深度位置，

p代表所述一维光电探测器阵列的单个探测单元宽度，σ代表被测样品到所述一维光电探测器阵列的成像放大率，z₀是一个常数；R(z)是待测样品相对纵向深度位置z处的反射率或背向散射率；γ(m)是低相干光源的空间相干度函数，c是光速，

是一个相位常数，*表示卷积运算；

④对所述的干涉信号I(m)进行平均处理，得到直流背景：

$I_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_m,$

其中：M是所述一维光电探测器阵列的探测单元总数；将所述的干涉信号I(m)减去所述的直流背景I_dc，得到初步去除直流背景的干涉信号I_nodc(m)为：

I_nodc(m)＝I(m)-I_dc；

⑤对所述的的初步去除直流背景的干涉信号I_nodc(m)作以m为变量的傅里叶变换得到：

其中：f_m代表对应m的傅里叶变换频谱，

代表以m为变量的傅里叶变换；将E_nodc(f_m)先乘上一个区间大小为2π的矩形窗函数进行高通滤波，得到：

E′_nodc(f_m)＝E_nodc(f_m)·W(f_m)，

其中，矩形窗函数为 $W\left(f_m\right)=\left\{\begin{array}{c}0,\left|f_m\right|\≤\mathrm{\π}\\ 1,\left|f_m\right|>\mathrm{\π}\end{array}\right.;$ 再将E′_nodc(f_m)作以f_m为变量的逆傅里叶变换得到完全去除直流背景的干涉信号I′_nodc(m)：

其中代表以f_m为变量的逆傅里叶变换；

⑥对所述的完全去除背景的干涉信号I′_nodc(m)作以m为变量的希尔伯特变换得到：

其中，代表以m为变量的希尔伯特变换；将信号I′_nodc(m)和I_Hilbert(m)合成得到：

I₀(m)＝|I_Hilbert(m)|²+|I′_nodc(m)|²＝4I_refI_inR(z)*|γ(m)|；

⑦将步骤⑥所得信号I₀(m)的自变量m转换为自变量z，即得到待测样品的一维层析图：

I₀(z)＝4I_refI_inR(z)*|γ(z)|。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：

⑧通过精密平移台使所述的待测样品(35)沿与照明光光轴方向垂直的平面作二维扫描，重复上述步骤②～⑦，得到待测样品(35)的三维层析图。

4.一种实现权利要求1至3任一项所述方法的无需深度扫描的时域光学相干层析成像***，包括低相干光源(1)，在低相干光源(1)的照明方向上顺序放置准直扩束器(2)和迈克尔逊干涉仪(3)，该迈克尔逊干涉仪的分光器(31)将入射光分为透射光束和反射光束，其特征在于：在所述的透射光束方向依次设置柱面透镜(36)和倾斜摆放的平面反射镜(33)构成参考臂光路(32)，在所述的反射光束方向依次设置第一聚焦透镜(37)和待测样品(35)构成探测臂光路(34)，所述的待测样品(35)放置在一个精密移动平台上；在所述的迈克尔逊干涉仪(3)输出端顺序放置第二聚焦透镜(4)和一维光电探测器阵列(5)；该一维光电探测器阵列(5)通过图像数据采集卡(6)和计算机连接(7)；所述的柱面透镜(36)将入射平行光会聚为线状光，产生一个线状参考光；所述的平面反射镜(33)倾斜摆放，在参考光线状长度方向上引入连续的光程差；所述的柱面透镜(36)的焦距和所述的第一聚焦透镜(37)的焦距相同；所述的待测样品(35)和平面反射镜(33)分别与所述的一维光电探测器阵列(5)构成物像共轭关系；所述的一维光电探测器阵列(5)的探测单元阵列方向和所述的参考臂光路(32)中的线状照明光长度方向在同一个平面内。

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