CN102657519A - 基于oct的大动态范围流速的高灵敏度测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量***及方法。本发明采用锯齿波驱动的快速扫描与阶梯波驱动的慢速扫描相结合的二维扫描策略，并利用高速CMOS相机采集干涉光谱。在快速扫描方向采用传统相位分辨算法提取大流速信息，在慢速扫描方向采用高阶相关相位分辨算法提取小流速信息和对应于大动态范围流速的相位方差值。大流速信息与小流速信息合成得到流速图像。相位方差图像经空间滤波和二值化后得到掩膜图像，用掩膜图像对流速图像处理得到最终流速图像。本发明不仅拓展了测量流速的动态范围，而且突破了噪声受限的速度探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光学相干层析成像（OCT）技术和谱域光学相干层析成像（SD-OCT）技术，尤其涉及一种基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量***及方法。
技术背景
光学相干层析（Optical Coherence Tomography，简称OCT）成像技术是一种新型的光学成像技术，能够对组织结构与生理功能进行非侵入、非接触、高分辨率的在体成像，在生物医学成像与无损检测领域有着广泛应用前景。
为获得组织的功能信息，多种功能型OCT相继得到发展。其中多普勒OCT能够实现血液流速的成像，在医学研究和临床应用中具有重要意义。目前的流速测量大多基于传统的相位分辨方法，通过计算同一横向位置相邻轴向扫描信号之间的相位变化来提取多普勒流速信息。相位分辨方法灵敏度高，是广泛采用的多普勒OCT流速信息获取方法。但相位分辨方法易受相位噪声干扰，速度探测灵敏度受相位噪声限制，难以实现组织中低流速毛细血管的可靠探测。
多普勒OCT的相位噪声主要包括信噪比相关的相位噪声、非均匀组织横向扫描相关的相位噪声、***稳定性及样品抖动相关的相位噪声、信号探测及算法相关的相位噪声，而毛细血管中与血流运动关联的轴向多普勒频移往往非常小，需要足够长的采样时间间隔才能得到超过上述相位噪声的相位变化，但采样时间间隔的延长往往意味着更大的相位噪声，反而不利于速度灵敏度的进一步提高。
为了消除相位噪声的影响，光学显微血管造影方法人为地将与相位噪声相关的低频信号分割出去，虽然改善了血管图像的显示效果，但必然造成部分毛细血管信息的丢失。联合谱域与时域成像方法，基于时间域的频移而非相位变化来提取多普勒频移信息，虽然缓解了对相位噪声的敏感性，但同时也降低了对流速信息的敏感性。因此，抑制非血流运动相关的相位噪声是高灵敏度血流成像面临的核心难题。
同时，血管中的速度引起的相位变化的探测受限于 
相位卷绕，在一定采样时间间隔的条件下，当流速增大到一定程度，对应的相位变化大于
时，对速度的求取将发生错误。因此，为了探测大流速，必须缩短采样时间间隔，从而使相位变化
范围以内。但这与上面所述的小流速探测所需要的长的采样时间间隔产生矛盾。因此在大流速和小流速的探测上存在一个权衡的问题，限制了***的流速测量的动态范围。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量***及方法。
基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量***：
本发明包括宽带光源、宽带光纤耦合器、样品臂、参考臂和探测臂。所述样品臂包括样品臂准直镜，样品臂快轴扫描振镜、样品臂慢轴扫描振镜、样品臂聚焦透镜和样品；所述的参考臂包括参考臂准直镜、参考臂聚焦透镜和参考臂平面镜，所述的探测臂包括光谱仪准直镜、光谱仪闪耀光栅、光谱仪聚焦透镜和高速CMOS相机。宽带光源与宽带光纤耦合器一侧的一端连接； 宽带光纤耦合器另一侧一端与样品臂准直镜的入射端连接，样品臂快轴扫描振镜位于样品臂准直镜的出射光路上，慢轴扫描振镜位于快轴扫描振镜的反射光路上，样品臂聚焦透镜位于慢轴扫描振镜反射光路上，样品位于样品臂聚焦透镜的焦深范围内。宽带光纤耦合器另一侧的另一端与参考臂准直镜的入射端连接，参考臂聚焦透镜位于参考臂准直镜的出射光路上，参考臂平面镜位于参考臂准直镜的焦面；宽带光纤耦合器一侧的另一端与光谱仪准直镜的入射端连接，光谱仪闪耀光栅位于光谱仪准直镜的出射光路上，光谱仪聚焦透镜位于光谱仪闪耀光栅的出射光路上，高速CMOS相机位于光谱仪聚焦透镜的焦面。
基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量方法包括以下步骤：
步骤一：在谱域OCT样品臂中，采用快速锯齿波驱动与慢速阶梯波驱动的二维扫描策略对样品进行二维扫描。从而使干涉信号在快速扫描方向有小的采样时间间隔，在慢速扫描方向具有大的采样时间间隔。扫描得到的干涉信号进入谱域OCT探测臂，经过光谱仪分光，由高速CMOS相机采集，得到干涉光谱信号。
步骤二：对采集到的干涉光谱信号作光谱校正与插值等预处理，得到在波数（k）空间均匀分布的干涉光谱信号。然后再作去直流项和去自相干项处理，得到样品干涉光谱信号：
其中k为波数，t为扫描时间，对应不同的(x, y)位置，S(k)为光源功率谱函数。a(x,y,z)和v(x,y,z)分别为样品中不同位置的反射系数和多普勒流速，n为样品的折射率。
对上述信号进行快速傅里叶变换得到包含有流速信息的三维数据：
步骤三：对获得的三维数据进行双向相位分析，在快速扫描方向采用传统的相位分辨算法提取大流速信息，在慢速扫描方向利用高阶相关相位分辨算法提取小流速信息和对应于大动态范围流速的相位方差值。基于大流速信息与小流速信息可得到合成的流速图像。基于相位方差值构建的相位方差图像经空间滤波和二值化后得到掩膜图像，用掩膜图像对合成流速图像处理得到最终流速图像。
本发明具有的有益效果是：
1、在慢扫描方向的信号具有大的采样时间间隔，对应单位时间内小的相位变化即小流速信息。应用高阶互相关相位分辨算法可以有效抑制相位噪声，得到突破噪声受限速度探测灵敏度的小流速信息。快扫描方向的信号具有小的采样时间间隔，对应单位时间内大的相位变化即大流速信息，应用传统相位分辨算法提取大流速信息。基于大流速信息与小流速信息可得到合成的流速图像，实现大动态范围流速的测量与成像。
2、在慢扫描方向应用高阶互相关相位分辨算法提取小流速信息的同时，也可以提取对应于大动态范围流速的相位方差值，基于相位方差构建的相位方差图像经空间滤波和二值化后得到掩膜图像，用掩膜图像对合成流速图像处理得到最终流速图像。基于掩膜图像的流速图像处理，能够在不降低空间分辨率的前提下，有效抑制由多次散射等引起的假像，显著改善流速图像的成像质量。
附图说明
图1是本发明的谱域光学相干层析成像***示意图；
图2是本发明的二维振镜组的扫描驱动信号示意图；
图3是本发明的信号处理流程图；
图4是本发明在慢速扫描方向所采用的高阶互相关相位分辨算法处理过程示意图。
图1中：1、宽带光源，2、宽带光纤耦合器，3、样品臂准直镜，4、样品臂快轴扫描振镜，5、样品臂慢轴扫描振镜，6、样品臂聚焦透镜，7、样品，8、参考臂准直镜，9、参考臂聚焦透镜，10、参考臂平面镜，11、光谱仪准直镜，12、光谱仪闪耀光栅，13、光谱仪聚焦透镜，14、高速CMOS相机。
图2中：1、二维扫描振镜组，2、样品，3、二维振镜的扫描驱动信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明一种基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量***包括宽带光源1、宽带光纤耦合器2、样品臂、参考臂和探测臂。所述样品臂包括样品臂准直镜3，样品臂快轴扫描振镜4、样品臂慢轴扫描振镜5、样品臂聚焦透镜6和样品7；所述的参考臂包括参考臂准直镜8、参考臂聚焦透镜9和参考臂平面镜10，所述的探测臂包括光谱仪准直镜11、光谱仪闪耀光栅12、光谱仪聚焦透镜13和高速CMOS相机14。宽带光源1与宽带光纤耦合器2一侧的一端连接； 宽带光纤耦合器2另一侧一端与样品臂准直镜3的入射端连接，样品臂快轴扫描振镜4位于样品臂准直镜3的出射光路上，慢轴扫描振镜5位于快轴扫描振镜4的反射光路上，样品臂聚焦透镜6位于慢轴扫描振镜5反射光路上，样品7位于样品臂聚焦透镜6的焦深范围内。宽带光纤耦合器2另一侧的另一端与参考臂准直镜8的入射端连接，参考臂聚焦透镜9位于参考臂准直镜8的出射光路上，参考臂平面镜10位于参考臂准直镜9的焦面；宽带光纤耦合器2一侧的另一端与光谱仪准直镜11的入射端连接，光谱仪闪耀光栅12位于光谱仪准直镜11的出射光路上，光谱仪聚焦透镜13位于光谱仪闪耀光栅12的出射光路上，高速CMOS相机14位于光谱仪聚焦透镜13的焦面。
宽带光源1出来的低相干光通过宽带光纤耦合器2的a端进入宽带光纤耦合器2，宽带光纤耦合器2的b端的光经过样品臂准直镜3、样品臂快轴扫描振镜4、慢轴扫描透镜5和样品臂聚焦透镜6后，投射在样品7上，其反射光沿原光路返回到宽带光纤耦合器2的b端，进入宽带光纤耦合器2；宽带光纤耦合器的c端的光进入参考臂准直镜8，经过参考臂聚焦透镜9到达参考臂平面镜10，然后沿原光路返回到宽带光纤耦合器的c端，在宽带光纤耦合器2与经样品臂返回的样品光汇合后形成干涉信号，通过宽带光纤耦合器的d端进入光谱仪准直镜11，光谱仪闪耀光栅12，光谱仪聚焦透镜13，最后由高速CMOS相机14进行探测，经计算机进行采集，得到干涉光谱信号。
基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量方法包括以下步骤：
步骤一：在谱域OCT样品臂中，采用快速锯齿波驱动与慢速阶梯波驱动的二维扫描策略对样品进行二维扫描。样品臂快轴（X轴）扫描振镜和慢轴（Y轴）扫描振镜的驱动信号如图2所示。其中二维振镜组扫描驱动信号3由数据采集卡编程产生，X方向的快速扫描振镜采用锯齿波驱动，Y方向的慢扫描振镜采用阶梯波驱动，确保在同一Y位置的多帧采样，避免引入与扫描相关的相位噪声。扫描得到的干涉信号在快速扫描方向有小的采样时间间隔，在慢速扫描方向具有大的采样时间间隔。干涉信号进入谱域OCT探测臂，经过光谱仪分光，由高速CMOS相机采集，得到干涉光谱信号。
步骤二：进行信号处理，图3所示为本发明的信号处理流程。高速CMOS相机探测到的实干涉光谱信号I(x,y,λ,t)经图像采集卡采集后，先经过光谱校正与插值等预处理，得到在波数（k）空间均匀分布的干涉信号
，对此信号作去直流项和去自相干项处理，得到样品干涉光谱信号：
其中k为波数，t为扫描时间，对应不同的(x, y)位置，S(k)为光源功率谱函数，a(x,y,z)和v(x,y,z)分别为样品中不同位置的反射系数和多普勒流速，n为样品的折射率。
将干涉光谱信号针对波数k进行快速傅立叶变换后，得到样品空间z的复数信号，其幅值可用于重建结构图像，而幅角则包含有流速信息：
步骤三：对所得的三维数据进行双向相位分析，处理流程如图3所示。鉴于X向的过采样率低，X向的相位分析仍采用传统相位分辨方法。考虑到传统相位分辨方法对相位噪声的敏感性，依据结构图像的幅值，将低于设定阈值的相应流速图像值置零。
Y向的相位分析采用高阶互相关相位分辨方法，这里以三阶互相关相位分辨算法为例，其处理流程如图4所示。 其中a所示是由高速CMOS相机所采得的干涉光谱信号在YZ方向的一帧图像I(k,t),这帧图像是在k空间的，它在Y方向对应了m个采样点。***设置在Y方向的过采样率为n,即有n个A-line是对同一横向分辨单元进行采样。另外为了进行三阶互相关运算，设置轴向的过采样率为8，即有8个B-line是对应于同一轴向分辨单元。这样我们在Y方向取宽度为M的滑窗，依次取出对应于一个横向分辨单元，不同轴向深度的矩阵单元进行处理，c所示即为取出的矩阵单元。对这一矩阵单元在Z方向取宽度为8的滑窗，进行三阶互相关运算，如d所示。在互相关运算之后，对新得到的矩阵单元进行相位分析，作横向平均后，即可求得对应于一个横向分辨单元，不同轴向深度的流速分布。对对应不同横向分辨单元的矩阵单元进行上述运算，即可得到YZ方向上的一帧流速分布图像，如e所示。这里的互相关抑制了随机噪声，同时保留与多普勒频移有关的相位信息，可实现对小流速信息的高灵敏提取。同时提取对应于大动态范围流速的相位方差值。
根据X向与Y向分析所得流速信息的综合，可得合成流速图像。针对相位方差图像的空间滤波和二值者化得到掩膜图像。此掩膜图像可有效区分血管区域和非血管区域，利用掩膜图像对合成流速图像进行处理，对血管区域赋予相应的流速值，而非血管区域判定无血液流动，从而抑制由多次散射等引起的假像，得到最终流速图像。
Claims (2)
1.基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量***，其特征在于：包括宽带光源、宽带光纤耦合器、样品臂、参考臂和探测臂，所述样品臂包括样品臂准直镜，样品臂快轴扫描振镜、样品臂慢轴扫描振镜、样品臂聚焦透镜和样品；所述的参考臂包括参考臂准直镜、参考臂聚焦透镜和参考臂平面镜，所述的探测臂包括光谱仪准直镜、光谱仪闪耀光栅、光谱仪聚焦透镜和高速CMOS相机，宽带光源与宽带光纤耦合器一侧的一端连接； 宽带光纤耦合器另一侧的一端与样品臂准直镜的入射端连接，样品臂快轴扫描振镜位于样品臂准直镜的出射光路上，慢轴扫描振镜位于快轴扫描振镜的反射光路上，样品臂聚焦透镜位于慢轴扫描振镜反射光路上，样品位于样品臂聚焦透镜的焦深范围内，宽带光纤耦合器另一侧的另一端与参考臂准直镜的入射端连接，参考臂聚焦透镜位于参考臂准直镜的出射光路上，参考臂平面镜位于参考臂准直镜的焦面；宽带光纤耦合器一侧的另一端与光谱仪准直镜的入射端连接，光谱仪闪耀光栅位于光谱仪准直镜的出射光路上，光谱仪聚焦透镜位于光谱仪闪耀光栅的闪耀级次的出射光路上，高速CMOS相机位于光谱仪聚焦透镜的焦面。
2.基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：在谱域OCT样品臂中，采用快速锯齿波驱动与慢速阶梯波驱动的二维扫描策略对样品进行二维扫描，从而使干涉信号在快速扫描方向有小的采样时间间隔，在慢速扫描方向具有大的采样时间间隔，扫描得到的干涉信号进入谱域OCT探测臂，经过光谱仪分光，由高速CMOS相机采集，得到干涉光谱信号；
步骤二：对采集到的干涉光谱信号作去直流项和去自相干项处理，得到样品干涉光谱信号：
其中k为波数，t为扫描时间，对应不同的(x, y)位置，S(k)为光源功率谱函数，a(x,y,z)和v(x,y,z)分别为样品中不同位置的反射系数和多普勒流速，n为样品的折射率，
对上述信号进行快速傅里叶变换得到包含有流速信息的三维数据：
步骤三：对获得的三维数据进行双向相位分析，在快速扫描方向采用传统的相位分辨算法提取大流速信息，在慢速扫描方向利用高阶相关相位分辨算法提取小流速信息和对应于大动态范围流速的相位方差值，基于大流速信息与小流速信息可得到合成的流速图像，基于相位方差值构建的相位方差图像经空间滤波和二值化后得到掩膜图像，用掩膜图像对合成流速图像处理得到最终流速图像。
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