基於群延遲波數載頻的鏡像分離方法及系統的製作方法
2023-05-15 21:40:26
專利名稱：基於群延遲波數載頻的鏡像分離方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學相干層析成像技術和傅立葉域光學相干層析成像技術，尤其涉及 一種基於群延遲波數載頻的鏡像分離方法及系統。
背景技術：
光學相干層析(Optical Coherence Tomography，簡稱OCT)成像技術是一種新型 的光學成像技術，能夠對被測活體樣品內部的組織結構與生理功能進行非侵入、非接觸、高 解析度在體成像，在疾病的早期診斷和在體活檢領域有著廣泛應用前景。
傅立葉域光學相干層析成像系統包括譜域光學相干層析系統和掃頻光學相干層 析系統兩種型式。譜域OCT系統採用寬帶光源和快速多通道光譜儀的結構，掃頻OCT系統 採用快速可調諧雷射器和點探測器的結構。通過快速採集幹涉光譜信號，不需要進行軸向 掃描，通過對幹涉光譜信號進行快速傅立葉變換即可獲得樣品的軸向深度信息，具有高速 和高靈敏度的特點。但是傅立葉域光學相干層析成像也存在其固有缺點，在採集攜帶樣品 深度信息的幹涉信號的同時，也採集到樣品各層之間的互幹涉信號、樣品各層本身的自相 乾乾涉信號、參考光本身的自相干幹涉信號等相干噪聲。並且由於採集到的是幹涉光譜信 號的實部，而不是複數幹涉光譜信號，對此實幹涉光譜信號進行快速傅立葉變換得到的結 果是厄米共軛的，導致了在圖像中產生了疊加在樣品實際像上關於零光程位置完全對稱的 共軛鏡像。
為了消除傅立葉域光學相干層析圖像中的共軛鏡像，通常調節樣品臂和參考臂之 間的光程差使零光程面移到被測樣品表面以外，這樣可以使實際像和共軛像在圖像上不重 疊，但由於零光程附近的條紋可見度最高，即圖像靈敏度最高，對光源中各個光譜成分引入 同樣的光程差，導致樣品圖像信噪比隨著遠離零光程面而迅速下降。採用移開零光程面的 辦法導致高靈敏度的圖像區域無法得到利用，並且由於零光程面位於樣品之外，導致了傅 立葉域光學相干層析系統的成像深度僅僅利用了一半。消除傅立葉域OCT的共軛像鏡，可 以更好的利用零光程附近的高靈敏度區域，並且使成像深度拓展一倍，國外很多科研機構 都開展了這方面的研究。MWojtkowski等人提出利用壓電陶瓷驅動器移動參考臂的反射 鏡的方法，加州大學Irving分校的aiongping Chen小組提出採用電光相位調製器的方法， 杜克大學Izatt小組提出採用3 X 3光纖耦合器的方法，通過在相鄰的軸向幹涉光譜信號間 引入固定的附加相位，採用複數幹涉光譜恢復算法重建出幹涉光譜信號的複數形式，再進 行傅立葉逆變換，從而消除復共軛像。美國哈佛大學醫學院G. J. Tearney小組提出採用聲 光移頻器對幹涉光譜信號進行載頻的方法和偏振編碼的方法去除復共軛像。Hofer等人提 出採用色散材料提供色散並且用複雜的迭代算法消除復共軛像的方法，S. Witte等人對也 採用色散材料進行色散編碼並提出簡化的消除尖峰算法去除復共軛像。羅切斯特大學的 J. P. Rolland等人提出利用雙平衡探測器分別探測存在90度相位差的兩路幹涉信號用以 構建複數幹涉光譜信號從而消除復共軛鏡像。
上述這些方法，都存在其固有缺點，如利用壓電陶瓷驅動器進行多步移相方法需要對同一個位置進行多次測量，降低了成像速度，且對相位的穩定性要求高，容易受到各種 環境擾動對相位的影響；利用電光相位調製器和聲光移頻器的方法需要引入比較複雜且昂 貴的儀器設備，且對系統數據採集速度提出了苛刻的要求；利用3X3光纖耦合器的方法容 易受到溫度對耦合係數的影響而造成恢復複數幹涉光譜的不準確，影響整體的復共軛抑制 率；現有提出的利用色散的消鏡像方法需要依賴複雜的迭代算法，對算法的簡化也降低了 復共軛抑制率；利用雙平衡探測的方法增加了系統複雜度，且引入的相位差對環境穩定性 有較高的要求，不適用於光纖型系統。因此有必要研究易於實現、且復共軛抑制率高的消鏡 像方法。發明內容
本發明的目的在於提供一種基於群延遲波數載頻的鏡像分離方法及系統。在傅立 葉域光學相干層析成像系統的參考臂中設置光柵型光學延遲線，通過引入群延遲波數載頻 來分離傅立葉域光學相干層析圖像中的共軛鏡像。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的
一、一種基於群延遲波數載頻的鏡像分離方法
在傅立葉域光學相干層析成像系統的參考臂中設置光柵型光學延遲線，通過使光 學延遲線中的反射鏡與光軸垂軸面偏離特定夾角，在參考光各光譜成分中引入一個隨光譜 波數線性變化的附加位相量，根據傅立葉變換的性質，光譜域的線性附加位相量對應於空 間域的等效光程偏移量，實現參考光零相延遲下的特定群延遲，有效分離直流項與共軛鏡 像，等效偏移量遠大於在上述各光譜成分中引入的附加光程量，即可避免隨著共軛鏡像的 分離而導致的幹涉條紋靈敏度的迅速下降，實現傅立葉域的全量程成像；該方法的具體步 驟如下
1)調節參考臂中的光柵型光學延遲線，使光柵型光學延遲線中的閃耀光柵位於傅 立葉變換透鏡的前焦面上，且閃耀光柵面垂直於傅立葉變換透鏡的光軸，光柵型光學延遲 線中的反射鏡位於傅立葉變換透鏡的後焦面上，使光源中心波長沿光軸方向衍射；
2)調節光柵型光學延遲線中的反射鏡使其與光軸垂軸面偏離特定角度，對各個光 譜成分引入隨光譜波數線性變化的附加位相量，相當於對幹涉光譜信號引入相應的波數載 頻，使共軛鏡像相互之間分開等效光程偏移量的距離；
3)通過數據採集卡採集得到弓I入群延遲波數載頻的幹涉光譜數據，通過程序算法 對幹涉光譜數據進行處理，恢復無鏡像的光學相干層析圖像；或者通過CCD採集得到引入 群延遲波數載頻的幹涉光譜數據，通過程序算法對幹涉光譜數據進行處理，恢復無鏡像的 光學相干層析圖像。
二、一種基於群延遲波數載頻的鏡像分離系統
技術方案之一
包括光源、寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和OCT幹涉光譜信號探測裝置，光源 出來的低相干光進入寬帶光纖耦合器，經分光後分別進入參考臂和樣品臂，返回的幹涉光 譜信號經過進入OCT幹涉光譜信號探測裝置，形成的OCT幹涉光譜信號進行採集。所述光源 為寬帶光源發出的低相干光，進入寬帶光纖耦合器的第一端；所述樣品臂包括樣品臂準直 鏡，樣品臂掃描振鏡，樣品臂聚焦透鏡和樣品，寬帶光纖耦合器第二端的光經過樣品臂準直鏡、樣品臂掃描振鏡和樣品臂聚焦透鏡後，投射在樣品上；所述參考臂包括準直鏡、閃耀光 柵、傅立葉變換透鏡、第一反射鏡和第二反射鏡，寬帶光纖耦合器第三端的光進入參考臂的 光經準直鏡、閃耀光柵、傅立葉變換透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡，沿原光路返回準直鏡， 在寬帶光纖耦合器的第三端與經樣品臂返回的樣品光匯合後幹涉；所述的OCT幹涉光譜信 號探測裝置為光譜儀，包括光譜儀準直鏡、光譜儀閃耀光柵、光譜儀聚焦透鏡和CCD，所述參 考臂的光與樣品臂的光匯合後形成OCT幹涉光譜信號，通過寬帶光纖耦合器第四端經光譜 儀準直鏡，光譜儀閃耀光柵，光譜儀聚焦透鏡和CCD進行探測，經計算機進行採集。
技術方案之二
包括光源、寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和OCT幹涉光譜信號探測裝置，光源 出來的低相干光進入寬帶光纖耦合器，經分光後分別進入參考臂和樣品臂，返回的幹涉光 譜信號經過進入OCT幹涉光譜信號探測裝置，形成的OCT幹涉光譜信號進行採集。所述光源 為掃描光源發出的低相干光，進入寬帶光纖耦合器的第一端；所述樣品臂包括樣品臂準直 鏡，樣品臂掃描振鏡，樣品臂聚焦透鏡和樣品，寬帶光纖耦合器第二端的光經過樣品臂準直 鏡、樣品臂掃描振鏡和樣品臂聚焦透鏡後，投射在樣品上；所述參考臂包括準直鏡、閃耀光 柵、傅立葉變換透鏡、第一反射鏡和第二反射鏡，寬帶光纖耦合器第三端的光進入參考臂的 光經準直鏡、閃耀光柵、傅立葉變換透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡，沿原光路返回準直鏡， 在寬帶光纖耦合器的第三端與經樣品臂返回的樣品光匯合後幹涉；所述的OCT幹涉光譜信 號探測裝置為單點探測儀，所述參考臂的光與樣品臂的光匯合後形成OCT幹涉光譜信號， 通過寬帶光纖耦合器第四端經單點探測儀進行探測，經數據採集卡和計算機進行採集。
與背景技術相比，本發明具有的有益效果是
1、通過在各光譜成分中引入隨波數線性變化的附加光程量，相應的對幹涉光譜引 入等效偏移量載頻，實現共軛鏡像的分離，相比傳統的將零光程面移出樣品表面外的鏡像 分離方法，能夠確保等效光程偏移量遠大於在各光譜成分中引入的偏移量，幹涉條紋靈敏 度下降小，成像質量高。
2、由於不引入任何電控制或機械控制的相位調製器，如壓電陶瓷微位移臺、電光 相位調製器或聲光頻移器，只需設定不同的反射鏡偏轉角即可引入特定群延遲以及相應的 等效偏移量，因而不受任何相位調製控制器時間響應的限制。且基於電光相位調製器或聲 光頻移器的鏡像分離方法只適用於掃頻OCT系統而不適用於譜域OCT系統，本發明提出的 方法適用於譜域OCT和掃頻OCT兩種系統，適用範圍廣。
3、相對於多步移相消鏡像的方法，只需一組圖像數據即可恢復無鏡像OCT圖像， 可實現高速、高靈敏度成像。
圖1是本發明的譜域光學相干層析成像系統示意圖。
圖2是本發明的掃頻光學相干層析成像系統示意圖。
圖3是本發明的譜域光學相干層析成像系統硬體控制結構示意圖。
圖4是本發明的掃頻光學相干層析成像系統硬體控制結構示意圖。
圖5是本發明的各個光譜成分對應的光程差和等效光程偏移量對比圖。
圖中1、寬帶光源，2、寬帶光纖耦合器，3、樣品臂準直鏡，4、樣品臂掃描振鏡，5、樣品臂聚焦透鏡，6、樣品，7、準直鏡，8、閃耀光柵，9、傅立葉變換透鏡，10、第一反射鏡，11、第 二反射鏡，12、光譜儀準直鏡，13、光譜儀閃耀光柵，14、光譜儀聚焦透鏡，15、CCD, 16、掃頻光 源，17、單點探測儀，18、數據採集卡，19、計算機。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1、圖3所示，本發明包括光源、寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和OCT幹涉 光譜信號探測裝置，光源出來的低相干光進入寬帶光纖耦合器，經分光後分別進入參考臂 和樣品臂，返回的幹涉光譜信號經過進入OCT幹涉光譜信號探測裝置，形成的OCT幹涉光譜 信號進行採集。所述光源為寬帶光源1發出的低相干光，進入寬帶光纖耦合器2的第一端； 所述樣品臂包括樣品臂準直鏡3，樣品臂掃描振鏡4，樣品臂聚焦透鏡5和樣品6，寬帶光纖 耦合器2第二端的光經過樣品臂準直鏡3、樣品臂掃描振鏡4和樣品臂聚焦透鏡5後，投射 在樣品6上；所述參考臂包括準直鏡7、閃耀光柵8、傅立葉變換透鏡9、第一反射鏡10和第 二反射鏡11，寬帶光纖耦合器2第三端的光進入參考臂的光經準直鏡7、閃耀光柵8、傅立 葉變換透鏡9、第一反射鏡10、第二反射鏡11，沿原光路返回準直鏡7，在寬帶光纖耦合器2 的第三端與經樣品臂返回的樣品光匯合後幹涉；所述的OCT幹涉光譜信號探測裝置為光譜 儀，包括光譜儀準直鏡12、光譜儀閃耀光柵13、光譜儀聚焦透鏡14和CCD15，所述參考臂的 光與樣品臂的光匯合後形成的OCT幹涉光譜信號通過寬帶光纖耦合器2第四端經光譜儀準 直鏡12，光譜儀閃耀光柵13，光譜儀聚焦透鏡14和(XD15進行探測，通過圖像採集卡和計 算機19進行採集。計算機19控制樣品臂掃描振鏡4高速旋轉，使探測光束對樣品6進行 橫向掃描得到二維或三維OCT數據。
如圖2、圖4所示，本發明包括光源、寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和OCT幹涉 光譜信號探測裝置，光源出來的低相干光進入寬帶光纖耦合器，經分光後分別進入參考臂 和樣品臂，返回的幹涉光譜信號經過進入OCT幹涉光譜信號探測裝置，形成的OCT幹涉光譜 信號進行採集；所述光源為掃描光源16發出的低相干光，進入寬帶光纖耦合器2的第一端； 所述樣品臂包括樣品臂準直鏡3，樣品臂掃描振鏡4，樣品臂聚焦透鏡5和樣品6，寬帶光纖 耦合器2第二端的光經過樣品臂準直鏡3、樣品臂掃描振鏡4和樣品臂聚焦透鏡5後，投射 在樣品6上；所述參考臂包括準直鏡7、閃耀光柵8、傅立葉變換透鏡9、第一反射鏡10和第 二反射鏡11，寬帶光纖耦合器2第三端的光進入參考臂的光經準直鏡7、閃耀光柵8、傅立葉 變換透鏡9、第一反射鏡10、第二反射鏡11，沿原光路返回準直鏡7，在寬帶光纖耦合器2的 第三端與經樣品臂返回的樣品光匯合後幹涉；所述的OCT幹涉光譜信號探測裝置為單點探 測儀17，所述參考臂的光與樣品臂的光匯合後形成OCT幹涉光譜信號，通過寬帶光纖耦合 器2第四端經單點探測儀17進行探測，經數據採集卡18和計算機19進行採集。計算機19 控制樣品臂掃描振鏡4高速旋轉，使探測光束對樣品6進行橫向掃描得到二維或三維OCT 數據。
圖3所示為本發明的譜域光學相干層析成像系統硬體控制結構示意圖，包括，樣 品臂掃描振鏡4、(XD15、計算機19。其中(XD15和計算機19相連，計算機19和樣品臂掃描 振鏡4相連。計算機19控制(XD15採集OCT幹涉信號，通過數據總線傳入計算機19進行 數據處理和圖像重建。計算機19控制樣品臂掃描振鏡4實現探測光束對樣品的橫向掃描，7以採集樣品的二維以及三維信息數據。
圖4所示為本發明的掃頻光學相干層析成像系統硬體控制結構示意圖。包括，樣 品臂掃描振鏡4、單點探測儀17、數據採集卡18和計算機19。其中數據採集卡18和計算 機19相連，計算機19和樣品臂掃描振鏡4相連。計算機19控制數據採集卡18對單點探 測儀17產生的幹涉光譜信號進行採集，通過數據總線傳入計算機19進行數據處理和圖像 重建。計算機19控制樣品臂掃描振鏡4實現探測光束對樣品的橫向掃描，以採集樣品的二 維以及三維信息數據。
圖5所示為本發明的所述的各個光譜成分對應的光程差和等效光程偏移量對比 圖。下面對圖5中的曲線進行說明。
當光學掃描延遲線中的反射鏡與光軸垂軸面夾角為零時，設樣品臂和參考臂的光 程差為Δ z，則探測到的幹涉光譜信號的強度表達式為
權利要求
1.一種基於群延遲波數載頻的鏡像分離方法，其特徵在於在傅立葉域光學相干層析 成像系統的參考臂中設置光柵型光學延遲線，通過使光學延遲線中的反射鏡與光軸垂軸面 偏離特定夾角，在參考光各光譜成分中引入一個隨光譜波數線性變化的附加位相量，根據 傅立葉變換的性質，光譜域的線性附加位相量對應於空間域的等效光程偏移量，實現參考 光零相延遲下的特定群延遲，有效分離直流項與共軛鏡像，等效偏移量遠大於在上述各光 譜成分中引入的附加光程量，即可避免隨著共軛鏡像的分離而導致的幹涉條紋靈敏度的迅 速下降，實現傅立葉域的全量程成像；該方法的具體步驟如下1)調節參考臂中的光柵型光學延遲線，使光柵型光學延遲線中的閃耀光柵位於傅立葉 變換透鏡的前焦面上，且閃耀光柵面垂直於傅立葉變換透鏡的光軸，光柵型光學延遲線中 的反射鏡位於傅立葉變換透鏡的後焦面上，使光源中心波長沿光軸方向衍射；2)調節光柵型光學延遲線中的反射鏡使其與光軸垂軸面偏離特定角度，對各個光譜成 分引入隨光譜波數線性變化的附加位相量，相當於對幹涉光譜信號引入相應的波數載頻， 使共軛鏡像相互之間分開等效光程偏移量的距離；3)通過數據採集卡採集得到弓I入群延遲波數載頻的幹涉光譜數據，通過程序算法對幹 涉光譜數據進行處理，恢復無鏡像的光學相干層析圖像；或者通過CCD採集得到引入群延 遲波數載頻的幹涉光譜數據，通過程序算法對幹涉光譜數據進行處理，恢復無鏡像的光學 相干層析圖像。
2.實施權利要求1所述方法的一種基於群延遲波數載頻的鏡像分離系統，包括光源、 寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和OCT幹涉光譜信號探測裝置，光源出來的低相干光進入 寬帶光纖耦合器，經分光後分別進入參考臂和樣品臂，返回的幹涉光譜信號經過進入OCT 幹涉光譜信號探測裝置，形成的OCT幹涉光譜信號進行採集；其特徵在於所述光源為寬帶 光源(1)發出的低相干光，進入寬帶光纖耦合器O)的第一端；所述樣品臂包括樣品臂準 直鏡(3)，樣品臂掃描振鏡G)，樣品臂聚焦透鏡(5)和樣品(6)，寬帶光纖耦合器(2)第二 端的光經過樣品臂準直鏡(3)、樣品臂掃描振鏡(4)和樣品臂聚焦透鏡(5)後，投射在樣品(6)上；所述參考臂包括準直鏡(7)、閃耀光柵(8)、傅立葉變換透鏡(9)、第一反射鏡(10) 和第二反射鏡(11)，寬帶光纖耦合器( 第三端的光進入參考臂的光經準直鏡(7)、閃耀 光柵(8)、傅立葉變換透鏡(9)、第一反射鏡(10)、第二反射鏡(11)，沿原光路返回準直鏡(7)，在寬帶光纖耦合器(2)的第三端與經樣品臂返回的樣品光匯合後幹涉；所述的OCT幹 涉光譜信號探測裝置為光譜儀，包括光譜儀準直鏡(12)、光譜儀閃耀光柵(13)、光譜儀聚 焦透鏡(14)和CCD(K)，所述參考臂的光與樣品臂的光匯合後形成的OCT幹涉光譜信號通 過寬帶光纖耦合器( 第四端經光譜儀準直鏡(12)，光譜儀閃耀光柵(13)，光譜儀聚焦透 鏡(14)和CCD(15)進行探測，經計算機(19)進行採集。
3.實施權利要求1所述方法的一種基於群延遲波數載頻的鏡像分離系統，包括光源、 寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和OCT幹涉光譜信號探測裝置，光源出來的低相干光進入 寬帶光纖耦合器，經分光後分別進入參考臂和樣品臂，返回的幹涉光譜信號經過進入OCT 幹涉光譜信號探測裝置，形成的OCT幹涉光譜信號進行採集；其特徵在於所述光源為掃描 光源(16)發出的低相干光，進入寬帶光纖耦合器O)的第一端；所述樣品臂包括樣品臂準 直鏡(3)，樣品臂掃描振鏡G)，樣品臂聚焦透鏡(5)和樣品(6)，寬帶光纖耦合器(2)第二 端的光經過樣品臂準直鏡(3)、樣品臂掃描振鏡(4)和樣品臂聚焦透鏡(5)後，投射在樣品(6)上；所述參考臂包括準直鏡(7)、閃耀光柵(8)、傅立葉變換透鏡(9)、第一反射鏡(10) 和第二反射鏡(11)，寬帶光纖耦合器( 第三端的光進入參考臂的光經準直鏡(7)、閃耀光 柵(8)、傅立葉變換透鏡(9)、第一反射鏡(10)、第二反射鏡(11)，沿原光路返回準直鏡(7)， 在寬帶光纖耦合器O)的第三端與經樣品臂返回的樣品光匯合後幹涉；所述的OCT幹涉光 譜信號探測裝置為單點探測儀(17)，所述參考臂的光與樣品臂的光匯合後形成OCT幹涉光 譜信號，通過寬帶光纖耦合器⑵第四端經單點探測儀(17)進行探測，經數據採集卡(18) 和計算機(19)進行採集。
全文摘要
本發明公開了一種基於群延遲波數載頻的鏡像分離方法及系統。在傅立葉域光學相干層析成像系統的參考臂中設置光柵型光學延遲線，基於光學延遲線中反射鏡與光軸垂軸面的特定夾角，在各光譜成分中引入隨光譜波數線性變化的附加位相量，實現參考光零相延遲下的特定群延遲。群延遲後的參考光與樣品光匯合，形成相應載頻的幹涉光譜。對幹涉光譜實施基於快速傅立葉變換的圖像重建，其共軛鏡像將偏離無載頻時的位置，等效偏移量遠大於在各光譜成分中引入的附加光程量，確保了在幹涉信號靈敏度下降最小化的前提下，有效分離直流項與共軛鏡像，實現傅立葉域光學相干層析的全量程成像。本發明提出的方法可用於譜域光學相干層析系統和掃頻光學相干層析系統。
文檔編號A61B5/00GK102028454SQ201010520190
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月26日 優先權日2010年10月26日
發明者丁志華, 吳彤, 王保勇, 王川, 王玲, 陳明惠, 陶淵浩 申請人:浙江大學