全深度探测的频域光学相干层析成像的方法及其系统

摘要

一种全深度探测的频域光学相干层析成像的方法及其系统，方法是利用正弦相位调制方法重建低相干光频域干涉信号的复振幅量，然后对该复振幅信号作逆傅立叶变换得到被测物体的层析图，以消除频域光学相干层析成像中存在的复共轭镜像、直流背景和自相干噪声三种寄生像，达到扩大频域光学相干层析成像的成像深度为原来的2倍，实现全深度探测的频域光学相干层析成像的目的。本发明与现有技术相比具有抗环境干扰能力强，对光源波长无关和系统结构简单的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，以下简称OCT)，特别是一种利用正弦相位调制技术重建低相干光频域干涉复信号(complex interferometric signal)的全深度(full range)探测的频域光学相干层析成像(Fourier Domain Optical Coherence Tomography，简称FD-OCT)的方法及其系统。

背景技术

光学相干层析成像(OCT)基于低相干光干涉(Low CoherenceInterferometry，简称LCI)原理，能对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非侵入的实时、在体的层析成像，其深度分辨率可以达到几个微米。自从1991年Huang等人第一次提出OCT概念，并将其运用到人眼视网膜和冠状动脉壁的层析成像以来，OCT技术得到了广泛研究和应用，如用于眼科、皮肤科的疾病诊断以及癌症早期诊断等，成为一种在生物成像和医学病理检测领域中具有重要应用前景的光学成像技术。

频域光学相干层析成像系统(FD-OCT)，是一种最近发展起来的新型OCT系统，相对早先提出的时域光学相干层析成像系统(Time Domain OpticalCoherence Tomography，简称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，更适合生物组织的实时成像。

频域光学相干层析成像系统主要由低相干光源(宽光谱光源)、迈克尔逊干涉仪和光谱仪(核心元件为分光光栅、聚焦透镜和CCD探测器)三部分组成。FD-OCT基于被测物体内各层光反射或背向散射界面的深度对应频域干涉条纹的不同频率的原理，将低相干光源发出的宽光谱光经迈克尔逊干涉仪产生的干涉信号送入光谱仪(其中被测物体置于干涉仪的探测臂末端)，利用光谱仪分光特性，获取干涉信号随波长(λ)变化的强度分布，然后对其做倒数变换后得到干涉信号在频域(ν域，ν＝1/λ)的强度分布，即频域干涉条纹，对该信号作逆傅立叶变换得到被测物体沿探测光光轴方向的深度分辨的光反射或背向散射率分布，即层析图。但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(DC term)，自相干噪声(autocorrelation term)和复共轭镜像(complex conjugated term ormirror image term)。其中，直流背景和自相干噪声的存在大幅度降低了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)，故测量时被测物体只能置于零光程差位置的一侧，导致有效深度探测范围减少了一半。

为了消除FD-OCT重建的层析图中存在的复共轭镜像、自相干噪声和直流背景这些寄生像成分，A.F.Fercher等人将步进相移技术(phase shifting)引入到FD-OCT中通过重建低相干光频域干涉信号的复振幅，消除了以上寄生像，实现了全深度探测的FD-OCT(参见在先技术[1]，A.F.Fercher，R.Leitgeb，C.K.Hitzenberger，H.Sattmann and M.Wojtkowski，“Complex SpectralInterferometry OCT”，Proc.SPIE，Vol 3654，173-178，1999；M.Wojtkowski，A.Kowalczyk，R.Leitgeb and A.F.Fercher，“Full range complex spectral opticalcoherence tomography technique in eye imaging”，Optics Letters，Vol.27，No.16，1415-1417，2002)。然而，步进相移算法要求每步相移准确地为一个常量，如五步相移法要求每步相移为π/2。由于FD-OCT采用的是宽光谱光源，对于不同波长，通过改变参考臂的光程引入的步进相移量会发生变化，即相移量依赖于波长，不再是一个恒定的常量，这会带来测量误差。同时，外界的微小扰动也会引起步进相移的误差，因此该系统抗干扰能力比较差。Joseph A.Izatt等人提出了一种基于N×N(N≥3)光纤耦合器的方法(参见在先技术[2]，M.V.Sarunic，M.A.Choma，Changhuei Yang，J.A.Izatt，“Instantaneouscomplex conjugated resolved spectral domain and swept-source OCT using 3×3fiber couplers”，Optics Express，Vol.13，No.3，957-967，2005)。虽然可以实现瞬时或同时相移，对环境振动不敏感，但由于光纤耦合器的分束比对环境温度变化敏感，导致相移量会随温度变化产生飘移，而且该系统需要两个以上的探测器，需要保证所有探测器采集信号的同步性，系统复杂。

由以上分析看出，目前还没有一种具有抗环境干扰能力强，与光源波长无关，系统结构简单，而且又能够实现全深度探测的频域光学相干层析成像技术。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种全深度探测的频域光学相干层析成像的方法及其系统，本发明既能够实现全深度探测的频域光学相干层析成像，又具有抗环境干扰能力强，与光源波长无关，系统结构简单的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种全深度探测的频域光学相干层析成像的方法，它是通过一正弦相位调制装置带动迈克尔逊干涉仪参考臂中的参考反射镜作正弦振动，生成一个随时间变化的正弦相位调制的低相干光频域干涉信号，然后对其作傅立叶变换，滤出其频谱的一倍频和二倍频频谱，经计算得到低相干光频域干涉复信号的实部和虚部，将实部和虚部组合得到低相干光频域按波长分布的干涉复信号，然后对该干涉复信号进行倒数变换，得到按波长倒数分布的干涉复信号，再对该干涉复信号作逆傅立叶变换，获得被测物体层析图。

本发明全深度探测的频域光学相干层析成像的方法的特点是将正弦相位调制技术用于全深度探测的频域光学相干层析成像的方法，利用正弦相位调制技术重建低相干光频域干涉复信号，以消除FD-OCT成像中存在的复共轭镜像、直流背景和自相干噪声三种寄生像，提高系统信噪比，实现全深度探测的频域光学相干层析成像。

正弦相位调制技术是一种抗干扰能力强，调制简单的相位调制技术，常用于物体表面形貌和微位移测量的激光干涉仪中(见在先技术[3]，OsamiSasaki and Hirokazu Okazaki，“Sinusoidal phase modulating interferometry forsurface profile measurement”，Applied Optics，Vol.25，No.18，3137-3140，1986)。

本发明全深度探测的频域光学相干层析成像方法的具体步骤如下：

①通过正弦相位调制装置带动迈克尔逊干涉仪参考臂中的参考反射镜作正弦振动，引入一个调制频率为f_c的正弦相位调制，如(1)式所示：

Z(t)＝αcos(2πf_ct+θ)，                           (1)

其中：α为振幅，θ为初始相位，f_c为调制频率。

光谱仪记录的对应宽光谱光源每个波长的干涉信号，如(2)式所示：

$>>G>>(>\lambda >)>>=>>G>rr>>>(>\lambda >)>>+>>\Sigma >n>>>G>nn>>>(>\lambda >)>>>s>$

$>>+>2>Re>\{>>\Sigma >>n>\ne >m>>>>G>nm>>>(>\lambda >)>>exp>[>->j>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>m>>)>>]>\}>>s>(2)$

$>>+>2>Re>\{>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>exp>[>->j>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>\}>,>>s>$

其中：G代表光谱密度函数，Re代表取复数的实部，z_n代表被测样品第n层反射或散射界面的光程，z_r代表参考反射镜位置的光程。

(2)式中前两项分别为参考反射镜的反射光的自谱密度函数和被测样品内各层深度处反射或背向散射光的自谱密度函数叠加项，第三项为被测样品内不同深度处反射或背向散射光的互谱密度函数叠加项，第四项为参考反射镜反射光和被测样品内各层深度处反射或背向散射光的互谱密度函数叠加项。

生成一个随时间变化的正弦相位调制干涉信号，如(3)式所示：

$>>G>>(>\lambda >,>t>)>>=>>G>0>>+>2>Re>\{>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>exp>[>->j>2>\pi >>1>\lambda >>[>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>+>2>Z>>(>t>)>>]>]>\}>,>->->->>(>3>)>>>s>$

其中 $>>>G>0>>=>>G>rr>>>(>\lambda >)>>+>>\Sigma >n>>>G>nm>>>(>\lambda >)>>+>2>Re>\{>>\Sigma >>n>\ne >m>>>>G>nm>>>(>\lambda >)>>exp>[>->j>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>m>>)>>]>\}>,>>s>不受参考反射镜振动的调制，为一个不随时间变化的直流分量。然后对其做傅立叶变换得到(4)式，$

(4)

$>>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>sin>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>\times >[over>>\Sigma >>m>=>->\infty >>\infty over>{}^{}$

其中A_m＝J_m(d)exp(jmθ)，J_m是m阶贝塞尔函数，σ是狄拉克函数， $>>d>=>4>\pi >>a>\lambda >>,>>s>\omega ＝2\pi f，\omega$_c＝2πf_c。

从其频谱中取出一倍频F(f_c)和二倍频F(2f_c)频谱，通过(5)式计算得到干涉复信号的实部和虚部，

$>>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>sin>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>=>->Re>\{>F>>(>>\omega >c>>)>>\}>/>>J>1>>>(>d>)>>cos>>(>\theta >)>>,>>s>$

$>>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>cos>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>=>->Re>\{>F>>(>>>2>\omega >>c>>)>>\}>/>>J>2>>>(>d>)>>cos>>(>2>\theta >)>>,>>s>(5)$

其中sin项对应干涉复信号的虚部，cos项对应干涉复信号的实部。d，θ为事先确定量，或由F(ω_c)和F(3ω_c)求得(见在先技术[3])。将实部、虚部组合得到干涉信号的复振幅如(6)式所示。其中f_c的取值由正弦相位调制频率决定，与光源波长无关。

$>ver>>G>^>>>(>\lambda >)>>=>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>cos>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>->j>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>sin>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>>s>$

$>>=>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>exp>\{>->j>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>\}>,>>s>(6)$

②对步骤①所得的按波长(λ)分布的干涉复信号(6)，做倒数变换，转换成按波长倒数(ν，ν＝1/λ)分布的干涉复信号，如(7)式所示：

$>ver>>G>^>>>(>\nu >)>>=>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\nu >)>>exp>\{>->j>[>2>\pi \nu >>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>\}>,>->->->>(>7>)>>>s>$

其中 $>>\nu >=>>1>\lambda >>.>>s>$

③对步骤②得到的按波长倒数(ν，ν＝1/λ)分布的干涉复信号作逆傅立叶变换得到被测物体的层析图如(8)式所示：

其中：Г_nr为一阶互相关函数，其包含着被测物体的沿探测光光轴方向的深度分辨的光反射或背向散射信息，即层析图。

本发明方法与不采用正弦相位调制，直接对(2)式作逆傅立叶变换得到的层析图(9)式相比，消除了FD-OCT成像中存在的复共轭镜像(I₂)、直流背景(I₀)和自相干噪声(I₁)三种寄生像，提高了信噪比，实现了全深度探测的频域光学相干层析成像。

$>>=>>\Gamma >rr>>>(>z>)>>+>>\Sigma >n>>>\Gamma >nn>>>(>z>)>>+>>\Sigma >>n>\ne >m>>>>\Gamma >nm>>[>z>+>>(>>z>n>>->>z>m>>)>>]>+>>\Sigma >>n>\ne >m>>>>\Gamma >nm>>[>z>->>(>>z>n>>->>z>m>>)>>]>>s>$

$>>+>>\Sigma >n>>>\Gamma >nr>>[>z>+>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>+>>\Sigma >n>>>\Gamma >nr>>[>z>->>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>>s>$

$>>=>>I>0>>+>>I>1>>+>>I>2>>+>>\Sigma >n>>>\Gamma >nr>>[>z>->>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>,>>s>(9)$

其中： $>>>I>0>>=>>\Gamma >rr>>>(>z>)>>+>>\Sigma >n>>>\Gamma >nm>>>(>z>)>>>s>为直流背景分量，$

$>>>I>1>>=>>\Sigma >>n>\ne >m>>>>\Gamma >nm>>[>z>+>>(>>z>n>>->>z>m>>)>>]>+>>\Sigma >>n>\ne >m>>>>\Gamma >nm>>[>z>->>(>>z>n>>->>z>m>>)>>]>>s>为自相干噪声分量，$

$>>>I>2>>=>>\Sigma >n>>>\Gamma >nr>>[>z>+>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>>s>为复共轭镜像分量。$

实施上述方法的全深度探测的频域光学相干层析成像系统，包括低相干光源，在该低相干光源的照明方向上顺次放置准直扩束器、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探测臂光路和参考臂光路，参考臂光路的末端为参考反射镜，探测臂光路的末端为被测样品，被测样品放置在一个三维精密平移台上；迈克尔逊干涉仪输出端连接一光谱仪，该光谱仪通过图像采集卡和计算机连接，该系统的特点是所述的参考反射镜连接一正弦相位调制装置，该正弦相位调制装置驱动所述的参考反射镜作正弦振动。

所述的正弦相位调制装置由正弦函数电信号发生器和固定在所述的参考反射镜上的压电陶瓷驱动器组成，所述的正弦函数电信号发生器发出的时间正弦函数驱动电信号通过压电陶瓷驱动器驱动所述的参考反射镜作正弦振动。

所述的低相干光源为宽光谱光源，其光谱典型半宽度为几十个nm到几百个nm，如发光二极管(LED)或超辐射发光二极管(SLD)或飞秒激光器等。

所述的准直扩束器由物镜和若干透镜组成。

所述的迈克逊干涉仪，其特征在于具有两个接近等光程的干涉光路，一路为参考臂光路，另一路为探测臂光路。它可以是体光学系统，如由分光棱镜分光构成参考臂和探测臂两路光路；也可以是光纤光学系统，如由2×2光纤耦合器的两个输出光纤光路分别作为参考臂和探测臂光路。

所述的光谱仪由分光光栅，聚焦透镜和光电探测器阵列组成。

所述的光电探测器阵列是CCD或光电二极管阵列或其他具有光电信号转换功能的探测器阵列。

所述的三维精密平移台，可以沿三个相互垂直方向作微米级精度的平移。

该系统的工作情况如下：

低相干光源发出的光经准直扩束器准直扩束后，在迈克尔逊干涉仪中被分成两束，一束光经参考臂入射到参考反射镜表面，另外一束光经探测臂入射到被测样品内，从参考反射镜表面反射回来的光和从被测样品内不同深度处反射或背向散射回来的光被收集并沿参考臂和探测臂返回，在迈克逊干涉仪中汇合发生干涉，再送入光谱仪分光并记录，经图像采集卡数模转换后送入计算机进行数据处理，得到被测样品沿探测光光轴方向的层析图。通过三维精密平移台对被测样品沿与探测光光轴方向垂直的平面做横向扫描，得到被测样品的二维或三维层析图。其中正弦相位调制装置与迈克尔逊干涉仪参考臂中的参考反射镜相连，该装置在一个正弦变化的电信号驱动下，带动参考反射镜作正弦振动，在光谱仪采集的干涉信号中引入正弦相位调制。

本发明的技术效果是：

与在先技术1相比，本发明由于采用正弦相位调制技术，通过对正弦相位调制的频域干涉信号作傅立叶变换，取出其一倍频和二倍频的频谱信息重建低相干光的频域干涉复信号，对环境噪声不敏感，故抗环境干扰能力强，而且一倍频和二倍频的取值由正弦相位调制频率决定，不随波长变化而改变，故对光源波长无关。

与在先技术2相比，本发明只需一个探测器，避免了多探测器的同步性校准，系统结构简单。

附图说明

图1为本发明全深度探测的频域光学相干层析成像系统的体光学系统结构示意图。

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为本发明全深度探测的频域光学相干层析成像系统实施例——体光学系统的结构示意图。由图可见，本发明全深度探测的频域光学相干层析成像系统，包括低相干光源1，在该低相干光源1的照明方向上顺次放置准直扩束器2、迈克尔逊干涉仪3，该迈克尔逊干涉仪3的分光器31将入射光分为探测臂光路34和参考臂光路32，参考臂光路的末端为参考反射镜33，探测臂光路的末端为被测样品35，被测样品35放置在一个三维精密平移台(图中未示)上；迈克尔逊干涉仪3输出端连接一光谱仪5，该光谱仪5通过图像采集卡6和计算机7连接，其特征在于所述的参考反射镜33连接一正弦相位调制装置4，所述的正弦相位调制装置4由正弦函数电信号发生器和固定在所述的参考反射镜33上的压电陶瓷驱动器组成，所述的正弦函数电信号发生器发出的时间正弦函数驱动电信号通过压电陶瓷驱动器驱动所述的参考反射镜33作正弦振动。

低相干光源1发出的宽光谱光经准直扩束器2准直扩束后，在迈克尔逊干涉仪3中被分光棱镜31分成两束，一束经参考臂光路32入射到一个参考反射镜33表面，另一束经探测臂光路34入射到放置在三维精密平移台上的被测样品35内，从参考反射镜33表面反射回来的光和从被测样品35内不同深度处反射或背向散射回来的光被收集并沿参考臂光路32和探测臂光路34返回，在迈克逊干涉仪3中31处汇合发生干涉，再送入光谱仪5被光栅51分光，经会聚透镜52，成像在CCD探测器53，转换成电信号后，经图像采集卡6数模转换送入计算机7进行数据处理，得到被测样品35沿探测光光轴方向的层析图。通过三维精密平移台(图中未示)对被测样品35沿与探测光光轴方向垂直的平面做横向扫描，得到被测样品35的二维或三维层析图。其中正弦相位调制装置4与迈克尔逊干涉仪参考臂中的参考反射镜33相连，该装置在正弦变化电信号的驱动下，带动参考反射镜作正弦振动，在光谱仪采集的干涉信号中引入正弦相位调制。

所述的参考反射镜33作如下正弦振动：

Z(t)＝αcos(2πf_ct+θ)，                                (10)

其中：α为振幅，θ为初始相位，f_c为调制频率。

所述的CCD探测器53记录的信号为：

$>>G>>(>\lambda >,>t>)>>=>>G>0>>+>2>Re>\{>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>exp>[>->j>2>\pi >>1>\lambda >>[>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>+>2>Z>>(>t>)>>]>]>\}>,>->->->>(>11>)>>>s>$

其中：G代表光谱密度函数，Re代表取复数的实部，z_n代表被测样品第n层反射或散射界面的光程，z_r代表参考反射镜位置的光程。而 $>>>G>0>>=>>G>rr>>>(>\lambda >)>>+>>\Sigma >n>>>G>nm>>>(>\lambda >)>>+>2>Re>\{>>\Sigma >>n>\ne >m>>>>G>nm>>>(>\lambda >)>>exp>[>->j>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>m>>)>>]>\}>,>>s>为一个不随时间变化的直流分量。$

对(11)式作傅立叶变换，得到

$>>F>>(>\omega >)>>=>>G>0>>\sigma >>(>\omega >)>>+>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>cos>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>\times >[over>>\Sigma >>m>=>->\infty >>\infty over>{}^{}$

$>>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>sin>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>\times >[over>>\Sigma >>m>=>->\infty >>\infty over>{}^{}$

其中A_m＝J_m(d)exp(jmθ)，J_m是m阶贝塞尔函数，σ是狄拉克函数， $>>d>=>4>\pi >>a>\lambda >>,>>s>\omega ＝2\pi f，\omega$_c＝2πf_c。由(12)式，可推得

$>>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>sin>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>=>->Re>\{>F>>(>>\omega >c>>)>>\}>/>>J>1>>>(>d>)>>cos>>(>\theta >)>>,>>s>$

$>>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>cos>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>=>->Re>\{>F>>(>>>2>\omega >>c>>)>>\}>/>>J>2>>>(>d>)>>cos>>(>2>\theta >)>>,>>s>(13)$

其中：sin项对应干涉复信号的虚部，cos项对应干涉复信号的实部。d，θ为事先确定量，或由F(ω_c)和F(3ω_c)求得(见在先技术[3])。

由(13)式中的两项组合，可得到复信号

$>ver>>G>^>>>(>\lambda >)>>=>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>cos>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>->j>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>sin>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>>s>$

$>>=>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\lambda >)>>exp>\{>->j>[>2>\pi >>1>\lambda >>>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>\}>,>>s>(14)$

对(14)做倒数变换，得到频域(ν域，ν＝1/λ)的复信号

$>ver>>G>^>>>(>\nu >)>>=>2>>\Sigma >n>>>G>nr>>>(>\nu >)>>exp>\{>->j>[>2>\pi \nu >>(>>z>n>>->>z>r>>)>>]>\}>,>->->->>(>15>)>>>s>$

对(15)式作逆傅立叶变换，得到被测物体的层析图

其中：Г_nr为一阶互相关函数，包含着被测物体的沿探测光光轴方向的深度分辨的光反射或背向散射信息，即层析图。通过三维精密平移台带动被测物体作横向扫描，重复以上计算过程即可得到被测物体的二维或三维层析图。