頻域光學相干層析成像系統(tǒng)的色散補償方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及頻域光學相干層析成像（Fourier-Domain Optical Coherence Tomography，簡稱FD-OCT)，尤其涉及一種頻域光學相干層析成像系統(tǒng)的色散補償方法。
【背景技術】
[0002] 光學相干層析成像（Optical coherence tomography,簡稱為0CT)是一種非侵 入的高分辨率生物醫(yī)學光學成像技術，可在體檢測生物組織內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，已廣泛地應用 于生物學研宄和臨床醫(yī)療領域。頻域光學相干層析成像（FD-OCT)通過探測干涉譜并對其 進行逆傅里葉變換得到被測樣品的層析圖，相對于時域光學相干層析成像（Time-Domain Optical Coherence Tomography，簡稱TD-0CT)具有成像速度快和探測靈敏度高的優(yōu)勢，成 為OCT技術主流的研宄方向。
[0003] OCT系統(tǒng)空間分辨率是影響成像質(zhì)量的一個關鍵因素，而成像質(zhì)量的高低直接表 現(xiàn)為能否更清晰、更真實可靠地反映出被測樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。OCT系統(tǒng)的縱向分辨率 主要取決于光源的相干長度，光源的相干長度與光源的中心波長和光源的帶寬有關。光源 的帶寬越寬，縱向分辨率越好。目前最新一代商用OCT系統(tǒng)大多采用超輻射二極管（SLD) 光源，如中心波長為840nm，帶寬為60nm，系統(tǒng)的縱向分辨率為5 y m。如今采用三個SLD組 合，OCT系統(tǒng)的光源帶寬可達到近200nm，分辨率可達2 y m。但是，OCT系統(tǒng)的分辨率會受到 光學器件和樣品本身的色散影響。參考臂和樣品臂的色散失配會導致信號相干包絡的展寬 和畸變，從而導致系統(tǒng)分辨率的降低，影響到成像質(zhì)量。目前高分辨率OCT系統(tǒng)均采用寬帶 寬的光源，色散造成的分辨率下降十分嚴重，因此色散補償成為實現(xiàn)高分辨率、高成像質(zhì)量 OCT的一個關鍵技術。色散補償方法主要分為硬件補償和軟件補償兩種。
[0004] 硬件補償方法通常是在光路中加入色散補償器件，使參考臂和樣品臂的色散 匹配，比如在參考臂光路中增加由水、BK7棱鏡組成色散補償塊，通過控制棱鏡在光路中 的厚度來來進行色散匹配（參見在先技術[1]，W. Drexler, U. Morgner, R. K. Ghanta, F. X.Kartncr, J. S. Schuman, and J. G. Fujimoto, "Ultrahigh-resolution ophthalmic optical coherence tomography"，Nature Medicine 7,502-507,2001)。也可以利 用基于光柵的掃描延遲線技術，通過改變光柵的離焦量來補償色散（參見在先技術 [2], R. A. Leitgeb, ff. Drexler, A. Unterhuber, B. Hermann, T. Bajraszewski, T. Le, A. Stingl, and A. F. Fercher, "Ultrahigh resolution Fourier domain optical coherence tomography"，Opt. Express 12(10)，2156-2165, 2004)。但是，硬件補償方法只能對特定樣 品層補償兩臂之間的色散不匹配，當樣品發(fā)生變化時，需要重新調(diào)整色散補償器件。而且硬 件補償方法往往只能補償?shù)碗A色散，使其對色散補償?shù)木葧艿较拗啤?br>[0005] 軟件補償方法通常是對采集到的干涉信號進行后處理實現(xiàn)色散補償。2004 年，MWojtkowski等人提出了 一種迭代自動色散補償算法（參見在先技術[3]， M. ffojtkowski, V. J. Srinivasan, T. H. Ko, J. G. Fujimoto, A. Kowalczyk, J. S. Duker, aUltr ahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherence tomography and methods for dispersion compensation"，Opt. Express 12 (11)，2404-2422, 2004)，使用 一個圖像銳利度評價函數(shù)，來確定色散補償量，通過對二階和三階色散系數(shù)的迭代，找到銳 利度的極大值。2012年，N. Lippok等人提出一種利用分數(shù)階傅里葉變換進行色散補償?shù)姆?法（參見在先技術[4]，N. Lippok, S. Coen, P. Nielsen, and F. Vanholsbeeck "Dispersion compensation in Fourier domain optical coherence tomography using the fractional Fourier transform"，Opt. Express 20 (21)，23398-23413, 2012)，通過找到點 擴散函數(shù)（PSF)的峰值來確定分數(shù)階傅里葉變換的階數(shù)，從而確定補償量，或者通過查找 某一 A-scan光譜的Randon變換的最大值來確定色散補償量。以上算法都是采用統(tǒng)一的 色散系數(shù)來補償整個深度范圍的色散失配，但是實際被測樣品，往往不是單一的層狀結(jié)構(gòu)， 特別是人眼視網(wǎng)膜層狀結(jié)構(gòu)達到十層，用統(tǒng)一的色散補償系數(shù)會使得某些層過補償或欠補 償。2007年，丁超等人提出了一種深度分辨的色散補償方法（參見在先技術[5]，中國專利 申請?zhí)?00710172096. X)，通過將頻域干涉信號變換到空域進行空域濾波，空域濾波的寬度 由某一截斷閾值決定，對不同窗口寬度內(nèi)的信號采用不同的色散補償量。此方法中窗口大 小的確定十分關鍵，窗口太寬會削弱深度分辨色散補償?shù)男Ч翱谔瓡沟脼V出的的 某一層干涉圖不全，導致重建該層信號的失真。這種方法使用一次閾值來確定窗口的大小， 這樣確定的窗口大小往往不是最佳的，尤其是當相鄰層由于色散展寬相互混疊時，相互混 疊的層會被劃分到同一個窗口內(nèi)采用相同的色散補償量，從而限制了該深度色散補償方法 的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了克服以上在先技術的不足，提供一種頻域光學相干層析成像 系統(tǒng)的色散補償方法，采用窗口迭代的方法由粗到細的自動補償系統(tǒng)中光路和樣品引入的 色散失配，避免了采用單一閾值確定的窗口寬度不合適時對深度分辨色散補償效果的影 響，可以獲得更佳的深度分辨的色散補償效果。
[0007] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0008] -種頻域光學相干層析成像系統(tǒng)的色散補償方法，該方法的具體步驟如下：
[0009] ①首先利用頻域光學相干層析成像系統(tǒng)對樣品的每一個待掃描點進行掃描，獲得 原始的頻域干涉信號；
[0010] ②對某一掃描點的原始的頻域干涉信號做逆傅里葉變換，取其幅值作為該點的層 析信號；
[0011] ③對所述的掃描點的層析信號，選取一級窗口及其寬度并采用加窗傅里葉變換， 得到每個一級窗口對應深度范圍的頻域干涉信號；
[0012] ④對某一窗口對應深度范圍的頻域干涉信號用相位擬合色散補償法得到該窗口 對應深度范圍的色散補償后的頻域干涉信號；
[0013] ⑤對該窗口對應深度范圍的色散補償后的頻域干涉信號做逆傅里葉變換得到該 窗口對應深度范圍的色散補償后的層析信號；
[0014] ⑥判斷該窗口對應深度范圍的色散補償后的層析信號是否包含多層結(jié)構(gòu)，如果 是，則將該窗口進一步劃分為多個次級窗口（對于一級窗口次級窗口為二級窗口，對于二 級窗口次級窗口為三級窗口，依次類推）進行加窗傅里葉變換，得到不同次級窗口對應深 度范圍的頻域干涉信號，進入步驟⑦；如果不是，則該窗口對應深度范圍的色散補償結(jié)束， 進入步驟⑨；
[0015] ⑦對不同次級窗口，重復④至⑥步，直到所有次級窗口內(nèi)只包含單層結(jié)構(gòu)；
[0016] ⑧對不同一級窗口對應深度范圍的層析信號重復④至⑦步；
[0017] ⑨判斷是否所有窗口對應深度范圍的色散補償結(jié)束，如果是，則將所有深度范圍 色散補償后的頻域干涉信號進行疊加，得到總的色散補償后的頻域干涉信號，進入步驟⑩； 否則，進入步驟④，對窗口對應深度范圍色散補償未結(jié)束的頻域干涉信號繼續(xù)進行補償。
[0018] ⑩對總的色散補償后的頻域干涉信號做逆傅里葉變換，取其幅值作為該點色散補 償后的層析信號；
[0019] @重復②至⑩對每一掃描點的原始的頻域干涉信號進行處理，得到該樣品的二 維或三維圖像。
[0020] 所述的某一深度范圍的頻域干涉信號的相位擬合色散補償方法是：
[0021] 采用最小二乘法對某一窗口對應深度范圍的頻域干涉信號I(k)的相位進行擬 合，得到二次相位項、三次相位項和四次相位項的系數(shù)，從而得到相位補償項為：
[0022] <})dispersion(k) =-a(k-k0)2-b(k-k0)3-c(k_k 0)4，
[0023] 其中，1?為光學相干層析成像系統(tǒng)中光源的中心波長對應的波數(shù)，a, b，c分別為 I (k)二次相位項、三次相位項和四次相位項的系數(shù)；計算得到該深度范圍色散補償后的頻 域干涉信號1。_00為：
[0024] Icomp (k) = I (k)exp[j <i> dispersion(k)]〇
[0025] 所述的加窗傅里葉變換的一級窗口寬度選取方法是：
[0026] 找到該點層析信號高于噪聲最大值的各極大值，以各極大值為中心向兩側(cè)擴展窗 口，直到兩側(cè)的信號強度等于噪聲的均值，此時的窗口寬度為該極大值處的一級窗口寬度。
[0027] 所述的對于某深度范圍內(nèi)包含多層結(jié)構(gòu)的層析信號的次級窗口寬度選取方法 是：
[0028] 先對本級窗口內(nèi)的信號進