劉少杰, 吳泳波,2,3, 唐志列,2,3*

(1.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006； 2.廣東省量子調(diào)控工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006； 3.廣東省光電檢測(cè)儀器工程技術(shù)研究中心，廣州 510006)

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利用相位差分技術(shù)改善光學(xué)相干層析圖像質(zhì)量

劉少杰1, 吳泳波1,2,3, 唐志列1,2,3*

(1.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006； 2.廣東省量子調(diào)控工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006； 3.廣東省光電檢測(cè)儀器工程技術(shù)研究中心，廣州 510006)

摘要：針對(duì)光學(xué)相干層析成像(OCT)信號(hào)中的各種噪聲項(xiàng)的干擾和微弱散射信號(hào)提取的困難，提出基于相位差分的光學(xué)相干層析成像(PD-OCT). 首先利用相干參考臂中的納米微調(diào)平臺(tái)作為相位調(diào)制器獲得相位調(diào)制參考光，然后光結(jié)合振鏡掃描技術(shù)和CCD光譜采集的光譜相干層析技術(shù)(SDOCT)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)相干層析的相位差分成像.結(jié)果表明：相位差分技術(shù)可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)“青鳉魚”樣品光學(xué)相干層析中的相位差分成像，弱散射信號(hào)增強(qiáng)3.37 dB,信噪比(SNR)增強(qiáng)5.8 dB，獲得成像物體高信噪比的弱散射信號(hào).

關(guān)鍵詞：光學(xué)層析成像； 相位差分技術(shù)； 信噪比; 圖像質(zhì)量改善

頻域光學(xué)相干層析成像SD-OCT高速、高空間分辨率的成像模式在細(xì)胞、組織成像領(lǐng)域中發(fā)揮非常重要的作用[1-3].OCT利用樣品組織的后向散射光進(jìn)行相干斷層成像，由于系統(tǒng)中各種噪聲的存在，造成圖像失真，對(duì)比度及清晰度變差，必要采取降噪措施，應(yīng)用降噪硬件法諸如空域合成法和頻率合成法等技術(shù)[4-6]，數(shù)字信號(hào)處理方法諸如中值濾波[7]、自適應(yīng)維納濾波[8]、各向異性擴(kuò)散、小波閾值濾波算法[9]等. 這些硬件及算法降噪方法在某些特定的噪聲或樣品中效果明顯，但是對(duì)于低后向散射系數(shù)的高透明度組織或需要精確測(cè)量樣品較大深度處的散射系數(shù)，由于后向散射回光微弱，無(wú)法在圖像信號(hào)處理時(shí)將信號(hào)從模式噪聲和自相干噪聲等噪聲中有效地提取[10-11].

本文利用多普勒頻移的參考光相位調(diào)制技術(shù)[12]和平衡差分原理的相位差分光學(xué)相干層析成像[13]，提高圖像的信噪比，提取弱散射信號(hào).該成像技術(shù)利用相位調(diào)制中光譜相位變化，在相同的樣品后向散射系數(shù)和相同探測(cè)光強(qiáng)的情況下，相位差分理論上的信號(hào)強(qiáng)度相比單端輸出提高了2倍，還能夠有效抑制信號(hào)中的直流噪聲、自相干噪聲以及模式噪聲，是一種能獲得組織樣品弱散射信號(hào)增強(qiáng)的新方法.

1光學(xué)相干層析相位差分原理

多相位光學(xué)相干層析系統(tǒng)(圖1)由低相干光源(超發(fā)光二級(jí)管)、分光鏡、可調(diào)制參考臂、樣品臂和光譜采集組成.

圖1　多相位光學(xué)相干層析成像原理

Figure 1Schematic diagram of multi-phase optical coherence tomography

僅考慮樣品的1個(gè)弱散射粒子在理想情況的相干光譜I(k)，可以表示為：

(1)

式中，S(k)為光源光譜；ER為參考臂回光振幅；AS為該弱散射粒子的后向散射光振幅；φ0為參考臂初始相位.第1項(xiàng)為直流項(xiàng)，第2項(xiàng)為干涉項(xiàng).

不同相位的光譜I1和I2可表示為：

(2)

(3)

相位差分光譜ΔI可表示為：ΔI(k)=I1(k)-I2(k)=S(k)(4ERAScos(2knz)).

(4)

多相位相干層析中的噪聲分為3部分：光源光譜的直流項(xiàng)、樣品不同層面回光引起的自相干項(xiàng)、CCD各像素點(diǎn)感光強(qiáng)度微小差別帶來(lái)的模式噪聲.由式(4)可知，相位差分消除干涉光譜的直流噪聲，同時(shí)使干涉項(xiàng)強(qiáng)度變?yōu)?倍；由各個(gè)像素點(diǎn)的差別引起CCD模式噪聲，是k空間固定噪聲中的高頻成份；樣品的自相干噪聲對(duì)某些樣品(如蓋玻片等)影響很大.相位差分信號(hào)通過(guò)2路對(duì)稱信號(hào)相減得到，這2路信號(hào)都帶有相同的模式噪聲和樣品自相干噪聲，因此差分運(yùn)算對(duì)樣品自相干噪聲和模式噪聲具有抑制作用[12].

因此，要實(shí)現(xiàn)相位差分成像，必須同時(shí)滿足下列2個(gè)條件：(1)差分輸入的2個(gè)信號(hào)必須滿足僅改變?chǔ)?而其他參數(shù)不變；(2)信號(hào)采集必須與相位調(diào)制嚴(yán)格同步，以確保單次采集中Δφ不變[13]1911.另外，當(dāng)Δφ為π時(shí)差分信號(hào)干涉條紋襯比度最好. 為了實(shí)現(xiàn)相位差為π的2路光譜的差分，利用納米位移平臺(tái)的相位調(diào)制技術(shù)和觸發(fā)采集控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了參考光的相位調(diào)制，獲得2路相位差為π的相干光譜.

如圖2所示，系統(tǒng)的工作時(shí)序圖從上至下的5個(gè)信號(hào)分別為振鏡x方向掃描電壓、振鏡y方向掃描電壓、相位調(diào)制器前向運(yùn)動(dòng)、相位調(diào)制器后向運(yùn)動(dòng)、圖像采集卡工作觸發(fā)信號(hào).為了實(shí)現(xiàn)參考光相位調(diào)制及圖像質(zhì)量，需要確保圖像采集過(guò)程中相位的穩(wěn)定性，以避免在同一幅圖像中不同A-scan位置信號(hào)對(duì)比度不同，要求微位移精度高于15 nm；改變微位移量直至觀察到單一反射鏡樣品的反相信號(hào)，以確保相位移動(dòng)量為π.

① x方向掃描； ② y方向掃描；③、④相位移動(dòng)； ⑤數(shù)據(jù)采集

圖3A是相位差為π的2條相干光譜I1和I2；圖3B是2條光譜的差分信號(hào)；圖3C和圖3D分別是傳統(tǒng)的和相位差分后的相干層析信號(hào).相干光譜受相位調(diào)制器調(diào)制后，產(chǎn)生了π的相位移動(dòng)，與其他相位調(diào)制方法得到的光譜一樣[14-15]，光譜頻率不變，僅相位不同，當(dāng)做相位差分后，光譜信號(hào)峰的峰值(圖3B與圖3A相比)增強(qiáng)了約1倍，圖3C和圖3D中的相干信號(hào)強(qiáng)度從2.7增強(qiáng)到5.1，增強(qiáng)了散射樣品的干涉信號(hào).原光源光譜的直流項(xiàng)非常明顯，相位差分后該直流分量已經(jīng)完全消除.

2實(shí)驗(yàn)部分

根據(jù)組織散射吸收理論，本實(shí)驗(yàn)使用Denselight公司的DL-BX9-CS3307A型號(hào)寬帶光源，中心波長(zhǎng)1 322 nm，帶寬85 nm，輸出功率10 mW.光譜采集選擇SU1024-LDp型號(hào)線陣CCD，其最高線速度91 kHz、像素尺寸25 μm、1 024像素、線性響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍950～1 650 nm.選用Wasatch Photonics公司的1004-2型分光光柵，線密度為1 145 線/mm.數(shù)據(jù)采集卡是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument)的PCI-6713 DAQ型同步數(shù)據(jù)采集卡，采用Thorlabs

圖3相位差分信號(hào)分析圖

Figure 3Phase-differential signal analysis

公司的GVS002-2D型號(hào)高速掃描振鏡.采用PI公司M-110.1DG納米位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制功能.

本裝置采用光纖干涉(圖4)，寬帶光經(jīng)過(guò)光纖耦合器分為2束，參考臂準(zhǔn)直聚焦經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器回光，樣品臂準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)高速二維掃描振鏡進(jìn)行光束二維掃描，由膠合平凸透鏡聚焦到樣品中，回光攜帶樣品后向散射系數(shù)的深度分布信息，2束光返回光纖耦合器發(fā)生干涉，進(jìn)入由擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組、透射式光柵、聚焦透鏡和線陣CCD組成的光譜采集系統(tǒng).利用同步數(shù)據(jù)采集卡確保掃描振鏡、相位調(diào)制器

圖4　多相位光學(xué)相干層析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Figure 4Structure of phase differential optical coherence tomography system

和線陣CCD圖像采集卡三者的同步性，采集得到同一樣品縱切面位置2幅相位差為π的光譜，進(jìn)而得到差分光譜，通過(guò)計(jì)算機(jī)算法重建出樣品相位差分的散射系數(shù)三維空間分布圖像.

3結(jié)果與討論

采用的物鏡為焦距50 mm的雙膠合平凸透鏡，以青鳉魚(Oryziasminutillus)在體魚眼作為成像樣品，寬帶紅外光源輸出功率為10 mW，到達(dá)樣品處的功率小于3 mW，不會(huì)對(duì)生物樣品造成損傷，CCD的工作采樣率為30 000線/s，像素曝光時(shí)間為16.7 μs，完成1幅100×1 000×1 024像素的雙相位光譜相干層析成像的掃描時(shí)間只需3.3 s.對(duì)樣品進(jìn)行雙相位光譜采集，圖像重建過(guò)程中，取單相位光譜和雙相位差分光譜分別進(jìn)行傅里葉變換得到光學(xué)相干層析成像(圖5).

圖5A、C表明，a處為OCT的直流噪聲，利用減參考光的方法難以完全消除，而相位差分技術(shù)可以較好地消除該噪聲；c和d處為青鳉魚眼的晶狀體等結(jié)構(gòu)，是樣品中后向散射較弱的區(qū)域，利用相位差分技術(shù)能較好地提??；e處周圍的帶狀亮線是固定不變的模式噪聲，在圖5C中被很好地消除.因此相位差分技術(shù)有利于弱信號(hào)的提取和噪聲的抑制.在樣品中同一縱剖線的A-scan方向信號(hào)(圖5B、D)對(duì)比可知，原本信號(hào)強(qiáng)度與背景噪聲相當(dāng)?shù)腸處信號(hào)強(qiáng)度為3.21，經(jīng)過(guò)相位差分處理， c處信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)為4.33，由于信號(hào)強(qiáng)度經(jīng)過(guò)以2為底的對(duì)數(shù)函數(shù)處理壓縮動(dòng)態(tài)范圍，該處的信號(hào)強(qiáng)度經(jīng)過(guò)相位差分增強(qiáng)3.37 dB.同時(shí)噪聲信號(hào)也被抑制，在c處，普通OCT成像的信噪比為4.5 dB，雙相位差分OCT成像信噪比為10.3 dB，信噪比增強(qiáng)了5.8 dB.

因此，利用參考光相位調(diào)制技術(shù)和光學(xué)層析成像技術(shù)相結(jié)合，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)光學(xué)相干層析成像的相位差分成像，突出了樣品中原本混雜在噪聲中幾乎不可分辨的弱散射信號(hào)(圖6).同時(shí)消除了直流噪聲，效果好于之前常用的消除直流分量的方法(減參考光法和減平均光譜法).另外，對(duì)于來(lái)自樣品光的噪聲和來(lái)自系統(tǒng)本身的噪聲，例如樣品光自相干噪聲和CCD模式噪聲等，有很好的抑制作用，提高了成像質(zhì)量.

圖5　魚眼光學(xué)相干層析成像(橫截面)

圖6　魚眼雙相位成像3D重建

4結(jié)論

采用納米位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相干光譜的相位調(diào)制技術(shù)，結(jié)合光學(xué)層析成像技術(shù)和相位調(diào)制技術(shù)獲得2幀相位差為π的相干光譜，然后利用相干光譜的差分計(jì)算和重建實(shí)現(xiàn)相位差分光學(xué)相干層析成像.這種相位差分技術(shù)有利于光學(xué)相干層析降低自相干、模式噪聲和直流噪聲、增強(qiáng)散射信號(hào)，弱散射信號(hào)增強(qiáng)3.37 dB，圖像信噪比改善5.8 dB，從而實(shí)現(xiàn)弱散射樣品的相干層析成像.

參考文獻(xiàn)：

[2]ROBERTSON C, HEIDARI A E, CHEN Z, et al. Mechanical analysis of arterial plaques in native geometry with OCT wall motion analysis[J]. Journal of Biomechanics, 2013, 47(3):755-758.

[3]HABARA M, NASU K, TERASHIMA M, et al. Impact on optical coherence tomographic coronary findings of fluvastatin alone versus fluvastatin ezetimibe[J]. American Journal of Cardiology, 2014, 113(4):580-587.

[4]SCHMITT J M. Array detection for speckle reduction in optical coherence microscopy[J]. Physics in Medicine and Biology, 1997, 42(7): 1427-1439.

[5]XIANG S H, ZHOU L, SCHMITT J M. Speckle noise reduction for optical coherence tomography[C]∥International Society for Optics and Photonics (BiOS Europe’ 97). London,UK.1998: 79-88.

[6]SCHMITT J M, XIANG S H, YUNG K M. Speckle in optical coherence tomography[J]. Journal of Biomedical Optics, 1999, 4(1): 95-105.

[7]MARKS D L, RALSTON T S, BOPPART S A. Speckle reduction by I-divergence regularization in optical coherence tomography[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2005, 22(11): 2366-2371.

[8]OZCAN A, BILENCA A, DESJARDINS A E, et al. Speckle reduction in optical coherence tomography images using digital filtering[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2007, 24(7): 1901-1910.

[9]MAYER M A, BORSDORF A, WAGNER M, et al. Wavelet denoising of multiframe optical coherence tomography data[J]. Biomedical Optics Express, 2012, 3(3): 572-589.

[10]鮑文, 丁志華, 王川，等. 基于相位敏感譜域光學(xué)相干層析術(shù)的潛指紋獲取方法[J]. 物理學(xué)報(bào), 2013,62(11):114202.

BAO W，DING Z H，WANG C，et al. Phase sensitive spectral domain optical coherence tomography for latent fingerprint detection[J].Chinese Physics Letters, 2013,62(11):114202.

[11]蘇亞, 孟卓, 王龍志,等. 光學(xué)相干層析無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)中相關(guān)性分析及標(biāo)定[J]. 中國(guó)激光, 2014, 41(7):133-138.

SU Y, MENG Z, WANG L Z, et al. Correlation analysis and calibration of noninvasive blood glucose monitoring in vivo with optical coherence tomography[J]. Chinese Laser, 2014, 41(7):133-138.

[12]GONG Q, WANG R K, MA Z H, et al. Image processing in spectral domain optical coherence tomography with phase shifting interferometry[J]. Nanotechnology & Precision Engineering, 2009, 7(2):168-172.

[13]MA Z H, ZHANG F, YAO J Q. Spectral optical coherence tomography using two-phase shifting method[J]. Chinese Physics Letters, 2005, 22(8):1909-1912.

[14]壽倩,張翔.干涉條紋抖動(dòng)誤差的消除方法探討[J].華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(3):71-73.

SHOU Q, ZHANG X. Study on the measuring error deletion of the optical phase shift resulting from the dithering of the interference fringes[J]. Journal of South China Normal University(Natural Science Edition), 2011(3):71-73.

[15]黃妙娜, 黃佐華. 相位物體相位測(cè)量系統(tǒng)[J]. 華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010(1):42-46.

HUANG M N, HUANG Z H. The system for phase measurement of phase object[J]. Journal of South China Normal University(Natural Science Edition), 2010(1):42-46.

【中文責(zé)編：譚春林英文責(zé)編：肖菁】

Using Phase-Differential Technology to Improve the Imaging Quality of Optical Coherence Tomography

LIU Shaojie1, WU Yongbo1,2,3, TANG Zhilie1,2,3*

(1.School of Physics and Telecom Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials, South China Normal University, Guangzhou 510006, China;3.Guangdong Provincial Engineering Research Center for Optoelectronic Instrument, South China Normal University, Guangzhou 510006，China)

Abstract：To decrease the noise and to enhance the weak scattering signal, phase-differential optical coherence tomography (PD-OCT) for obtaining high signal to noise ratio (SNR) optical coherence tomography (OCT) is presented. A nano displacement platform in reference arm is designed to achieve the different phase of reference light. Combining with spectral domain optical coherence tomography technology, the phase-differential optical coherence tomography is obtained. Through experiments, vivo biological sample Oryzias minutillus is measured on this system. The results show that PD-OCT can decrease noise and improve weak scattering signal in SDOCT. The weak scattering signal enhancement is 3.37 dB. The SNR enhancement is 5.8 dB.

Key words：optical coherence tomography; phase-differential technology; signal to noise ratio; image quality improvement

中圖分類號(hào)：Q631

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-5463(2016)01-0019-05

*通訊作者:唐志列，教授，Email：tangzhl@scnu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61178086)；廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(S2013020012810)；華南師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015lkxm36)

收稿日期：2015-06-10《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n