陳 浩，彭世昌，王 玲,

(1.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省醫(yī)學(xué)信息與生物三維打印重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

0 引 言

光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)技術(shù)[1]以其高分辨率、無(wú)損非接觸以及實(shí)時(shí)三維成像的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像[2]、材料檢測(cè)[3]等領(lǐng)域。800 nm，1 060 nm長(zhǎng)穿透深度淺，長(zhǎng)波長(zhǎng)如1 310 nm，1 550 nm甚至1 700 nm的OCT成像系統(tǒng)應(yīng)用范圍更廣。構(gòu)建長(zhǎng)波長(zhǎng)的OCT系統(tǒng)，目前掃頻OCT技術(shù)是主流選擇。掃頻OCT系統(tǒng)中掃頻激光器輸出光的波數(shù)k的時(shí)間非線性，會(huì)導(dǎo)致直接采集干涉信號(hào)的傅里葉變換展寬[4-5]，從而影響系統(tǒng)的軸向分辨率和信噪比，因此掃頻OCT系統(tǒng)信號(hào)處理時(shí)實(shí)現(xiàn)等波數(shù)取樣至為關(guān)鍵[6-7]。Xi J.F.等[8]采用傅里葉域鎖模激光器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)等波數(shù)取樣，但是商用傅里葉域鎖模激光器十分昂貴。目前掃頻OCT系統(tǒng)多采用基于光柵/旋轉(zhuǎn)多面鏡的短腔掃頻激光器。Wu T.等[9]采用光譜相位的直接波數(shù)域樣條插值實(shí)現(xiàn)等波數(shù)取樣，但是在進(jìn)行三維實(shí)時(shí)成像時(shí)采集的數(shù)據(jù)量龐大，每條A-Scan信號(hào)進(jìn)行樣條插值所花費(fèi)的時(shí)間嚴(yán)重影響三維實(shí)時(shí)成像的效果。并且目前商用掃頻激光器基本內(nèi)置馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x產(chǎn)生K-clock信號(hào)以實(shí)現(xiàn)等波數(shù)取樣，導(dǎo)致樣條插值的方法不可用。短腔掃頻激光器各個(gè)鏡面的轉(zhuǎn)軸、面型誤差及鏡面機(jī)械旋轉(zhuǎn)抖動(dòng)等因素引起激光器輸出光譜信號(hào)的不穩(wěn)定[10]，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x產(chǎn)生的K-clock取樣并不十分理想，即k域的采樣仍然存在非線性。

本文提出一種k域相位數(shù)值補(bǔ)償方法用于掃頻OCT系統(tǒng)k空間采樣優(yōu)化，以鍍銀平面鏡為被測(cè)樣品，通過(guò)平均k域不同成像深度處的原始解纏相位與線性擬合相位的相位差得到補(bǔ)償數(shù)據(jù)進(jìn)行K-clock取樣不理想的補(bǔ)償。

1 掃頻OCT系統(tǒng)、相位獲取及數(shù)值補(bǔ)償方法

1.1 掃頻OCT系統(tǒng)

掃頻OCT系統(tǒng)如圖1所示。光源采用Santec公司的高速掃頻激光光源(型號(hào)HSL-20，中心波長(zhǎng)為1 310 nm，掃頻速率為50 kHz，平均輸出功率為46 mW，掃頻范圍為107 nm)。光源輸出光經(jīng)過(guò)一個(gè)90/10的耦合器(Thorlabs，TW1300R2A1)一分為二，其中分光比為10%的光路作為參考臂，分光比為90%的光路作為樣品臂。參考臂的光束經(jīng)過(guò)延時(shí)線反射回光后接入50/50耦合器(Thorlabs，TW1300R5A2)的一個(gè)端口，再輸入到平衡探測(cè)器的一個(gè)通道；樣品臂的光束由環(huán)形器(Thorlabs，CIR-1310-50-APC)端口1進(jìn)入，經(jīng)過(guò)端口2輸出到掃描探頭(準(zhǔn)直器、振鏡x、鍍銀平面鏡、振鏡y、掃描物鏡)，被樣品散射回光后經(jīng)過(guò)端口3接入50/50耦合器的另一個(gè)端口，再輸入到平衡探測(cè)器的另一個(gè)通道。平衡探測(cè)器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行共模擬制和差分放大后由采集卡(AlazarTech，ATS9350)采集存儲(chǔ)。采集卡的觸發(fā)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)由掃頻光源提供，通過(guò)函數(shù)發(fā)生卡的同步信號(hào)與振鏡控制信號(hào)同步，采集得到的干涉信號(hào)輸入到電腦進(jìn)行光譜整形、減去直流項(xiàng)、數(shù)值補(bǔ)償之后進(jìn)行FFT和圖像重建得到被測(cè)樣品的實(shí)時(shí)三維層析圖像。

圖1 掃頻OCT系統(tǒng)示意圖

1.2 相位獲取

理想情況下，當(dāng)參考臂與樣品臂的光程差d一定時(shí)，經(jīng)過(guò)K-clock取樣得到的干涉信號(hào)的解纏相位ф應(yīng)該與光源波數(shù)k嚴(yán)格線性相關(guān)，即

ф=2×d×k+φ0

(1)

式中，φ0為初始相位，實(shí)際情況總是存在一定的偏差。為了實(shí)際測(cè)試一定光程差下實(shí)際的干涉信號(hào)解纏相位，使用鍍銀平面鏡作為樣品，并且系統(tǒng)中各處的光纖均固定在光學(xué)平臺(tái)上，防止光纖變形引起參考臂與樣品臂光束偏振變化。調(diào)節(jié)延時(shí)線得到干涉信號(hào)，對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行光譜整形，去直流項(xiàng)處理后再進(jìn)行希爾伯特變換得到k域相位信息，通過(guò)相位解纏獲得原始解纏相位ф1。由于掃頻激光器內(nèi)置馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x產(chǎn)生K-clock取樣，導(dǎo)致波數(shù)域樣條插值方法不能使用。當(dāng)被測(cè)樣品為鍍銀平面鏡時(shí)，直接線性擬合解纏相位得到的結(jié)果即為k空間均勻采樣時(shí)理想相位ф。相位獲取流程圖如圖2所示。圖2中，(a)為經(jīng)過(guò)采集卡得到的原始干涉光譜，(b)為經(jīng)過(guò)漢寧窗整形并去除直流項(xiàng)后的干涉光譜，(c)為經(jīng)過(guò)希爾伯特變換之后解纏得到的原始解纏相位及線性擬合相位，C1，C2，C3分別為矩形框放大顯示。可以看出：原始解纏相位ф1與波數(shù)k基本成線性關(guān)系，但是與嚴(yán)格線性的擬合相位ф相比還存在偏差，主要是光柵/旋轉(zhuǎn)多面鏡型短腔掃頻激光器的不穩(wěn)定使得K-clock等波數(shù)取樣不理想導(dǎo)致的，偏差的存在會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)軸向分辨率與信噪比降低，必須進(jìn)行偏差的數(shù)值補(bǔ)償。

圖2 相位獲取過(guò)程

1.3 數(shù)值補(bǔ)償及結(jié)果

3.24 mm光程差處得到的干涉信號(hào)的原始解纏相位與線性擬合相位的相位差dф1與光源波數(shù)k的關(guān)系如圖3(a)所示，圖中曲線I為相位差dф1?？梢钥闯觯涸趻哳l波數(shù)的起始和截止附近，原始解纏相位與理想相位差別較大。

由于該相位偏差導(dǎo)致干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)光譜整形、去直流項(xiàng)以及快速傅里葉轉(zhuǎn)換(Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT)之后得到的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function，PSF)出現(xiàn)展寬，導(dǎo)致系統(tǒng)的軸向分辨率與信噪比降低，相位差隨波數(shù)和強(qiáng)度隨穿透深度的變化關(guān)系如圖3(b)所示。圖3(b)中，曲線I為原始解纏相位的干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT之后得到的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，其軸向分辨率為22.18 μm，信噪比為60.35 dB，明顯差于經(jīng)過(guò)線性擬合相位的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(圖中曲線III)的軸向分辨率11.88 μm，信噪比67.25 dB。經(jīng)過(guò)線性擬合的信噪比增大率為11.4%。但是在進(jìn)行實(shí)物樣品測(cè)試時(shí)，光線對(duì)于樣品有一定的穿透深度，各個(gè)深度處的解纏相位無(wú)法與平面鏡一樣實(shí)現(xiàn)線性擬合，因此提出一種數(shù)值補(bǔ)償方法進(jìn)行整體補(bǔ)償。

圖3 相位差與波數(shù)、強(qiáng)度與穿透深度的關(guān)系曲線

在獲取數(shù)值補(bǔ)償數(shù)據(jù)時(shí)，使用鍍銀平面鏡作為被測(cè)樣品，調(diào)節(jié)延時(shí)線使光程差位置為0.50 mm，1.48 mm，2.38 mm，3.24 mm，4.13 mm，5.02 mm采集6組數(shù)據(jù)，提取6組數(shù)據(jù)的原始解纏相位與線性擬合相位的相位差dф(zi)，將6組相位差數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到數(shù)值補(bǔ)償數(shù)據(jù)dфcom如圖4(a)所示。

使用數(shù)值補(bǔ)償數(shù)據(jù)對(duì)圖3(a)光程差位置進(jìn)行數(shù)值補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)玫降南辔粸椋?/p>

ф2=ф1-dфcom

(2)

式中，ф1為原始解纏相位，與線性擬合相位的相位差(圖3(a)中曲線II)相比于dф1(圖3(a)中曲線I)更接近0，說(shuō)明經(jīng)過(guò)數(shù)值補(bǔ)償之后的干涉信號(hào)更接近等波數(shù)取樣的理想狀態(tài)。因此補(bǔ)償之后的信號(hào)進(jìn)行FFT得到的PSF如圖3(b)中曲線II相比于原始解纏相位的PSF有明顯優(yōu)化。補(bǔ)償之后軸向分辨率由22.18 μm優(yōu)化到12.67 μm，與線性擬合的11.88 μm相差無(wú)幾，并且信噪比由60.35 dB增大到63.79 dB，略差于線性擬合的67.25 dB，信噪比增大率為5.7%。

使用數(shù)值補(bǔ)償數(shù)據(jù)對(duì)上述6組不同光程差處的干涉信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫絻?yōu)化的軸向分辨率如圖4(b)所示。原始解纏相位的軸向分辨率(圖中曲線I)在2.5 mm深度范圍穩(wěn)定在12.67 μm，隨后急劇惡化在4.13 mm位置，最差為47.77 μm，說(shuō)明隨著成像深度加深原始解纏相位越來(lái)越偏離線性擬合相位。圖4(b)中曲線III為線性擬合相位的軸向分辨率分布，在整個(gè)成像深度范圍穩(wěn)定在11.09～11.88 μm之間。經(jīng)過(guò)數(shù)值補(bǔ)償之后的軸向分辨率(圖中曲線II)穩(wěn)定在12.67～16.63 μm之間，由于數(shù)值補(bǔ)償數(shù)據(jù)的平均性使得0.5 mm深度位置的軸向分辨率有所犧牲為15.84 μm，略差于原始解纏相位的12.67 μm。

經(jīng)過(guò)數(shù)值補(bǔ)償之后的信噪比增大率如圖4(c)所示，數(shù)值補(bǔ)償隨著成像深度增加而逐漸增大，在4.13 mm位置達(dá)到最大7.4%，0.5 mm位置出現(xiàn)2.1%的負(fù)增長(zhǎng)與軸向分辨率的犧牲一致。圖4(c)中曲線III為線性擬合的信噪比增大率明顯優(yōu)于數(shù)值補(bǔ)償，由此也說(shuō)明實(shí)現(xiàn)等波數(shù)取樣的重要性。

圖4 補(bǔ)償相位隨波數(shù)、軸向分辨率和信噪比增大率隨深度的變化關(guān)系

2 利用數(shù)值補(bǔ)償數(shù)據(jù)進(jìn)行OCT實(shí)物成像

接下來(lái)利用該方法進(jìn)行蓋玻片堆、3D打印支架等的成像測(cè)試。使用搭建的掃頻OCT系統(tǒng)進(jìn)行5層蓋玻片的成像測(cè)試，每層蓋玻片厚度0.18 mm，掃描范圍10 mm。原始干涉數(shù)據(jù)為1 536×1 024像素，經(jīng)過(guò)FFT之后插值得到圖像尺寸為1 024×1 024像素。結(jié)果如圖5所示，圖5(a)和圖5(b)兩者灰度分布一致，圖I和圖II分別為矩形框a1與b1的放大顯示。經(jīng)過(guò)數(shù)值補(bǔ)償之后每層蓋玻片的分界面都比未補(bǔ)償?shù)囊?xì)銳，也更清晰，這是軸向分辨率、信噪比優(yōu)化的效果。圖5(b)中，矩形框b2中為第1層蓋玻片下表面與第2層蓋玻片上表面的分界處，364像素位置，成像深度2.13 mm，經(jīng)過(guò)數(shù)值補(bǔ)償之后第1層蓋玻片下表面與第2層蓋玻片上表面圖像明顯細(xì)銳清晰，相比于矩形框a2中未補(bǔ)償?shù)哪：磺逵忻黠@的優(yōu)化效果，這是由于數(shù)值補(bǔ)償之后信噪比增大使得圖像對(duì)比度增強(qiáng)，與圖4(c)中結(jié)果一致；數(shù)值補(bǔ)償與未補(bǔ)償?shù)膱D像均能明顯看見(jiàn)兩片蓋玻片之間的縫隙，這說(shuō)明在該位置的軸向分辨率相差不大，與圖4(b)中結(jié)果一致。隨著成像深度增大如圖(b)中矩形框b3，570像素位置，成像深度3.34 mm，數(shù)值補(bǔ)償圖像的最底層蓋玻片與平臺(tái)仍然可見(jiàn)明顯清晰的分界面，這是軸向分辨率優(yōu)化的結(jié)果，并且模糊膨脹的現(xiàn)象也比未補(bǔ)償?shù)膱D像好很多，這是信噪比優(yōu)化的結(jié)果。總之，軸向分辨率及信噪比的優(yōu)化共同優(yōu)化了OCT系統(tǒng)的成像效果。

圖5 未補(bǔ)償和數(shù)值補(bǔ)償?shù)?層蓋玻片OCT圖像

使用搭建的OCT系統(tǒng)進(jìn)行3D打印支架的成像測(cè)試，支架由杭州捷諾飛生物科技股份有限公司提供，支架尺寸10 mm×10 mm×3 mm，掃描范圍10 mm。結(jié)果如圖6所示，兩者灰度分布一致，在800像素深度附近即圖中橢圓框a1和b1處，進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果比未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果明顯細(xì)銳，由此可見(jiàn)數(shù)值補(bǔ)償對(duì)軸向分辨率的優(yōu)化效果。由于3D打印支架在深度方向沒(méi)有更多的細(xì)節(jié)，相比于5層蓋玻片的優(yōu)化效果，數(shù)值補(bǔ)償算法的優(yōu)化效果不明顯。

圖6 未補(bǔ)償和數(shù)值補(bǔ)償?shù)?D打印支架OCT圖像

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)掃頻激光器K-clock取樣的不理想，提出一種k域相位數(shù)值補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)了掃頻OCT系統(tǒng)軸向分辨率與信噪比的優(yōu)化，有效提高了系統(tǒng)的成像分辨率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本文中數(shù)值補(bǔ)償方法還存在一些不足，如何得到更加理想的數(shù)值補(bǔ)償數(shù)據(jù)是下一步研究的重點(diǎn)。