【正文】 助醫(yī)生診斷疾病的重要工具之一，其最終的圖像質(zhì)量將真正決定該技術(shù)的實用價值。由于生物組織本身的特點以及OCT技術(shù)內(nèi)在的一些特點，使得OCT圖像存在噪聲等影響成像質(zhì)量的問題。提高OCT成像質(zhì)量可以分為兩個主要工作：一是對成像系統(tǒng)設(shè)備的改進，比如采用寬帶光源、高信噪比的光電探測設(shè)備以及線性掃描裝置等；其次是成像后對數(shù)字信號或數(shù)字圖像的后續(xù)處理。但是，從硬件考慮的話，在一定程度上會增加整個系統(tǒng)的成本，而且也不能達到最優(yōu)效果。在實際光學(xué)相干層析系統(tǒng)中，光源、光電檢測電路、掃描振鏡等硬件會不可避免帶來噪聲，高散射生物組織本身的吸收和散射使得OCT圖像中主要存在散斑等噪聲以及圖像對比度下降，因此改善圖像質(zhì)量，提高OCT圖像可讀性，即用圖像處理方法對圖像進行預(yù)處理成為OCT技術(shù)研究的一個重要方向。OCT圖像的去噪一直是OCT技術(shù)圖像處理的主要研究內(nèi)容。1997年S. H. Xiang報道了專門針對OCT圖像中的散斑去除的非線性小波軟閾值方法[9]，之后圖像處理方法被廣泛用于噪聲的去除，其中主要是設(shè)計各種濾波器，包括在時域中的濾波器和變換域中的濾波器，有均值濾波器、中值濾波器、低通濾波器、維納濾波器等。由于噪聲的類型不同，這些方法不能消除所有噪聲的干擾，盡管在一定程度上提高了圖像質(zhì)量，但還是有一定的局限性。OCT圖像中主要存在的散斑等噪聲，這些方法去噪去噪效果均不太理想。由于小波域自身的優(yōu)點而在OCT圖像處理中用的最多。與傳統(tǒng)的去噪方法相比，它利用的是非線性域值，在時間域和頻率域同時具有良好的局部化性質(zhì)，而且時窗和頻窗的大小可以調(diào)節(jié)，對高頻成分采用逐漸精細的時域和空域取樣步長，從而可以聚焦到對象的任意細節(jié)。因此可以提高對散斑高散射特性的噪聲對比度，很好的消除散斑噪聲。雙樹復(fù)小波變換在保留了復(fù)小波其它諸多優(yōu)點的同時，保證了完全重構(gòu)性。雙樹復(fù)小波變換具有移不變性、多維度取向、更小的冗余度，可在各子帶中保留圖像中局部主方向的有用信息而濾除其它方向的噪聲，是一種高效的圖像噪聲處理算法，相信在今后幾年會得到廣泛的應(yīng)用。 本文的主要工作OCT技術(shù)因為其對生物組織無損傷、具有高分辨率、高探測靈敏度等優(yōu)點，在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域，尤其是對生物組織活體檢測具有誘人的應(yīng)用前景。但是，在OCT系統(tǒng)中，光源、光學(xué)掃描振鏡等都會帶來噪聲；信號在實際采集、獲取以及傳輸?shù)倪^程中，也會受到噪聲的污染，影響了圖像的視覺觀察。由于圖像中存在噪聲干擾，圖像變得不清晰，破壞了圖像的邊緣特征，甚至使圖像面目全非，給醫(yī)學(xué)診斷帶來了難度。因此，必須對含噪圖像進行預(yù)處理，濾除圖像中的噪聲，保護圖像的有效信息，改善圖像質(zhì)量。本論文在已經(jīng)建立的OCT實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對樣品進行相干層析成像，并通過軟件進行去噪。論文解決的主要問題是：從OCT基本原理和實際實驗過程出發(fā)，分析影響圖像質(zhì)量的因素，主要是圖像中可能存在的各種噪聲，通過分析噪聲產(chǎn)生的原因和特征，給出去除噪聲的算法，并通過實驗取得對圖像去噪、平滑等最佳處理效果。論文的主要內(nèi)容如下：一、緒論。主要是回顧OCT技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，介紹了OCT圖像處理現(xiàn)有的一些方法，闡述了OCT圖像處理的研究意義，并對本論文的主要內(nèi)容和安排做了介紹。二、光學(xué)相干層析技術(shù)。闡述了OCT系統(tǒng)的基本原理和外差探測技術(shù)，并對系統(tǒng)所用的光源進行了詳細分析，最后介紹了OCT系統(tǒng)的性能評價參數(shù)。三、OCT圖像去噪處理。分析了OCT系統(tǒng)中存在的各種噪聲源及產(chǎn)生的原因，并討論常用的去除噪聲的方法，最后研究了在小波域中去除噪聲的方法，進行了相關(guān)實際圖像去噪實驗，取得對比結(jié)果。四、總結(jié)?？偨Y(jié)了本文所做的主要工作。2. 光學(xué)相干層析技術(shù) OCT技術(shù)的基本原理OCT技術(shù)是在光學(xué)低相干領(lǐng)域反射測量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在低相干光的技術(shù)中，從樣品反射回來的光的相干特性提供了因為樣品中的反射和散射結(jié)構(gòu)的存在而導(dǎo)致的時間延遲信息。這個延遲信息可以用來定位內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向位置。OCT系統(tǒng)通過一系列的橫向定位來實現(xiàn)多個縱向掃描，從而提供樣品反射結(jié)構(gòu)的二維分布圖，： OCT系統(tǒng)的工作原理圖標(biāo)準(zhǔn)時域OCT系統(tǒng)的核心是邁克爾遜干涉儀。在低相干光干涉測量中，寬帶光被分開沿著兩個方向傳輸，一束射往樣品，另一束則射在參考光臂反射鏡上，參考鏡的位置為已知。參考鏡的反射光（參照光）和從樣品各層面反射回來的光（信號光）脈沖序列在光電探測器上會合。當(dāng)參考光脈沖和信號光脈沖序列中的某一個脈沖同時到達探測器表面，則會產(chǎn)生光學(xué)干涉現(xiàn)象。調(diào)節(jié)移動參考鏡，使參考光分別與樣品不同結(jié)構(gòu)處反射回來的信號光產(chǎn)生干涉，同時分別記錄下相應(yīng)的參考鏡的空間位置，這些位置便反映了樣品內(nèi)不同結(jié)構(gòu)處的空間位置。上述過程，得到了樣品深度方向（Z軸）的一維測量數(shù)據(jù)，再掃描測量平行于樣品表面（XY方向）的數(shù)據(jù)，將得到的信號經(jīng)計算機處理，便可得到樣品的立體層析圖像。時域OCT一般通過移動參考鏡來實現(xiàn)光學(xué)延遲。與時域OCT相比，近幾年發(fā)展的頻域OCT中，直接測量的是干涉信號的光譜，它只需橫向掃描，而相對耗時的縱向掃描則由光譜測量所取代。根據(jù)衍射層析成像（Diffraction tomography）的相關(guān)理論，介質(zhì)內(nèi)散射勢與被接收到的散射場信號之間存在傅里葉變換關(guān)系，即 ()式中為散射勢能，為由樣品內(nèi)返回的背向散射場的光譜。由于干涉圖樣和光譜強度之間互為傅里葉正逆變換，在光譜儀的輸出端，將光譜強度進行傅里葉逆變換就可以得到與通過低相干干涉測量法得到的相同信號。因此，樣品不同深度的信息通過對所測光譜的傅里葉逆變換便可得到[10]。 外差探測技術(shù)由于生物組織散射的信號非常微弱，只有入射光的1010~1013[11]，OCT系統(tǒng)一般采用光學(xué)外差探測方法獲取信號。對于高分辨率系統(tǒng)來說，還要對干涉信號的細節(jié)進行檢測，這對探測系統(tǒng)的靈敏度提出更苛刻的要求。由相干光強公式可知，光強I1和I2為定值，沒有攜帶樣品的信息，而干涉項攜帶了樣品的信息。因此，最好直接探測干涉項，引入外差探測技術(shù)就可實現(xiàn)這一點并大大提高系統(tǒng)的探測靈敏度。外差探測技術(shù)利用多普勒效應(yīng)或相位調(diào)制技術(shù)，在參考光和樣品光之間引入高頻位相調(diào)制，以實現(xiàn)干涉信號的載頻。令入射到探測器上的信號光為Es，參考光為Er, () ()那么到探測器光敏單元上兩束光疊加時的總輻射場[12]： ()根據(jù)探測器的平方律特性，探測器的響應(yīng)（電壓或電流）與入射輻射場振幅的平方成正比，()在上式中K為探測器的光電靈敏度，混頻后的光電信號包含有直流分量、差頻分量、和頻分量和倍頻分量。其中倍頻分量與和頻分量的振動周期遠小于光電探測器的響應(yīng)時間，因此無法被接收到，從而可以忽略。對于差頻分量，只有該項的頻率差小于光電探測器的截止響應(yīng)頻率時，探測器則有相應(yīng)的交流信號輸出。此時的探測器的輸出信號為： ()根據(jù)光頻差的獲得和差頻信號檢測方式的不同，差頻檢測大致分為三種類型：參量調(diào)頻法、固定頻移法和直接調(diào)頻法。OCT系統(tǒng)采用的就是固定頻移法（光學(xué)超外差法）外差檢測方式。它是利用縱向掃描在參考光和信號光之間引入頻率差，形成中頻光拍信號而被探測器所響應(yīng)。而樣品臂各深度的反射光信號與參考光相干形成的干涉信號，被調(diào)制到這個中頻載波信號上，通過調(diào)解恢復(fù)原始的干涉信號強度，因而得到生物組織縱深各點掃描的輪廓。采用外差探測，探測的是干涉信號，其光強幅度 ()式中Ps和Pr分別表示信號光和參考光的功率，對于直接探測方式，系統(tǒng)探測的信號為。它們的信號轉(zhuǎn)換功率增益為 () 通常情況下，G可高達。因此外差探測與直接探測相比有更高的探測靈敏度。同時，系統(tǒng)中的干涉信號是頻率為調(diào)頻差的交流信號，能夠有效的放大信號，進一步提高信噪比；在光外差探測法中，光探測器差頻輸出的振幅、頻率、相位都隨信號光的振幅、頻率、相位而變化，光學(xué)外差探測法可獲得光信號更加豐富的信息；光學(xué)外差探測系統(tǒng)能有效的濾除雜散背景光，因此光外差探測法具有良好的濾波性能等優(yōu)點[13]。 OCT系統(tǒng)的光源選擇在OCT系統(tǒng)中，光源的選擇是非常重要的，因為它決定了系統(tǒng)的性能參數(shù)，例如系統(tǒng)的縱向分辨率。OCT系統(tǒng)光源的選擇主要從波長、帶寬、功率、穩(wěn)定性等幾個方面考慮。對于大多數(shù)的OCT系統(tǒng)而言，光源的選取主要是基于以下三個方面的要求[14]：⑴光源的輻射波長要求在近紅外區(qū)；⑵光源具有較短的相干長度；⑶光源具有較高的輻射功率。光源的輻射波長要求在近紅外區(qū)主要是由成像生物組織的吸收和散射特性決定的。在醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域，探測深度是非常重要的一個參數(shù)，OCT系統(tǒng)的成像穿透深度主要取決于輻射光波的波長和光源能量。對于生物組織特別是對于軟組織來說，吸收系數(shù)和散射系數(shù)隨著波長的增加而減少。因此，近紅外區(qū)的光在生物組織中的散射和吸收系數(shù)較小，使入射光盡可能進入生物組織縱深內(nèi)部，使得干涉信號較強，保證系統(tǒng)具有足夠的成像深度和較大的對比度。另一方面，考慮到樣品光經(jīng)樣品散射后非常微弱，還必須盡可能的減少光在光纖傳輸中的損耗，我們選用中心波長為1550nm的光源，這個波段的傳輸窗口是現(xiàn)代光纖通信領(lǐng)域的三個傳輸窗口之一[15]，符合現(xiàn)代發(fā)展趨勢，而且對生物組織幾乎沒有損傷。光源需要短的相干長度，這實際上是由光源的時間相干函數(shù)和縱向點擴散函數(shù)之間的關(guān)系決定的。光源的時間相關(guān)性決定了OCT技術(shù)的縱向分辨率，光源的相干長度反比于光源光譜帶寬，可以表示為： ()其中為相干長度，c為光速，為相干時間，比例系數(shù)a與譜型有關(guān)