【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 縱向掃描在參考 光和信號(hào)光之間引入頻率差，形成中頻光拍信號(hào)而被探測(cè)器所響應(yīng)。而樣品臂各深度的反射光信號(hào)與參考光相干形成的干涉信號(hào)，被調(diào)制到這個(gè)中頻載波信號(hào)上，通過(guò)調(diào)解恢復(fù)原始的干涉信號(hào)強(qiáng)度，因而得到 生物組織縱深各點(diǎn) 掃描的輪廓。 采用外差探測(cè)，探測(cè)的是干涉信號(hào)，其光強(qiáng)幅度 m a x 2s r s rI K A A K P P?? () 式中 Ps 和 Pr 分別表示信號(hào)光和參考光的功率，對(duì)于直接探測(cè)方式，系統(tǒng)探測(cè)的信號(hào)為 ssI K P? 。它們的信號(hào)轉(zhuǎn)換功率增益為 2m a x( ) 4 rssI PGIP?? () 通常情況下 rsPP?? ， G 可高達(dá) 7810 ~10 。因此外差探測(cè)與直接探測(cè)相比有更高的探測(cè)靈敏度。同時(shí)，系統(tǒng)中的干涉信號(hào)是頻率為調(diào)頻差的交流信號(hào)，能夠有效的放大信號(hào)，進(jìn)一步提高信噪比；在光外差探測(cè)法中，光探測(cè)器差頻輸出的振 幅、頻率、相位都隨信號(hào)光的振幅、頻率、相位而變光學(xué)相干層析技術(shù)的圖像信息處理 10 化，光學(xué)外差探測(cè)法可獲得光信號(hào)更加豐富的信息；光學(xué)外差探測(cè)系統(tǒng)能有效的濾除雜散背景光，因此光外差探測(cè)法具有良好的濾波性能等優(yōu)點(diǎn) [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?yàn)樗鼪Q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(zhǎng)、帶寬、功率、 穩(wěn)定性等幾個(gè)方面考慮。對(duì)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(gè)方面的要求 [14]：⑴光源的輻射波長(zhǎng)要求在近紅外區(qū)；⑵光源具有較短的相干長(zhǎng)度；⑶光源具 有較高的輻射功率。 光源的輻射波長(zhǎng) 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(cè)領(lǐng)域，探測(cè)深度是非常重要的一個(gè)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(zhǎng)和光源能量。對(duì)于生物組織特別是對(duì) 于軟組織來(lái)說(shuō)，吸收系數(shù)和散射系數(shù)隨著波長(zhǎng)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(jìn)入生物組織 縱深 內(nèi)部，使得干涉信號(hào)較強(qiáng)， 保證系統(tǒng)具有足夠的成像深度和較大的對(duì)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(zhǎng)為 1550nm 的光源，這個(gè)波段的傳輸窗口是現(xiàn)代 光纖 通信領(lǐng)域的三個(gè)傳輸窗口之一 [15]，符合現(xiàn)代發(fā)展趨勢(shì)，而且對(duì)生物組織幾乎沒(méi)有損傷。 光源需要短的相干長(zhǎng)度，這實(shí)際上是由光源的時(shí)間相干函數(shù)和縱向點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)之間的關(guān)系決定的 。光源的時(shí)間相關(guān)性決定了 OCT 技術(shù)的縱向分辨率 ，光源的相干長(zhǎng)度反比于光源光譜帶寬，可以表示為： 光學(xué)相干層析技術(shù)的圖像信息處理 11 20c cl c t v ? ?? ? ? ??? () 其中 cl 為相干長(zhǎng)度 ， c 為光速， t? 為相干時(shí)間， t a v? ? ?? ，比例系數(shù) a 與譜型有關(guān)， ? 為光源中心波長(zhǎng)， v? 和 ?? 分別為光源的頻寬和譜寬半峰全寬（簡(jiǎn)稱 FWHM）。 OCT 系統(tǒng)的縱向分辨率 [16]可表示為： 22 l n 2 2 l n 2cLl?? ? ?? ? ? ? () 上式中 cl 表示相干長(zhǎng)度， 因此，光源的光譜帶寬直接影響 OCT 系統(tǒng)的縱向分辨率 。 一般而言，光源光譜帶寬 越寬 ， OCT 系統(tǒng)的分辨 率和對(duì)比度就越好。同時(shí)，為了獲得更好的分辨率和對(duì)比度，還必須 注意 對(duì)樣品臂和參考臂 光學(xué)色散的匹配 ， 以及 對(duì) 生物組織內(nèi)部散射而引起的聚焦光束的色差給予補(bǔ)償。除了光源的寬帶以外，光源光譜形狀以及光譜的平滑程度，也是影響 OCT 成像的至關(guān)重要的因素，它們不僅影響著系統(tǒng)的分辨率，也對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍有一定的影響，不平滑的光譜會(huì)引 起自相關(guān)函數(shù)的旁瓣，這些旁瓣不能通過(guò)帶通濾波去掉，會(huì)降低圖像的對(duì)比度 [17]。 探測(cè)生物組織內(nèi)部弱散射光信號(hào)的必備條件是光源具有較高的輻 射能量，高的輻射功率可以 帶來(lái)更寬的動(dòng)態(tài)范圍和更高的圖像獲取 靈敏度。由于干涉信號(hào) 光電流 與物體反射回來(lái)的光功率的平方根成正比，這樣伴隨著光源光功率的增加，系統(tǒng)能夠獲得更多的來(lái)自生物組織內(nèi)部的后向散射光，也就可以獲得更好的層析圖像。然而，對(duì)于 OCT 系統(tǒng)而言，光源的輻射功率并非一定是越高越好，因?yàn)閷?duì)于生物組織 成像，光源的光功率要受到成像對(duì)象所能承受的最大光功率的限制。并且功率過(guò)高的 光源會(huì)帶來(lái)額外的噪聲。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在成像靈敏度和成像最大光功率限制之光學(xué)相干層析技術(shù)的圖像信息處理 12 間折中考慮。 目前，超輻射 發(fā)光二極管，即 SLD 光源，是使用最為普遍的一類寬帶光源，它的輻射發(fā)光是由自發(fā)放大輻射引起的，具有較低的時(shí)間相干性和較高的空間相干性，同時(shí)它具有較高的輻射功率，價(jià)格又比較適中，有很高的性價(jià)比，但是它的輸出功率較低。自發(fā)輻射放大光源以及高功率、寬光譜帶寬的飛秒激光器也可以作為 OCT 光源。 OCT 系統(tǒng) 的性能評(píng)價(jià)參數(shù) 評(píng)價(jià) OCT 系統(tǒng)性能的參數(shù)主要包括分辨率、成像深度、成像速度、 成像對(duì)比度 以及動(dòng)態(tài)范圍和信 噪比 ，下面 對(duì)幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行逐一分析 [18]。 分辨率 ：分辨率是衡量圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)力的一個(gè)技術(shù)參數(shù)，它影響著生成 圖像的質(zhì)量和使用性能，如果圖像掃描 分辨率過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致輸出圖像的效果非常模糊。 在 OCT 系統(tǒng)中，我們要探測(cè)生物組織的樣品信息，最好生成 的圖像要保持一定的清晰度，因此對(duì)分辨率的要求較高。 在 OCT 系統(tǒng)中，低相干光源的帶寬決定了系統(tǒng)的軸向分辨率，系統(tǒng)橫向分辨率則由成像探頭的聚焦光斑決定。 成像深度 ：在 OCT 系統(tǒng)中，我們對(duì)所要探測(cè)的樣品組織要有一定成像深度的要求，由于 OCT 技術(shù)的 領(lǐng)域主要是用于探測(cè)活體組織，例如 眼球 ，由于眼球是透明組織，選取合適的波長(zhǎng)，其成像深度可以達(dá)到 2cm， 而對(duì)于皮膚等高散射性組織，其成像深度可以達(dá)到 2~3mm[19]。 成像速度 ： OCT 系統(tǒng)的成像速度 主要取決于掃描裝置的縱向掃描速度，掃描速度越快，成像速度就越高。 由于 OCT 系統(tǒng)探測(cè)的生物組織大部分是光學(xué)相干層析技術(shù)的圖像信息處理 13 活體組織，因而對(duì)成像速度要求很高，如果成像速度不夠快 就會(huì) 因?yàn)榛铙w組織的蠕動(dòng) 影響圖像的分辨率。 成像對(duì)比度 ：對(duì)比度指的是一幅圖像中明暗區(qū)域最亮的白和最暗的黑之間不同亮度層級(jí)的測(cè)量，差異范圍越大代表對(duì)比度越大，目前，增加圖像對(duì)比度對(duì)獲取組織的功能信息參數(shù)起 著越來(lái)越重要的作用。 提高成像的對(duì)比度主要是從后續(xù)的圖像信息處理著手。 動(dòng)態(tài)范圍 ：可探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍（ Dynamic Range， DR）也是表征 OCT性能的一個(gè)主要參數(shù)。因?yàn)?OCT 的主要用途是用來(lái)對(duì)生物組織，以及人體的醫(yī)學(xué)病理進(jìn)行測(cè)量，因此，對(duì)于強(qiáng)散射的樣品如皮膚組織來(lái)說(shuō)，要求 OCT系統(tǒng)必須有很高的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，這樣才能滿足生物樣品的成像要求 [20]。 如果 OCT 系統(tǒng)的靈敏度是令 SNR=1 時(shí)信號(hào)光對(duì)應(yīng) 的反射率 sR ， 即系統(tǒng)最小可探測(cè) 量 minsR [21]。由于 Rs 最大 值是 1，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可表示為 sR 的最大值與最小可探測(cè)量 minsR 的比值。對(duì)于理論分析模型，動(dòng)態(tài)范圍 DR[22]為： 2 2 22 2 2 2 221[ ( ) 2 ( ) ]x r x r r ePDRB R R P e R R Pv??? ? ? ? ?? ??? ? ? ?? () 由于探測(cè)器后續(xù)信號(hào)處理電路的附加噪聲較大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍隨參考臂的反射率單調(diào)遞增。 信噪比 ：信 噪比是表征系統(tǒng)獲得高質(zhì)量圖像的能力，與成像速度相互制約，提高信噪比 就意味著降低成像速 度 。通常通過(guò)采用基于光柵的快掃描延遲線，將延遲線的群速度和相速度分開(kāi)獨(dú)立控制，以改善信噪比和成像速度的關(guān)系 。 一般情 況下，一個(gè)系統(tǒng)的信噪比近似地與入射光功率成正光學(xué)相干層析技術(shù)的圖像信息處理 14 比，與系統(tǒng)的帶寬成反 比 [23,24]。但是，光學(xué)相干層析系統(tǒng)中低相干光源引發(fā)的額外噪聲的影響，隨著入射到樣品表面的光功率的增大，系統(tǒng)的信噪比會(huì)趨于某一個(gè)極限值。 在圖像處理中，通常用峰值信噪比（ peak signal to noise ratio, PSNR）來(lái)評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量 [5]，其計(jì)算公式 225510 log( )PSNR M SE? () 其中 MSE（ mean square error）是原圖像與處理圖像的均方誤差，如下式表示： 1 ()F ram e siz e nnnIPM SE Fra m e si ze??? ? () 以上幾個(gè)參數(shù)在搭建 OCT 系統(tǒng)時(shí)非常重要，分辨率、信噪比決定了整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣，成像速度與成像深度決定了 OCT 技術(shù)的推廣和延伸。但是這些參數(shù) 并不能同時(shí)滿足要求， 有些甚至相互制約， 因此，在搭建系統(tǒng)之前要衡量系統(tǒng)的技 術(shù)參數(shù)，看實(shí)驗(yàn)中所搭建的系統(tǒng)是否滿足要求 ，需要不斷調(diào)試系統(tǒng)，使之滿足成像要求 。 光學(xué)相干層析技術(shù)的圖像信息處理 15 3. OCT 圖像 去噪 在 OCT 系統(tǒng)中由于組織的高散射性、掃描和光電檢測(cè)的非線性、光源和電路的量子干擾，系統(tǒng)中存在著多種噪聲，使得圖像失真、分辨率下降，影響了成像的清晰度。此外，信號(hào)光隨光程差分布曲線在非等光程點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)相干信號(hào)峰，得到的 OCT 圖像具有明顯的邊峰 效應(yīng)，造成圖像的模糊，使得 很難觀察組織的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)并判斷其穿透深度，從而無(wú)法做出正確的醫(yī)學(xué)判斷。為了提高 OCT 系統(tǒng)的成像質(zhì)量，必須通過(guò)硬件或軟件的方法消除噪聲的影響 。本章將介紹 OCT 系統(tǒng)中存在的各種噪聲以及常用的消除 OCT噪聲的方法 [25~28]。 OCT 系統(tǒng)的噪聲分析 OCT 成像過(guò)程中，由于系統(tǒng)中存在各種噪聲干擾，使光電流的變化出現(xiàn)異常，而圖像的灰度與弱相干光對(duì)應(yīng)的電信號(hào)成比例，因此光電流的異常造成圖像清晰度變差。影響成像質(zhì)量的噪聲種類很多，主要有散斑、掃描噪聲、探測(cè)器噪聲、光源的噪聲和電路的噪聲等。噪聲的來(lái)源為 生物 組織、掃描機(jī)構(gòu)、光源和電路等。 掃描噪聲 掃描噪聲是由參考臂中時(shí)間延遲線的運(yùn)動(dòng)而引起的。 OCT 系統(tǒng)參考臂大多數(shù)采用機(jī)械掃描，也有采用壓電陶瓷完成縱向掃描的。 機(jī)械掃描過(guò)程可能對(duì)圖像產(chǎn)生下列影響：①掃描器的速度較慢，致使在采集活體圖像時(shí)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊；②縱向掃描速度不均勻?qū)е碌牟蓸狱c(diǎn)抖動(dòng)；③同步位置傳光學(xué)相干層析技術(shù)的圖像信息處理 16 感器受干擾或重復(fù)性差導(dǎo)致的掃描錯(cuò)位。 掃描器在深度方向掃描時(shí)，由于多普勒效應(yīng)將信號(hào)調(diào)制到中心頻率 0f處，多普勒頻移為 2Dfv??? ，避開(kāi)了直流分量和低頻噪聲的干擾。但是 在產(chǎn)生調(diào)制的同時(shí)，它還在深度方向上起掃描作用，因此它運(yùn)動(dòng)的快慢將影響信號(hào)的帶寬。信號(hào)帶寬由掃描速度決定，帶通濾波器帶寬的選擇既要保證系統(tǒng)具有較高的分辨率，又要具有很高的靈敏度，最佳帶寬為24 cf v L?? ? ? ，為了不喪失深度方向的分辨率，既要區(qū)分深度方向上相距cL 的兩個(gè)峰， 也要使系統(tǒng)的帶寬 大于信號(hào)帶寬。 若掃描速度不穩(wěn)，就會(huì)引起多普勒頻移改變、 信號(hào)頻帶中心頻率偏移，這樣使圖像信號(hào)受到干擾，圖像出現(xiàn)噪聲。 一旦頻帶偏移超出濾波器的 帶寬，頻帶受損，中心頻率 偏離帶寬中心，超出帶寬的信號(hào)就會(huì)被濾除，則信號(hào)強(qiáng)度減弱，圖像的列中突然變亮或變暗，在行上表現(xiàn)出亮線或暗線。掃描噪聲與 OCT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)， 通過(guò)精心調(diào)整系統(tǒng)，保證參考光程 的 線性變化，在很大程度上 能 消除掃描噪聲 ； 另外也可采取后續(xù)圖像處理算法，來(lái)提高圖像的信 噪 比。