【文章內(nèi)容簡介】 ，為光源中心波長，和分別為光源的頻寬和譜寬半峰全寬（簡稱FWHM）。OCT系統(tǒng)的縱向分辨率[16]可表示為： ()上式中表示相干長度，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)的分辨率和對比度就越好。同時(shí)，為了獲得更好的分辨率和對比度，還必須注意對樣品臂和參考臂光學(xué)色散的匹配，以及對生物組織內(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，也對系統(tǒng)的動態(tài)范圍有一定的影響，不平滑的光譜會引起自相關(guān)函數(shù)的旁瓣，這些旁瓣不能通過帶通濾波去掉，會降低圖像的對比度[17]。探測生物組織內(nèi)部弱散射光信號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更寬的動態(tài)范圍和更高的圖像獲取靈敏度。由于干涉信號光電流與物體反射回來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τ谏锝M織成像，光源的光功率要受到成像對象所能承受的最大光功率的限制。并且功率過高的光源會帶來額外的噪聲。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)的性能評價(jià)參數(shù)評價(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、成像對比度以及動態(tài)范圍和信噪比，下面對幾個(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低，會導(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，我們對所要探測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)域主要是用于探測活體組織，例如眼球，由于眼球是透明組織，選取合適的波長，其成像深度可以達(dá)到2cm，而對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)探測的生物組織大部分是活體組織，因而對成像速度要求很高，如果成像速度不夠快就會因?yàn)榛铙w組織的蠕動影響圖像的分辨率。成像對比度：對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的測量，差異范圍越大代表對比度越大，目前，增加圖像對比度對獲取組織的功能信息參數(shù)起著越來越重要的作用。提高成像的對比度主要是從后續(xù)的圖像信息處理著手。動態(tài)范圍：可探測的動態(tài)范圍（Dynamic Range，DR）也是表征OCT性能的一個(gè)主要參數(shù)。因?yàn)镺CT的主要用途是用來對生物組織，以及人體的醫(yī)學(xué)病理進(jìn)行測量，因此，對于強(qiáng)散射的樣品如皮膚組織來說，要求OCT系統(tǒng)必須有很高的動態(tài)測量范圍，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)信號光對應(yīng)的反射率，即系統(tǒng)最小可探測量[21]。由于Rs最大值是1，系統(tǒng)的動態(tài)范圍可表示為的最大值與最小可探測量的比值。對于理論分析模型，動態(tài)范圍DR[22]為： ()由于探測器后續(xù)信號處理電路的附加噪聲較大，系統(tǒng)的動態(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）來評價(jià)圖像質(zhì)量[5]，其計(jì)算公式 ()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： ()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。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，信號光隨光程差分布曲線在非等光程點(diǎn)，會出現(xiàn)相干信號峰，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應(yīng)的電信號成比例，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、探測器噪聲、光源的噪聲和電路的噪聲等。噪聲的來源為生物組織、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)械掃描過程可能對圖像產(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)動模糊；②縱向掃描速度不均勻?qū)е碌牟蓸狱c(diǎn)抖動；③同步位置傳感器受干擾或重復(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)將信號調(diào)制到中心頻率處，多普勒頻移為，避開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)動的快慢將影響信號的帶寬。信號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，為了不喪失深度方向的分辨率，既要區(qū)分深度方向上相距的兩個(gè)峰，也要使系統(tǒng)的帶寬大于信號帶寬。若掃描速度不穩(wěn)，就會引起多普勒頻移改變、信號頻帶中心頻率偏移，這樣使圖像信號受到干擾，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，超出帶寬的信號就會被濾除，則信號強(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，來提高圖像的信噪比。 探測器噪聲探測器噪聲是指光電探測器在將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的過程中引入的噪聲。它主要可分為散粒噪聲、熱噪聲和低頻噪聲三大類[29]。⑴ 散粒噪聲散粒噪聲是一種在光電子發(fā)射器件和光伏型探測器中出現(xiàn)的噪聲，是由電子的離散特性與運(yùn)動的隨機(jī)性引起的噪聲。當(dāng)用光功率穩(wěn)定的單色光源發(fā)出的光照射探測器時(shí)，由于光的量子特性，每一瞬間到達(dá)探測器的光子數(shù)是隨機(jī)的，因此光激發(fā)的載流子也是隨機(jī)的，其光電時(shí)間的統(tǒng)計(jì)是一泊松過程，由此引起的光電流變化即為散粒噪聲。⑵ 熱噪聲熱噪聲存在于任何導(dǎo)體與半導(dǎo)體中，它是由于載流子的熱運(yùn)動而引起電流或電壓的隨機(jī)起伏。熱噪聲的均方電流和均方電壓由下式?jīng)Q定： ()式中，k為波爾茲曼常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，R是器件的電阻值，為所取得通帶寬度。熱噪聲屬于白噪聲，降低溫度和通帶，可減少熱噪聲功率。⑶ 低頻噪聲低頻噪聲主要出現(xiàn)在大約1kHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f 成反比，所以又稱為噪聲。探測器表面工藝狀態(tài)對低頻噪聲影響很大。幾乎所有的探測器都存在這種噪聲。由于低頻噪聲一般按的規(guī)律隨著頻率的增加快速衰減，而OCT系統(tǒng)采用交流信號探測，并且干涉項(xiàng)的載頻一般在10kHz以上，所以低頻噪聲對OCT系統(tǒng)的影響很小。 散斑噪聲散斑是由隨機(jī)相位的散射光波干涉疊加所產(chǎn)生的，在OCT系統(tǒng)中散斑由樣品光產(chǎn)生。散斑噪聲使圖像像素振幅隨機(jī)化分布，產(chǎn)生模糊的粒狀分布結(jié)構(gòu)，使圖像的細(xì)微特征變得模糊，只能從中分辨圖像的大致輪廓。散斑是經(jīng)由不同粒子面散射的光振動在空間相遇時(shí)發(fā)生的干涉形成的，具有無規(guī)則分布顆粒狀結(jié)構(gòu)的衍射圖樣。OCT系統(tǒng)把大量雜散光和其它層面的光排除在外，只有與參考光束光程差在相干長度范圍內(nèi)的散射光才能與參考光相干成為OCT圖像信號，也只有符合這些條件的散射光才能形成散斑。高散射生物組織中，在相干長度內(nèi)，存在大量的散射顆粒截面，而被光電探測器接收的干涉光中既有單次背向散射光，又有多次散射光，光電探測器上會有相當(dāng)數(shù)量的具有光程差的相干散射光束同時(shí)到達(dá)，產(chǎn)生高斯包絡(luò)的具有相位差的交變電信號，它們彼此相干疊加就形成了散斑。不僅大量散射顆粒形成多次散射，使散射波前形成復(fù)雜的畸變可形成散斑；在相干長度內(nèi)不同深度截面上的散射光，由于光程差引起的相位差已經(jīng)構(gòu)成了散斑生產(chǎn)的條件，也會形成散斑。另外生物組織一定的空間