掃頻OCT系統(tǒng)k域相位數(shù)值補償方法研究

陳 浩，彭世昌，王 玲,

(1.杭州電子科技大學(xué)自動化學(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實驗室，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、無損非接觸以及實時三維成像的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像[2]、材料檢測[3]等領(lǐng)域。800 nm，1 060 nm長穿透深度淺，長波長如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)建長波長的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的時間非線性，會導(dǎo)致直接采集干涉信號的傅里葉變換展寬[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)信號處理時實現(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現(xiàn)了實時等波數(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)域樣條插值實現(xiàn)等波數(shù)取樣，但是在進行三維實時成像時采集的數(shù)據(jù)量龐大，每條A-Scan信號進行樣條插值所花費的時間嚴重影響三維實時成像的效果。并且目前商用掃頻激光器基本內(nèi)置馬赫-曾德爾干涉儀產(chǎn)生K-clock信號以實現(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鏡面的轉(zhuǎn)軸、面型誤差及鏡面機械旋轉(zhuǎn)抖動等因素引起激光器輸出光譜信號的不穩(wěn)定[10]，導(dǎo)致經(jīng)過馬赫-曾德爾干涉儀產(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樣品，通過平均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償數(shù)據(jù)進行K-clock取樣不理想的補償。

1 掃頻OCT系統(tǒng)、相位獲取及數(shù)值補償方法

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HSL-20，中心波長為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)過一個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)過延時線反射回光后接入50/50耦合器(Thorlabs，TW1300R5A2)的一個端口，再輸入到平衡探測器的一個通道；樣品臂的光束由環(huán)形器(Thorlabs，CIR-1310-50-APC)端口1進入，經(jīng)過端口2輸出到掃描探頭(準直器、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)過端口3接入50/50耦合器的另一個端口，再輸入到平衡探測器的另一個通道。平衡探測器對兩路信號進行共模擬制和差分放大后由采集卡(AlazarTech，ATS9350)采集存儲。采集卡的觸發(fā)信號和時鐘信號由掃頻光源提供，通過函數(shù)發(fā)生卡的同步信號與振鏡控制信號同步，采集得到的干涉信號輸入到電腦進行光譜整形、減去直流項、數(shù)值補償之后進行FFT和圖像重建得到被測樣品的實時三維層析圖像。

圖1 掃頻OCT系統(tǒng)示意圖

1.2 相位獲取

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

ф=2×d×k+φ0

(1)

式中，φ0為初始相位，實際情況總是存在一定的偏差。為了實際測試一定光程差下實際的干涉信號解纏相位，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)延時線得到干涉信號，對干涉信號進行光譜整形，去直流項處理后再進行希爾伯特變換得到k域相位信息，通過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-曾德爾干涉儀產(chǎn)生K-clock取樣，導(dǎo)致波數(shù)域樣條插值方法不能使用。當被測樣品為鍍銀平面鏡時，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)過采集卡得到的原始干涉光譜，(b)為經(jīng)過漢寧窗整形并去除直流項后的干涉光譜，(c)為經(jīng)過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?？梢钥闯觯涸冀饫p相位ф1與波數(shù)k基本成線性關(guān)系，但是與嚴格線性的擬合相位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，偏差的存在會導(dǎo)致系統(tǒng)軸向分辨率與信噪比降低，必須進行偏差的數(shù)值補償。

圖2 相位獲取過程

1.3 數(shù)值補償及結(jié)果

3.24 mm光程差處得到的干涉信號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)致干涉信號經(jīng)過光譜整形、去直流項以及快速傅里葉轉(zhuǎn)換(Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT)之后得到的點擴散函數(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經(jīng)過FFT之后得到的點擴散函數(shù)，其軸向分辨率為22.18 μm，信噪比為60.35 dB，明顯差于經(jīng)過線性擬合相位的點擴散函數(shù)(圖中曲線III)的軸向分辨率11.88 μm，信噪比67.25 dB。經(jīng)過線性擬合的信噪比增大率為11.4%。但是在進行實物樣品測試時，光線對于樣品有一定的穿透深度，各個深度處的解纏相位無法與平面鏡一樣實現(xiàn)線性擬合，因此提出一種數(shù)值補償方法進行整體補償。

圖3 相位差與波數(shù)、強度與穿透深度的關(guān)系曲線

在獲取數(shù)值補償數(shù)據(jù)時，使用鍍銀平面鏡作為被測樣品，調(diào)節(jié)延時線使光程差位置為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)進行平均，得到數(shù)值補償數(shù)據(jù)dфcom如圖4(a)所示。

使用數(shù)值補償數(shù)據(jù)對圖3(a)光程差位置進行數(shù)值補償，補償?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，說明經(jīng)過數(shù)值補償之后的干涉信號更接近等波數(shù)取樣的理想狀態(tài)。因此補償之后的信號進行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)值補償數(shù)據(jù)對上述6組不同光程差處的干涉信號進行補償?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，說明隨著成像深度加深原始解纏相位越來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，在整個成像深度范圍穩(wěn)定在11.09～11.88 μm之間。經(jīng)過數(shù)值補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)過數(shù)值補償之后的信噪比增大率如圖4(c)所示，數(shù)值補償隨著成像深度增加而逐漸增大，在4.13 mm位置達到最大7.4%，0.5 mm位置出現(xiàn)2.1%的負增長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)值補償，由此也說明實現(xiàn)等波數(shù)取樣的重要性。

圖4 補償相位隨波數(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)值補償數(shù)據(jù)進行OCT實物成像

接下來利用該方法進行蓋玻片堆、3D打印支架等的成像測試。使用搭建的掃頻OCT系統(tǒng)進行5層蓋玻片的成像測試，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)過數(shù)值補償之后每層蓋玻片的分界面都比未補償?shù)囊氫J，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)過數(shù)值補償之后第1層蓋玻片下表面與第2層蓋玻片上表面圖像明顯細銳清晰，相比于矩形框a2中未補償?shù)哪：磺逵忻黠@的優(yōu)化效果，這是由于數(shù)值補償之后信噪比增大使得圖像對比度增強，與圖4(c)中結(jié)果一致；數(shù)值補償與未補償?shù)膱D像均能明顯看見兩片蓋玻片之間的縫隙，這說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)值補償圖像的最底層蓋玻片與平臺仍然可見明顯清晰的分界面，這是軸向分辨率優(yōu)化的結(jié)果，并且模糊膨脹的現(xiàn)象也比未補償?shù)膱D像好很多，這是信噪比優(yōu)化的結(jié)果?？傊?，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 未補償和數(shù)值補償?shù)?層蓋玻片OCT圖像

使用搭建的OCT系統(tǒng)進行3D打印支架的成像測試，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，進行補償?shù)慕Y(jié)果比未進行補償?shù)慕Y(jié)果明顯細銳，由此可見數(shù)值補償對軸向分辨率的優(yōu)化效果。由于3D打印支架在深度方向沒有更多的細節(jié)，相比于5層蓋玻片的優(yōu)化效果，數(shù)值補償算法的優(yōu)化效果不明顯。

圖6 未補償和數(shù)值補償?shù)?D打印支架OCT圖像

3 結(jié)束語

本文針對掃頻激光器K-clock取樣的不理想，提出一種k域相位數(shù)值補償方法，實現(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，具有一定的實用價值。本文中數(shù)值補償方法還存在一些不足，如何得到更加理想的數(shù)值補償數(shù)據(jù)是下一步研究的重點。