利用相位差分技術(shù)改善光學(xué)相干層析圖像質(zhì)量

劉少杰, 吳泳波,2,3, 唐志列,2,3*

(1.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006； 2.廣東省量子調(diào)控工程與材料重點實驗室，廣州 510006； 3.廣東省光電檢測儀器工程技術(shù)研究中心，廣州 510006)

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利用相位差分技術(shù)改善光學(xué)相干層析圖像質(zhì)量

劉少杰1, 吳泳波1,2,3, 唐志列1,2,3*

(1.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006； 2.廣東省量子調(diào)控工程與材料重點實驗室，廣州 510006； 3.廣東省光電檢測儀器工程技術(shù)研究中心，廣州 510006)

摘要：針對光學(xué)相干層析成像(OCT)信號中的各種噪聲項的干擾和微弱散射信號提取的困難，提出基于相位差分的光學(xué)相干層析成像(PD-OCT). 首先利用相干參考臂中的納米微調(diào)平臺作為相位調(diào)制器獲得相位調(diào)制參考光，然后光結(jié)合振鏡掃描技術(shù)和CCD光譜采集的光譜相干層析技術(shù)(SDOCT)，實現(xiàn)光學(xué)相干層析的相位差分成像.結(jié)果表明：相位差分技術(shù)可以準(zhǔn)確實現(xiàn)“青鳉魚”樣品光學(xué)相干層析中的相位差分成像，弱散射信號增強3.37 dB,信噪比(SNR)增強5.8 dB，獲得成像物體高信噪比的弱散射信號.

關(guān)鍵詞：光學(xué)層析成像； 相位差分技術(shù)； 信噪比; 圖像質(zhì)量改善

頻域光學(xué)相干層析成像SD-OCT高速、高空間分辨率的成像模式在細(xì)胞、組織成像領(lǐng)域中發(fā)揮非常重要的作用[1-3].OCT利用樣品組織的后向散射光進行相干斷層成像，由于系統(tǒng)中各種噪聲的存在，造成圖像失真，對比度及清晰度變差，必要采取降噪措施，應(yīng)用降噪硬件法諸如空域合成法和頻率合成法等技術(shù)[4-6]，數(shù)字信號處理方法諸如中值濾波[7]、自適應(yīng)維納濾波[8]、各向異性擴散、小波閾值濾波算法[9]等. 這些硬件及算法降噪方法在某些特定的噪聲或樣品中效果明顯，但是對于低后向散射系數(shù)的高透明度組織或需要精確測量樣品較大深度處的散射系數(shù)，由于后向散射回光微弱，無法在圖像信號處理時將信號從模式噪聲和自相干噪聲等噪聲中有效地提取[10-11].

本文利用多普勒頻移的參考光相位調(diào)制技術(shù)[12]和平衡差分原理的相位差分光學(xué)相干層析成像[13]，提高圖像的信噪比，提取弱散射信號.該成像技術(shù)利用相位調(diào)制中光譜相位變化，在相同的樣品后向散射系數(shù)和相同探測光強的情況下，相位差分理論上的信號強度相比單端輸出提高了2倍，還能夠有效抑制信號中的直流噪聲、自相干噪聲以及模式噪聲，是一種能獲得組織樣品弱散射信號增強的新方法.

1光學(xué)相干層析相位差分原理

多相位光學(xué)相干層析系統(tǒng)(圖1)由低相干光源(超發(fā)光二級管)、分光鏡、可調(diào)制參考臂、樣品臂和光譜采集組成.

圖1　多相位光學(xué)相干層析成像原理

Figure 1Schematic diagram of multi-phase optical coherence tomography

僅考慮樣品的1個弱散射粒子在理想情況的相干光譜I(k)，可以表示為：

(1)

式中，S(k)為光源光譜；ER為參考臂回光振幅；AS為該弱散射粒子的后向散射光振幅；φ0為參考臂初始相位.第1項為直流項，第2項為干涉項.

不同相位的光譜I1和I2可表示為：

(2)

(3)

相位差分光譜ΔI可表示為：ΔI(k)=I1(k)-I2(k)=S(k)(4ERAScos(2knz)).

(4)

多相位相干層析中的噪聲分為3部分：光源光譜的直流項、樣品不同層面回光引起的自相干項、CCD各像素點感光強度微小差別帶來的模式噪聲.由式(4)可知，相位差分消除干涉光譜的直流噪聲，同時使干涉項強度變?yōu)?倍；由各個像素點的差別引起CCD模式噪聲，是k空間固定噪聲中的高頻成份；樣品的自相干噪聲對某些樣品(如蓋玻片等)影響很大.相位差分信號通過2路對稱信號相減得到，這2路信號都帶有相同的模式噪聲和樣品自相干噪聲，因此差分運算對樣品自相干噪聲和模式噪聲具有抑制作用[12].

因此，要實現(xiàn)相位差分成像，必須同時滿足下列2個條件：(1)差分輸入的2個信號必須滿足僅改變φ0而其他參數(shù)不變；(2)信號采集必須與相位調(diào)制嚴(yán)格同步，以確保單次采集中Δφ不變[13]1911.另外，當(dāng)Δφ為π時差分信號干涉條紋襯比度最好. 為了實現(xiàn)相位差為π的2路光譜的差分，利用納米位移平臺的相位調(diào)制技術(shù)和觸發(fā)采集控制技術(shù)，實現(xiàn)了參考光的相位調(diào)制，獲得2路相位差為π的相干光譜.

如圖2所示，系統(tǒng)的工作時序圖從上至下的5個信號分別為振鏡x方向掃描電壓、振鏡y方向掃描電壓、相位調(diào)制器前向運動、相位調(diào)制器后向運動、圖像采集卡工作觸發(fā)信號.為了實現(xiàn)參考光相位調(diào)制及圖像質(zhì)量，需要確保圖像采集過程中相位的穩(wěn)定性，以避免在同一幅圖像中不同A-scan位置信號對比度不同，要求微位移精度高于15 nm；改變微位移量直至觀察到單一反射鏡樣品的反相信號，以確保相位移動量為π.

① x方向掃描； ② y方向掃描；③、④相位移動； ⑤數(shù)據(jù)采集

圖3A是相位差為π的2條相干光譜I1和I2；圖3B是2條光譜的差分信號；圖3C和圖3D分別是傳統(tǒng)的和相位差分后的相干層析信號.相干光譜受相位調(diào)制器調(diào)制后，產(chǎn)生了π的相位移動，與其他相位調(diào)制方法得到的光譜一樣[14-15]，光譜頻率不變，僅相位不同，當(dāng)做相位差分后，光譜信號峰的峰值(圖3B與圖3A相比)增強了約1倍，圖3C和圖3D中的相干信號強度從2.7增強到5.1，增強了散射樣品的干涉信號.原光源光譜的直流項非常明顯，相位差分后該直流分量已經(jīng)完全消除.

2實驗部分

根據(jù)組織散射吸收理論，本實驗使用Denselight公司的DL-BX9-CS3307A型號寬帶光源，中心波長1 322 nm，帶寬85 nm，輸出功率10 mW.光譜采集選擇SU1024-LDp型號線陣CCD，其最高線速度91 kHz、像素尺寸25 μm、1 024像素、線性響應(yīng)的波長范圍950～1 650 nm.選用Wasatch Photonics公司的1004-2型分光光柵，線密度為1 145 線/mm.數(shù)據(jù)采集卡是美國國家儀器公司(National Instrument)的PCI-6713 DAQ型同步數(shù)據(jù)采集卡，采用Thorlabs

圖3相位差分信號分析圖

Figure 3Phase-differential signal analysis

公司的GVS002-2D型號高速掃描振鏡.采用PI公司M-110.1DG納米位移平臺實現(xiàn)相位調(diào)制功能.

本裝置采用光纖干涉(圖4)，寬帶光經(jīng)過光纖耦合器分為2束，參考臂準(zhǔn)直聚焦經(jīng)過相位調(diào)制器回光，樣品臂準(zhǔn)直后經(jīng)過高速二維掃描振鏡進行光束二維掃描，由膠合平凸透鏡聚焦到樣品中，回光攜帶樣品后向散射系數(shù)的深度分布信息，2束光返回光纖耦合器發(fā)生干涉，進入由擴束準(zhǔn)直透鏡組、透射式光柵、聚焦透鏡和線陣CCD組成的光譜采集系統(tǒng).利用同步數(shù)據(jù)采集卡確保掃描振鏡、相位調(diào)制器

圖4　多相位光學(xué)相干層析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Figure 4Structure of phase differential optical coherence tomography system

和線陣CCD圖像采集卡三者的同步性，采集得到同一樣品縱切面位置2幅相位差為π的光譜，進而得到差分光譜，通過計算機算法重建出樣品相位差分的散射系數(shù)三維空間分布圖像.

3結(jié)果與討論

采用的物鏡為焦距50 mm的雙膠合平凸透鏡，以青鳉魚(Oryziasminutillus)在體魚眼作為成像樣品，寬帶紅外光源輸出功率為10 mW，到達樣品處的功率小于3 mW，不會對生物樣品造成損傷，CCD的工作采樣率為30 000線/s，像素曝光時間為16.7 μs，完成1幅100×1 000×1 024像素的雙相位光譜相干層析成像的掃描時間只需3.3 s.對樣品進行雙相位光譜采集，圖像重建過程中，取單相位光譜和雙相位差分光譜分別進行傅里葉變換得到光學(xué)相干層析成像(圖5).

圖5A、C表明，a處為OCT的直流噪聲，利用減參考光的方法難以完全消除，而相位差分技術(shù)可以較好地消除該噪聲；c和d處為青鳉魚眼的晶狀體等結(jié)構(gòu)，是樣品中后向散射較弱的區(qū)域，利用相位差分技術(shù)能較好地提??；e處周圍的帶狀亮線是固定不變的模式噪聲，在圖5C中被很好地消除.因此相位差分技術(shù)有利于弱信號的提取和噪聲的抑制.在樣品中同一縱剖線的A-scan方向信號(圖5B、D)對比可知，原本信號強度與背景噪聲相當(dāng)?shù)腸處信號強度為3.21，經(jīng)過相位差分處理， c處信號強度增強為4.33，由于信號強度經(jīng)過以2為底的對數(shù)函數(shù)處理壓縮動態(tài)范圍，該處的信號強度經(jīng)過相位差分增強3.37 dB.同時噪聲信號也被抑制，在c處，普通OCT成像的信噪比為4.5 dB，雙相位差分OCT成像信噪比為10.3 dB，信噪比增強了5.8 dB.

因此，利用參考光相位調(diào)制技術(shù)和光學(xué)層析成像技術(shù)相結(jié)合，可以準(zhǔn)確實現(xiàn)光學(xué)相干層析成像的相位差分成像，突出了樣品中原本混雜在噪聲中幾乎不可分辨的弱散射信號(圖6).同時消除了直流噪聲，效果好于之前常用的消除直流分量的方法(減參考光法和減平均光譜法).另外，對于來自樣品光的噪聲和來自系統(tǒng)本身的噪聲，例如樣品光自相干噪聲和CCD模式噪聲等，有很好的抑制作用，提高了成像質(zhì)量.

圖5　魚眼光學(xué)相干層析成像(橫截面)

圖6　魚眼雙相位成像3D重建

4結(jié)論

采用納米位移平臺實現(xiàn)相干光譜的相位調(diào)制技術(shù)，結(jié)合光學(xué)層析成像技術(shù)和相位調(diào)制技術(shù)獲得2幀相位差為π的相干光譜，然后利用相干光譜的差分計算和重建實現(xiàn)相位差分光學(xué)相干層析成像.這種相位差分技術(shù)有利于光學(xué)相干層析降低自相干、模式噪聲和直流噪聲、增強散射信號，弱散射信號增強3.37 dB，圖像信噪比改善5.8 dB，從而實現(xiàn)弱散射樣品的相干層析成像.

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【中文責(zé)編：譚春林英文責(zé)編：肖菁】

Using Phase-Differential Technology to Improve the Imaging Quality of Optical Coherence Tomography

LIU Shaojie1, WU Yongbo1,2,3, TANG Zhilie1,2,3*

(1.School of Physics and Telecom Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials, South China Normal University, Guangzhou 510006, China;3.Guangdong Provincial Engineering Research Center for Optoelectronic Instrument, South China Normal University, Guangzhou 510006，China)

Abstract：To decrease the noise and to enhance the weak scattering signal, phase-differential optical coherence tomography (PD-OCT) for obtaining high signal to noise ratio (SNR) optical coherence tomography (OCT) is presented. A nano displacement platform in reference arm is designed to achieve the different phase of reference light. Combining with spectral domain optical coherence tomography technology, the phase-differential optical coherence tomography is obtained. Through experiments, vivo biological sample Oryzias minutillus is measured on this system. The results show that PD-OCT can decrease noise and improve weak scattering signal in SDOCT. The weak scattering signal enhancement is 3.37 dB. The SNR enhancement is 5.8 dB.

Key words：optical coherence tomography; phase-differential technology; signal to noise ratio; image quality improvement

中圖分類號：Q631

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號:1000-5463(2016)01-0019-05

*通訊作者:唐志列，教授，Email：tangzhl@scnu.edu.cn.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61178086)；廣東省自然科學(xué)基金重點項目(S2013020012810)；華南師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項目(2015lkxm36)

收稿日期：2015-06-10《華南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n