宽场光学相干断层成像系统的三维显微成像

冯升同, 冯音琦, 张 敏， 郝君君

(1.北京石油化工学院 工程师学院 ,北京 102617；2.北京石油化工学院 光机电重点实验室 ,北京 102617)

引言

继X射线计算机层析成像、核磁共振成像、超声成像等技术之后，20世纪90年代初发展起来的光学相干断层成像(optical coherence tomography，OCT)技术[1]是集光学、物理学、精密自动控制、电子、计算机图形学等多门学科为一体的综合成像技术。它结合共焦、弱相干、光外差以及扫描断层成像等技术的优点，可实现对一些高散射性不透明生物组织和机械结构的非侵入、无辐射、高分辨率、高灵敏度、实时成像测量，在眼球、皮肤、心血管等医学疾病诊断中具有较大的应用前景及发展潜力[2-4]。宽场光学相干断层成像(wide-field optical coherence tomography，WFOCT)技术[5]是传统OCT技术的扩展。WFOCT系统用宽场光源产生干涉信息并用二维CCD来获得这些干涉信息，不需要象传统OCT那样进行逐点扫描，通过处理CCD采集的数据即可获得样品光学截面或断层图像[6]。因此，WFOCT具有提高OCT系统的扫描速率和实现高分辨率的三维显微技术的可能性，近年来受到广泛的关注。2002年，法国巴黎国家科技研究中心光物理与临床实验室的L. Vabre等人[7]在WFOCT系统中采用Linnik干涉仪，选取卤素灯为光源，用CCD采集干涉信号，采集速率为200 f/s，该系统获得的纵向分辨率接近1.2 μm。2003年，M. Akiba, K. P. Chan等人[8]用超辐射发光二极管SLD作为光源获得了6 μm的系统分辨率；2004年Lin Fengyu和M.K.Kim[9]用R、G、B三色LED作为宽场OCT系统的光源，获得了10 μm 的纵向分辨率，图像的信噪比达到了50 dB；而在国内，冯音琦等人创建了比较完善的WFOCT系统，对宽场光学相干断层成像系统的图像重构算法以及提高图像质量方面作了深入的研究，并在彩色图像重建和利用WFOCT进行光学测量方面取得了一定的科学成果[10-11]。本文在冯音琦等人的工作基础上，从宽场相干断层成像系统出发，试图对有一定反射率的透明介质进行深度探测以及三维形貌的图像重建。首先，编制了在VC6.0环境下硬件接口程序和调用OpenGL函数的三维重建程序。三维图像重建主要包括体数据处理和三维图形显示部分，其过程是将二维的断层图像数据写入到计算机内存，对此数据进行预处理并作为体数据，利用移动立方体法(MC)进行三维重建并在计算机屏幕显示。实验中，以宽场白光作为系统光源，采用滤波系统获得低相干宽频谱的单色光，利用八步移相法获得多幅断层图像。研究了纵向分辨率和探测深度，得到了针对玻璃材料的较高的探测深度。以此为基础，把移动立方体算法(MC)应用到宽场光学相干断层成像系统中，实现透明介质的三维形貌显微成像和深度探测。

1 WFOCT实验系统的基本原理

与传统OCT系统类似，WFOCT系统的核心也是迈克尔逊干涉仪，其基本结构如图1所示[12]。在宽场OCT系统中，从卤素灯发出的低相干光束被分束棱镜分为两束，一束光投射到样品臂上，沿原路返回的背向散射光为样品光；一束光投射到参考臂的反射镜上，被反射镜反射回来的光为参考光，如果这两束光的光程差在光源的相干长度范围内，则会产生干涉信号。若在光路中添加1/4波片、起偏器、检偏器，则可以连续调节两束光的光强比。CCD采集两路光的干涉信号，该信号包含了样品表面或次表面的二维图像信息。通过压电陶瓷高频调制器(PZT)控制参考臂的微小位移，从而获得多幅不同相位差的干涉信号。在此基础上通过合适的层析重建算法就可以重现样品的表面或次表面信息。除了要获得样品的二维图像数据信息，有时需要探测样品的深度以及获得信息量更为丰富的三维图像，就需要采集多幅不同位置的二维断层图像。在计算机控制下，步进电机驱使参考臂发生较大的位移，从而扫描得到不同深度的图像。有了多幅断层图像，采用合适的三维重建算法实现三维图像的重建。

图1 WFOCT的基本结构Fig.1 Apparatus for WFOCT

2 宽场OCT二维图像重建

2.1 八步移相法原理

WFOCT的图像重构算法是基于1997年I.Yamaguchi提出的移相数字全息术[13]。移相数字全息术是基于移相干涉技术，它采用精密的移相器件，在数字全息记录过程中改变参考光波相位，同时记录多幅干涉信号，利用不同的移相算法对所得到的干涉信号进行计算，最终直接恢复出记录面上的物光分布。WFOCT正是利用这种高精度测量技术，从干涉信号中重构出样品表面或次表面的图像。

本实验采用八步移相法来获取样品表面或次表面的图像信息[14-15]， 八步移相法重建图像的原理是假设CCD检测到的干涉光强为

(1)

式中:IO为样品反射光强;IR为参考镜反射光强;IB为背景光强;φ为样品反射光与参考镜反射光的初始相位差;φi是参考光反射镜位置移动所引起的相位变化。在八步移相过程中，参考光反射镜每移动一个1/16波长的距离采集一次干涉信号，相应的φi改变π/4，微动台移动8次，相应的φi改变量分别为0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4。所得到的干涉图像可以描述为

(2)

根据公式(2)解方程组，可以得到样品重建图像的强度信息

(3)

重建图像的相位计算公式为

(4)

实验选用3个载玻片叠加成不同的形状进行成像，如图2 所示。图中圆圈表示光斑的大小，光斑中的小方块表示三维图像重建的区域。载玻片厚度均为1 mm, 每相邻两层间隙约为0.2 mm。实验中用滤波片从白光滤出中心波长为632 nm的红光作为光源，照射到载玻片上的光斑直径约为0.8 cm。

图2 样品的侧面投影图和上面俯视图Fig.2 Side projection view and top view of sample

以样品最上层载玻片的上表面作为扫描的起始位置，依次从上到下，利用八步移相法对各样品进行扫描，探测15个位置，每个样品共计得到120张干涉图像。图3所示是样品1最上层载玻片上表面的8幅干涉图像。每8幅干涉图像根据公式(3)重建出相应位置的断层图像，最后共计得到15张断层图像，其中第1、6、11张断层图像如图4所示，即图4中这三张图像分别是由干涉信号重建获得的样品1中的3个载玻片上表面的断层图像。通过图4还可以看出宽场OCT系统采集到每层载玻片的信息数据随着探测深度的增大而减少，但还能够再现出载玻片上光斑区域内的平面图像。

图3 八步移相法得到的干涉图样Fig.3 Interference patterns using eight-step phase-shifting method

图4 样品1的断层图像Fig.4 Cross-sectional images of Sample 1

2.2 系统的纵向分辨率和探测深度

WFOCT系统重建图像的质量与该系统的纵向分辨率有直接关系，而纵向分辨率取决于光源的相干长度ΔL[16]：

(5)

因此本系统采用石英卤素灯作为光源，石英卤素灯具有超宽的带宽和平滑的频谱特征，成像质量较好，该光源的频谱宽度约为250 nm。红光、绿光、蓝光的带宽分别为20 nm、22 nm、25 nm，据此计算得出系统在不同色光的纵向分辨率分别为：红光7.4 μm、绿光5.9 μm、蓝光4.9 μm。，实际上，考虑到系统是通过滤波片从白光中滤出三色光进行实验的，分辨率有所降低，而且要考虑到样品杂散光、散斑、光源噪声等影响，实验得到的纵向分辨率达不到以上计算值。实验中，以一个载玻片作为样品，设置参考镜的宏动步距为3.75 μm，参考镜每移动一步，就生成一幅图像，共计得到4幅图像，如图5所示。可以看到，当参考镜的移动距离为15 μm时，已经几乎分辨不出样品图像，因此对红光而言，该系统的纵向分辨率约为15 μm，大于计算值。

图5 研究纵向分辨率得到的4幅图像，步距为3.75 μmFig.5 Four images with 3.75 μm axial distance used for axial resolution

除了研究宽场OCT的分辨率，探测深度也是评价系统性能的指标。探测深度与光源的强度、光学器件灵敏度以及样品的光学特性等因素有密切的关系。在探测深度实验中，选用依次叠加的载玻片和盖玻片作为样品。其中，载玻片和盖玻片的厚度各为1 mm和0.1 mm。依次取得各个玻片上表面的断层图像，得到图像强度与参考镜轴向移动距离的关系曲线，如图6所示。可以看出，对玻璃材料而言，系统最大的探测深度约为3.3 mm，远大于对生物组织的探测深度(100 μm～200 μm)。

图6 图像强度与轴向移动距离之间的关系曲线Fig.6 Relation curve between axial distance and intensity

3 宽场OCT系统的三维图像重建

在得到各个位置断层图像的基础上，为了能够更加直观地观察到样品表面或次表面上感兴趣区域的图像，需要将二维断层图像经过合适的算法进行叠加得到样品的三维立体图形。本实验系统采用VC6.0和OpenGL混合编程，应用移动立方体(MC)算法对样品的外貌进行三维重建并在计算机屏幕显示[17]。对样品1的15张断层图像进行三维图像重建，得到重建的样品1的外貌图像，如图7所示。从不同的角度观察图7，得到效果如图8所示。可以看出，效果图8非常逼真地再现了3个载玻片叠加区域的外貌形状，表明利用宽场OCT系统能够探测有较高反射率的一定深度的透明介质的形貌。

图7 样品1的三维图像重建结果Fig.7 3D reconstructive image of sample 1

图8 不同角度观察重建后样品1的效果图Fig.8 3D graphics of sample 1 from different angles

与样品1对比，样品2的上下2个载玻片不是关于中央对称的，照射到载玻片1和载玻片3上的光斑大小明显不同。对样品2的15张断层图像进行三维图像重建，重建后的效果图如图9所示。从图9中明显可以看出，样品2中第3个载玻片的外貌重建区域大于第1个载玻片的外貌重建区域。根据同样的实验方法，得到样品3和样品4的三维重建图像，分别如图10和图11所示。比较4个样品的三维重建图像，可以看出，宽场OCT能够很好地区分透明介质的三维细微结构。而且，由于实验中采用面阵CCD获得二维信息，无需机械横向扫描，因此大大地提高了系统的成像速度和稳定性。

图9 不同角度观察重建后样品2的效果图Fig.9 3D graphics of sample 2 from different angles

图10 不同角度观察重建后样品3的效果图Fig.10 3D graphics of sample 3 from different angles

图11 不同角度观察重建后样品4的效果图Fig.11 3D graphics of sample 4 from different angles

4 结论

宽场光学相干断层成像(WFOCT)能够提高OCT系统的扫描速率和实现高分辨率的三维显微技术，具有广泛的应用前景。本实验中编制了硬件接口程序和三维重建程序，采用八步移相法，在获得多幅断层图像的基础上，采用合适的算法，重建出了质量较高的样品外貌三维图像，表明WFOCT系统可以高效率地对反射率较高的透明介质进行深度探测和三维形貌探测。

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