扫频OCT系统k域相位数值补偿方法研究

2020-09-18彭世昌

杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2020年4期

陈浩，彭世昌，王玲,

(1.杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州 310018；2.浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室，浙江杭州 310018)

0 引言

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)技术[1]以其高分辨率、无损非接触以及实时三维成像的优势广泛应用于生物医学成像[2]、材料检测[3]等领域。800 nm，1 060 nm长穿透深度浅，长波长如1 310 nm，1 550 nm甚至1 700 nm的OCT成像系统应用范围更广。构建长波长的OCT系统，目前扫频OCT技术是主流选择。扫频OCT系统中扫频激光器输出光的波数k的时间非线性，会导致直接采集干涉信号的傅里叶变换展宽[4-5]，从而影响系统的轴向分辨率和信噪比，因此扫频OCT系统信号处理时实现等波数取样至为关键[6-7]。Xi J.F.等[8]采用傅里叶域锁模激光器实现了实时等波数取样，但是商用傅里叶域锁模激光器十分昂贵。目前扫频OCT系统多采用基于光栅/旋转多面镜的短腔扫频激光器。Wu T.等[9]采用光谱相位的直接波数域样条插值实现等波数取样，但是在进行三维实时成像时采集的数据量庞大，每条A-Scan信号进行样条插值所花费的时间严重影响三维实时成像的效果。并且目前商用扫频激光器基本内置马赫-曾德尔干涉仪产生K-clock信号以实现等波数取样，导致样条插值的方法不可用。短腔扫频激光器各个镜面的转轴、面型误差及镜面机械旋转抖动等因素引起激光器输出光谱信号的不稳定[10]，导致经过马赫-曾德尔干涉仪产生的K-clock取样并不十分理想，即k域的采样仍然存在非线性。

本文提出一种k域相位数值补偿方法用于扫频OCT系统k空间采样优化，以镀银平面镜为被测样品，通过平均k域不同成像深度处的原始解缠相位与线性拟合相位的相位差得到补偿数据进行K-clock取样不理想的补偿。

1 扫频OCT系统、相位获取及数值补偿方法

1.1 扫频OCT系统

扫频OCT系统如图1所示。光源采用Santec公司的高速扫频激光光源(型号HSL-20，中心波长为1 310 nm，扫频速率为50 kHz，平均输出功率为46 mW，扫频范围为107 nm)。光源输出光经过一个90/10的耦合器(Thorlabs，TW1300R2A1)一分为二，其中分光比为10%的光路作为参考臂，分光比为90%的光路作为样品臂。参考臂的光束经过延时线反射回光后接入50/50耦合器(Thorlabs，TW1300R5A2)的一个端口，再输入到平衡探测器的一个通道；样品臂的光束由环形器(Thorlabs，CIR-1310-50-APC)端口1进入，经过端口2输出到扫描探头(准直器、振镜x、镀银平面镜、振镜y、扫描物镜)，被样品散射回光后经过端口3接入50/50耦合器的另一个端口，再输入到平衡探测器的另一个通道。平衡探测器对两路信号进行共模拟制和差分放大后由采集卡(AlazarTech，ATS9350)采集存储。采集卡的触发信号和时钟信号由扫频光源提供，通过函数发生卡的同步信号与振镜控制信号同步，采集得到的干涉信号输入到电脑进行光谱整形、减去直流项、数值补偿之后进行FFT和图像重建得到被测样品的实时三维层析图像。

图1 扫频OCT系统示意图

1.2 相位获取

理想情况下，当参考臂与样品臂的光程差d一定时，经过K-clock取样得到的干涉信号的解缠相位ф应该与光源波数k严格线性相关，即

ф=2×d×k+φ0

(1)

式中，φ0为初始相位，实际情况总是存在一定的偏差。为了实际测试一定光程差下实际的干涉信号解缠相位，使用镀银平面镜作为样品，并且系统中各处的光纤均固定在光学平台上，防止光纤变形引起参考臂与样品臂光束偏振变化。调节延时线得到干涉信号，对干涉信号进行光谱整形，去直流项处理后再进行希尔伯特变换得到k域相位信息，通过相位解缠获得原始解缠相位ф1。由于扫频激光器内置马赫-曾德尔干涉仪产生K-clock取样，导致波数域样条插值方法不能使用。当被测样品为镀银平面镜时，直接线性拟合解缠相位得到的结果即为k空间均匀采样时理想相位ф。相位获取流程图如图2所示。图2中，(a)为经过采集卡得到的原始干涉光谱，(b)为经过汉宁窗整形并去除直流项后的干涉光谱，(c)为经过希尔伯特变换之后解缠得到的原始解缠相位及线性拟合相位，C1，C2，C3分别为矩形框放大显示。可以看出：原始解缠相位ф1与波数k基本成线性关系，但是与严格线性的拟合相位ф相比还存在偏差，主要是光栅/旋转多面镜型短腔扫频激光器的不稳定使得K-clock等波数取样不理想导致的，偏差的存在会导致系统轴向分辨率与信噪比降低，必须进行偏差的数值补偿。

图2 相位获取过程

1.3 数值补偿及结果

3.24 mm光程差处得到的干涉信号的原始解缠相位与线性拟合相位的相位差dф1与光源波数k的关系如图3(a)所示，图中曲线I为相位差dф1。可以看出：在扫频波数的起始和截止附近，原始解缠相位与理想相位差别较大。

由于该相位偏差导致干涉信号经过光谱整形、去直流项以及快速傅里叶转换(Fast Fourier Transformation，FFT)之后得到的点扩散函数(Point Spread Function，PSF)出现展宽，导致系统的轴向分辨率与信噪比降低，相位差随波数和强度随穿透深度的变化关系如图3(b)所示。图3(b)中，曲线I为原始解缠相位的干涉信号经过FFT之后得到的点扩散函数，其轴向分辨率为22.18 μm，信噪比为60.35 dB，明显差于经过线性拟合相位的点扩散函数(图中曲线III)的轴向分辨率11.88 μm，信噪比67.25 dB。经过线性拟合的信噪比增大率为11.4%。但是在进行实物样品测试时，光线对于样品有一定的穿透深度，各个深度处的解缠相位无法与平面镜一样实现线性拟合，因此提出一种数值补偿方法进行整体补偿。

图3 相位差与波数、强度与穿透深度的关系曲线

在获取数值补偿数据时，使用镀银平面镜作为被测样品，调节延时线使光程差位置为0.50 mm，1.48 mm，2.38 mm，3.24 mm，4.13 mm，5.02 mm采集6组数据，提取6组数据的原始解缠相位与线性拟合相位的相位差dф(zi)，将6组相位差数据进行平均，得到数值补偿数据dфcom如图4(a)所示。

使用数值补偿数据对图3(a)光程差位置进行数值补偿，补偿得到的相位为：

ф2=ф1-dфcom

(2)

式中，ф1为原始解缠相位，与线性拟合相位的相位差(图3(a)中曲线II)相比于dф1(图3(a)中曲线I)更接近0，说明经过数值补偿之后的干涉信号更接近等波数取样的理想状态。因此补偿之后的信号进行FFT得到的PSF如图3(b)中曲线II相比于原始解缠相位的PSF有明显优化。补偿之后轴向分辨率由22.18 μm优化到12.67 μm，与线性拟合的11.88 μm相差无几，并且信噪比由60.35 dB增大到63.79 dB，略差于线性拟合的67.25 dB，信噪比增大率为5.7%。

使用数值补偿数据对上述6组不同光程差处的干涉信号进行补偿得到优化的轴向分辨率如图4(b)所示。原始解缠相位的轴向分辨率(图中曲线I)在2.5 mm深度范围稳定在12.67 μm，随后急剧恶化在4.13 mm位置，最差为47.77 μm，说明随着成像深度加深原始解缠相位越来越偏离线性拟合相位。图4(b)中曲线III为线性拟合相位的轴向分辨率分布，在整个成像深度范围稳定在11.09～11.88 μm之间。经过数值补偿之后的轴向分辨率(图中曲线II)稳定在12.67～16.63 μm之间，由于数值补偿数据的平均性使得0.5 mm深度位置的轴向分辨率有所牺牲为15.84 μm，略差于原始解缠相位的12.67 μm。

经过数值补偿之后的信噪比增大率如图4(c)所示，数值补偿随着成像深度增加而逐渐增大，在4.13 mm位置达到最大7.4%，0.5 mm位置出现2.1%的负增长与轴向分辨率的牺牲一致。图4(c)中曲线III为线性拟合的信噪比增大率明显优于数值补偿，由此也说明实现等波数取样的重要性。

图4 补偿相位随波数、轴向分辨率和信噪比增大率随深度的变化关系

2 利用数值补偿数据进行OCT实物成像

接下来利用该方法进行盖玻片堆、3D打印支架等的成像测试。使用搭建的扫频OCT系统进行5层盖玻片的成像测试，每层盖玻片厚度0.18 mm，扫描范围10 mm。原始干涉数据为1 536×1 024像素，经过FFT之后插值得到图像尺寸为1 024×1 024像素。结果如图5所示，图5(a)和图5(b)两者灰度分布一致，图I和图II分别为矩形框a1与b1的放大显示。经过数值补偿之后每层盖玻片的分界面都比未补偿的要细锐，也更清晰，这是轴向分辨率、信噪比优化的效果。图5(b)中，矩形框b2中为第1层盖玻片下表面与第2层盖玻片上表面的分界处，364像素位置，成像深度2.13 mm，经过数值补偿之后第1层盖玻片下表面与第2层盖玻片上表面图像明显细锐清晰，相比于矩形框a2中未补偿的模糊不清有明显的优化效果，这是由于数值补偿之后信噪比增大使得图像对比度增强，与图4(c)中结果一致；数值补偿与未补偿的图像均能明显看见两片盖玻片之间的缝隙，这说明在该位置的轴向分辨率相差不大，与图4(b)中结果一致。随着成像深度增大如图(b)中矩形框b3，570像素位置，成像深度3.34 mm，数值补偿图像的最底层盖玻片与平台仍然可见明显清晰的分界面，这是轴向分辨率优化的结果，并且模糊膨胀的现象也比未补偿的图像好很多，这是信噪比优化的结果。总之，轴向分辨率及信噪比的优化共同优化了OCT系统的成像效果。

图5 未补偿和数值补偿的5层盖玻片OCT图像

使用搭建的OCT系统进行3D打印支架的成像测试，支架由杭州捷诺飞生物科技股份有限公司提供，支架尺寸10 mm×10 mm×3 mm，扫描范围10 mm。结果如图6所示，两者灰度分布一致，在800像素深度附近即图中椭圆框a1和b1处，进行补偿的结果比未进行补偿的结果明显细锐，由此可见数值补偿对轴向分辨率的优化效果。由于3D打印支架在深度方向没有更多的细节，相比于5层盖玻片的优化效果，数值补偿算法的优化效果不明显。