基于LED照明的谱域线扫描OCT的软件系统开发*

北京信息科技大学，光电测试技术及仪器教育部重点实验室 邓瑶瑶 马志明 周哲海

研究了基于LED照明的谱域线扫描OCT软件系统开发及数据处理的基本方法，包括OCT系统信号的提取方法、深度坐标的获取、色散补偿算法等，并基于LabVIEW图形化编程软件开发了与硬件结合的软件系统，给出了软件系统的GUI界面，与硬件系统结合，实现了电控平移台的控制、干涉图像采集、图像处理等基本操作功能，为开展OCT的实验研究及后续数据处理提供了支撑。

光学相干层析成像技术（Optical Coherence Tomography，简称OCT）是一种基于低相干光干涉原理，集光学，电子学，计算机和图像处理于一体的新型成像技术，在生物组织活体检测和成像方面体现出了巨大的应用价值。随着OCT技术的不断发展，OCT系统的硬件和软件系统整体性能都有了巨大的提升，特别是其中的数据处理算法和软件处理系统，是OCT技术不断发展的关键技术。

OCT技术不断发展的过程也伴随了OCT数据处理算法和软件处理系统不断发展。截止到目前为止，众多研究机构和公司都开发了一些高性能的软件处理系统。德国的蔡司和海德堡生产的OCT性能非常好，可以提供视网膜组织每一层的直接、实时轮廓。蔡司OCT的软件系统能准确测量视网膜结构的细微变化，并诊断青光眼、黄斑病变等影响和损害视网膜的各种疾病。海德堡OCT的扫描速度更快，图像质量更高，可以结合很多种不同眼底图像方式，从而可以获取更完整、精确的诊治判断数据信息。可用于黄斑区、视盘、脉络膜等组织的高分辨率断层扫描。结合软件部分可以实现准确定位诊治判断与后续观测作用功能，实时眼球追踪专业技术与ART实时叠加降低噪音专业技术能够高效保障自动扫描的确定性与自动成像的清楚度。美国Thorlabs Telesto系列SD-OCT成像系统具备高深度、高辨识率自动成像的特征，系统都附带ThorImage OCT高性能数据采集软件。这种基于Windows的64位软件具有数据采集、数据显示、扫描控制和处理选项。

中国的莫廷公司的OCT能快速获得患者的眼底断层图像，实时成像后立即显示给患者，并能立即输出，为提高眼科诊疗水平和随访水平，完善患者资料和治疗方案提供可信的信息。其软件系统提供有黄斑、视盘、眼前节三大类型扫描模式进行检查。其检查方法各不相同。在软件中，每一种扫描模式都有独特的图像采集模式与图像分析功能。利用它们各自不同的特性，操作员可以根据受检病例的病灶位置、眼科疾病类型等因素有针对性的选择相应的扫描模式进行检查。黄斑检查包括有黄斑直线、黄斑六线、黄斑区域等3种扫描模式，提取出所采集的图像的具体参数，与数据库进行对比，检测病例是否发生眼底黄斑病变。在视盘扫描中，有视盘扫描和黄斑区域青光眼扫描两种扫描模式，通过对眼部区域进行扫描，得出ILM-GCC层的厚度分布情况，从而分析青光眼患者的病变进展情况。

论文设计了一种基于LED照明的谱域线扫描OCT的软件系统，采用LabVIEW进行图形化编程，完成了与OCT硬件系统相结合的自动化控制、信号采集以及图像处理功能。

1 软件系统设计

图1给出了基于LED照明的线扫描频域OCT成像系统的结构示意图，主要包括干涉成像系统、光谱探测系统以及数据处理系统三个部分。具体来说，干涉成像系统采用迈克尔逊干涉仪结构，采用LED作为照明光源，LED光束经过一套透镜组被整形为线扫描光束，然后再经过一个分束镜被划分为两大组成部分，依次全部照射进入参照臂与样品臂，发生干涉，然后该干涉信号进入光谱探测系统中。光谱探测系统采用一种独特设计的光谱仪结构，光谱探测系统包括一个入射狭缝，干涉信号从入射狭缝照射全部进入系统，第一步通过一个凹面反射镜，将不相同波长的光束衍射到不同分布方向上，这些不同方向衍射的光束又被另外一个凹面反射镜会聚反射到探测器上。接下来，信号进入数据处理系统，探测器将获得的探测信号采集到计算机中，在计算机的数据处理系统中进行一系列的数据处理，最终可以获得OCT的成像数据。

图1 基于LED照明的线扫描频域OCT系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of FD-OCT system with line scanning and LED illumination

如图2所示，基于LED照明的谱域线扫描OCT系统的数据处理过程可以分为三步：第一步，面阵CMOS采集到干涉信号。第二步，根据CMOS不同像素的波长信息，将干涉后的光谱信号投射至波数空间中，并且在波数空间中对光谱信号进行二次采样，由此可以获得k空间上均匀采样的干涉光谱数据。第三步，对沿k方向快速傅里叶变换后的干涉光谱数据进行处理得到样品的截面结构信息。因此，设计的数据处理系统运行流程为：(1)在运行程序前，用户能根据不同的样本和不同的扫描需求，可设置电控平移台和面阵CMOS相机的序列号及相关参数，以及保存原始实验数据的路径。(2)用户能直接观察面阵CMOS相机采集的原始光谱，实时调整电控平移台的移动步长，直到扫描达到理想状态。(3)使用层析重新构建运算方法获取样品的层析组成结构，并且把图像数据信息交换后自动显示在应用程序的前控制面板上。

图2 基本数据处理过程Fig.2 Basic data processing

数据处理系统的总体流程图如图3所示，详细流程如下：

(1)系统初始化。输入电控平移台以及面阵CMOS相机的序列号及相关参数，同时将电控平移台的移动步长等初始化以及面阵CMOS相机的有关缓存等初始处理化。因为系统正处在调试的探究时期，要求调CMOS相机与电子控制平行移动台的系数，并且参考依据样品反射光线信号的作用强度调曝光时间，以获取作用强度最高的光谱干预条纹，进而保障最优等的自动成像质量。

(2)样品自动扫描。移动电控平移台的具体位置，把光束全面聚焦到样品合适具体位置。在软件系统界面上观察移动步长，同时观察面阵CMOS相机所采集到的原始光谱图，根据需要不断调整电控平移台移动的步长等参数，以获取最优 情况下的图像。

(3)数据信息采集。电脑计算机操作控制的面阵CMOS相机自动接收干涉条纹，把图像数据信息交换为作用强度数据信息，并且展开后续全面处理。因为体系应用的是面阵CMOS相机，光谱条纹可以在不修改调配照相机实际高度的时候，照射到单行图片像素上。它仅仅需要参考依据光谱条纹在面阵相机控制面板上的具体位置选用要截取的图片像素行数，充分节约了体系测试时间与修改调配复杂度。

(4)数据信息处理与自动显示。使用层析重新构建运算方法获取样品的层析组成结构，并且把图像数据信息交换后自动显示在应用程序的前控制面板上。考虑到计算机的实际运算能力以及硬件条件，同时考虑到频域OCT的图像重建算法涉及大量的数学计算，在此基础上，将过多的重建算法集成到实时数据显示程序中会影响系统的成像速度，增加硬件负担。因此，在Labview上实现的只有将干涉图和一维深度图集成在软件中。

(5)数据储存。扫描样品的干涉条纹图和样品层析结构图储存在指定位置。在后续的图像质量改进算法研究中，将样品的干涉条纹原始数据储存起床，供进一步的实验和测试使用，并在完成多个图像质量算法实验后，将其添加到Labview程序中。

2 软件系统开发

OCT数据处理系统采用Labview软件进行开发。Labview是一种典型的图形编写程序语言（G语言）以及一种工业标准的图形开发环境，是美国NI公司的改革创新操作应用软件产品。LED照明的谱域线扫描OCT的软件系统界面设计如图3所示。GUI界面设计包括三个模块：电控平移台的控制、干涉图像采集、图像处理。

电控平移台的控制模块如图3(a)所示，通过控制平移台的移动，使得平移台上的样品移动到合适的位置，在这个位置上，样品臂反射回来的光束，刚好可以与参考臂反射回来的光束形成干涉图像，在这部分模块的显示控件实时显示电压值和步进的距离。根据Thorlabs公司提供的供用户二次开发的程序进行编写，采用LabVIEW DAQmx模块，包括NI公司相应的硬件驱动软件，为用户提供一系列函数进行调用。在程序中直接调用该模块的函数以达到想要的效果。干涉图像采集模块如图3(b)所示，通过USB接口，面阵CMOS相机把采集到的干涉图像传送至上位机，上位机运行LabVIEW NI-IMAQ采集程序对图像进行读取。NI-IMAQ包含了关于数据采集卡配置和控制信息的程序库。该功能易于上手，并提供最大的灵活性和可操作性。此外，NIIMAQ还提供了一些常见的图片采集方法，从简单的设备初始化到先进的高速图像采集等方法，为开发人员设计先进的图像采集程序提供了强大的平台。在这部分模块实现对面阵CMOS相机的控制以及干涉图像的采集与保存。图像处理模块如图3(c)所示,基于LED照明的谱域线扫描OCT系统中，由于面阵CMOS相机采集到的原始光谱除样本信息外还包括一些无用的噪声信号。图片滤波主要滤除噪声信号，提取样本的散射信息。

图3 光学相干层析成像系统GUI界面设计，其中，a部分为电控平移台的控制模块，b部分为干涉图像的采集模块，c部分为图像处理模块Fig.3 GUI interface design for OCT system, where section a is control module of electronically controlled translation table,section b is data acquisition module of interference images,and section c is image processing module

波数空间插值完成后，对数据进行傅里叶逆变换。LabVIEW视觉开发模块提供了图像傅里叶变换和逆变换的子VI，使图像傅里叶变换的操作方便便捷。将图像转换为数组形式利用FFT函数进行傅里叶逆变换，再将变换后的数组转换成图像形式。

3 结论及分析

提出了一种基于LED照明的谱域线扫描OCT软件系统设计方案和数据处理系统的实现方案，采用程序流程图的方式对软件进行整体设计，并给出了系统控制模块、图像采集、图像处理模块与算法的程序设计思路，完成了GUI界面设计，并对设计的GUI界面设计思路进行讲解与分析，为接下来的实验测试和数据处理提供了支撑。