利用相位差分技术改善光学相干层析图像质量

刘少杰, 吴泳波,2,3, 唐志列,2,3*

(1.华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006； 2.广东省量子调控工程与材料重点实验室，广州 510006； 3.广东省光电检测仪器工程技术研究中心，广州 510006)



利用相位差分技术改善光学相干层析图像质量

刘少杰1, 吴泳波1,2,3, 唐志列1,2,3*

(1.华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006； 2.广东省量子调控工程与材料重点实验室，广州 510006； 3.广东省光电检测仪器工程技术研究中心，广州 510006)

摘要：针对光学相干层析成像(OCT)信号中的各种噪声项的干扰和微弱散射信号提取的困难，提出基于相位差分的光学相干层析成像(PD-OCT). 首先利用相干参考臂中的纳米微调平台作为相位调制器获得相位调制参考光，然后光结合振镜扫描技术和CCD光谱采集的光谱相干层析技术(SDOCT)，实现光学相干层析的相位差分成像.结果表明：相位差分技术可以准确实现“青鳉鱼”样品光学相干层析中的相位差分成像，弱散射信号增强3.37 dB,信噪比(SNR)增强5.8 dB，获得成像物体高信噪比的弱散射信号.

关键词：光学层析成像； 相位差分技术； 信噪比; 图像质量改善

频域光学相干层析成像SD-OCT高速、高空间分辨率的成像模式在细胞、组织成像领域中发挥非常重要的作用[1-3].OCT利用样品组织的后向散射光进行相干断层成像，由于系统中各种噪声的存在，造成图像失真，对比度及清晰度变差，必要采取降噪措施，应用降噪硬件法诸如空域合成法和频率合成法等技术[4-6]，数字信号处理方法诸如中值滤波[7]、自适应维纳滤波[8]、各向异性扩散、小波阈值滤波算法[9]等. 这些硬件及算法降噪方法在某些特定的噪声或样品中效果明显，但是对于低后向散射系数的高透明度组织或需要精确测量样品较大深度处的散射系数，由于后向散射回光微弱，无法在图像信号处理时将信号从模式噪声和自相干噪声等噪声中有效地提取[10-11].

本文利用多普勒频移的参考光相位调制技术[12]和平衡差分原理的相位差分光学相干层析成像[13]，提高图像的信噪比，提取弱散射信号.该成像技术利用相位调制中光谱相位变化，在相同的样品后向散射系数和相同探测光强的情况下，相位差分理论上的信号强度相比单端输出提高了2倍，还能够有效抑制信号中的直流噪声、自相干噪声以及模式噪声，是一种能获得组织样品弱散射信号增强的新方法.

1光学相干层析相位差分原理

多相位光学相干层析系统(图1)由低相干光源(超发光二级管)、分光镜、可调制参考臂、样品臂和光谱采集组成.

图1　多相位光学相干层析成像原理

Figure 1Schematic diagram of multi-phase optical coherence tomography

仅考虑样品的1个弱散射粒子在理想情况的相干光谱I(k)，可以表示为：

(1)

式中，S(k)为光源光谱；ER为参考臂回光振幅；AS为该弱散射粒子的后向散射光振幅；φ0为参考臂初始相位.第1项为直流项，第2项为干涉项.

不同相位的光谱I1和I2可表示为：

(2)

(3)

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

(4)

多相位相干层析中的噪声分为3部分：光源光谱的直流项、样品不同层面回光引起的自相干项、CCD各像素点感光强度微小差别带来的模式噪声.由式(4)可知，相位差分消除干涉光谱的直流噪声，同时使干涉项强度变为2倍；由各个像素点的差别引起CCD模式噪声，是k空间固定噪声中的高频成份；样品的自相干噪声对某些样品(如盖玻片等)影响很大.相位差分信号通过2路对称信号相减得到，这2路信号都带有相同的模式噪声和样品自相干噪声，因此差分运算对样品自相干噪声和模式噪声具有抑制作用[12].

因此，要实现相位差分成像，必须同时满足下列2个条件：(1)差分输入的2个信号必须满足仅改变φ0而其他参数不变；(2)信号采集必须与相位调制严格同步，以确保单次采集中Δφ不变[13]1911.另外，当Δφ为π时差分信号干涉条纹衬比度最好. 为了实现相位差为π的2路光谱的差分，利用纳米位移平台的相位调制技术和触发采集控制技术，实现了参考光的相位调制，获得2路相位差为π的相干光谱.

如图2所示，系统的工作时序图从上至下的5个信号分别为振镜x方向扫描电压、振镜y方向扫描电压、相位调制器前向运动、相位调制器后向运动、图像采集卡工作触发信号.为了实现参考光相位调制及图像质量，需要确保图像采集过程中相位的稳定性，以避免在同一幅图像中不同A-scan位置信号对比度不同，要求微位移精度高于15 nm；改变微位移量直至观察到单一反射镜样品的反相信号，以确保相位移动量为π.

① x方向扫描； ② y方向扫描；③、④相位移动； ⑤数据采集

图3A是相位差为π的2条相干光谱I1和I2；图3B是2条光谱的差分信号；图3C和图3D分别是传统的和相位差分后的相干层析信号.相干光谱受相位调制器调制后，产生了π的相位移动，与其他相位调制方法得到的光谱一样[14-15]，光谱频率不变，仅相位不同，当做相位差分后，光谱信号峰的峰值(图3B与图3A相比)增强了约1倍，图3C和图3D中的相干信号强度从2.7增强到5.1，增强了散射样品的干涉信号.原光源光谱的直流项非常明显，相位差分后该直流分量已经完全消除.

2实验部分

根据组织散射吸收理论，本实验使用Denselight公司的DL-BX9-CS3307A型号宽带光源，中心波长1 322 nm，带宽85 nm，输出功率10 mW.光谱采集选择SU1024-LDp型号线阵CCD，其最高线速度91 kHz、像素尺寸25 μm、1 024像素、线性响应的波长范围950～1 650 nm.选用Wasatch Photonics公司的1004-2型分光光栅，线密度为1 145 线/mm.数据采集卡是美国国家仪器公司(National Instrument)的PCI-6713 DAQ型同步数据采集卡，采用Thorlabs

图3相位差分信号分析图

Figure 3Phase-differential signal analysis

公司的GVS002-2D型号高速扫描振镜.采用PI公司M-110.1DG纳米位移平台实现相位调制功能.

本装置采用光纤干涉(图4)，宽带光经过光纤耦合器分为2束，参考臂准直聚焦经过相位调制器回光，样品臂准直后经过高速二维扫描振镜进行光束二维扫描，由胶合平凸透镜聚焦到样品中，回光携带样品后向散射系数的深度分布信息，2束光返回光纤耦合器发生干涉，进入由扩束准直透镜组、透射式光栅、聚焦透镜和线阵CCD组成的光谱采集系统.利用同步数据采集卡确保扫描振镜、相位调制器

图4　多相位光学相干层析系统结构

Figure 4Structure of phase differential optical coherence tomography system

和线阵CCD图像采集卡三者的同步性，采集得到同一样品纵切面位置2幅相位差为π的光谱，进而得到差分光谱，通过计算机算法重建出样品相位差分的散射系数三维空间分布图像.

3结果与讨论

采用的物镜为焦距50 mm的双胶合平凸透镜，以青鳉鱼(Oryziasminutillus)在体鱼眼作为成像样品，宽带红外光源输出功率为10 mW，到达样品处的功率小于3 mW，不会对生物样品造成损伤，CCD的工作采样率为30 000线/s，像素曝光时间为16.7 μs，完成1幅100×1 000×1 024像素的双相位光谱相干层析成像的扫描时间只需3.3 s.对样品进行双相位光谱采集，图像重建过程中，取单相位光谱和双相位差分光谱分别进行傅里叶变换得到光学相干层析成像(图5).

图5A、C表明，a处为OCT的直流噪声，利用减参考光的方法难以完全消除，而相位差分技术可以较好地消除该噪声；c和d处为青鳉鱼眼的晶状体等结构，是样品中后向散射较弱的区域，利用相位差分技术能较好地提取；e处周围的带状亮线是固定不变的模式噪声，在图5C中被很好地消除.因此相位差分技术有利于弱信号的提取和噪声的抑制.在样品中同一纵剖线的A-scan方向信号(图5B、D)对比可知，原本信号强度与背景噪声相当的c处信号强度为3.21，经过相位差分处理， c处信号强度增强为4.33，由于信号强度经过以2为底的对数函数处理压缩动态范围，该处的信号强度经过相位差分增强3.37 dB.同时噪声信号也被抑制，在c处，普通OCT成像的信噪比为4.5 dB，双相位差分OCT成像信噪比为10.3 dB，信噪比增强了5.8 dB.

因此，利用参考光相位调制技术和光学层析成像技术相结合，可以准确实现光学相干层析成像的相位差分成像，突出了样品中原本混杂在噪声中几乎不可分辨的弱散射信号(图6).同时消除了直流噪声，效果好于之前常用的消除直流分量的方法(减参考光法和减平均光谱法).另外，对于来自样品光的噪声和来自系统本身的噪声，例如样品光自相干噪声和CCD模式噪声等，有很好的抑制作用，提高了成像质量.

图5　鱼眼光学相干层析成像(横截面)

图6　鱼眼双相位成像3D重建

4结论

采用纳米位移平台实现相干光谱的相位调制技术，结合光学层析成像技术和相位调制技术获得2帧相位差为π的相干光谱，然后利用相干光谱的差分计算和重建实现相位差分光学相干层析成像.这种相位差分技术有利于光学相干层析降低自相干、模式噪声和直流噪声、增强散射信号，弱散射信号增强3.37 dB，图像信噪比改善5.8 dB，从而实现弱散射样品的相干层析成像.

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【中文责编：谭春林英文责编：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

中图分类号：Q631

文献标志码：A

文章编号:1000-5463(2016)01-0019-05

*通讯作者:唐志列，教授，Email：tangzhl@scnu.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金项目(61178086)；广东省自然科学基金重点项目(S2013020012810)；华南师范大学研究生科研创新基金项目(2015lkxm36)

收稿日期：2015-06-10《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n