光学相干层析技术的图像信息处理毕业论文(编辑修改稿)

光学相干层析技术的图像信息处理毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

纵向扫描在参考 光和信号光之间引入频率差，形成中频光拍信号而被探测器所响应。 而样品臂各深度的反射光信号与参考光相干形成的干涉信号，被调制到这个中频载波信号上，通过调解恢复原始的干涉信号强度，因而得到 生物组织纵深各点 扫描的轮廓。 采用外差探测，探测的是干涉信号，其光强幅度 m a x 2s r s rI K A A K P P () 式中 Ps 和 Pr 分别表示信号光和参考光的功率，对于直接探测方式，系统探测的信号为 ssI K P。 它们的信号转换功率增益为 2m a x( ) 4 rssI PGIP () 通常情况下 rsPP ， G 可高达 7810 ~10。 因此外差探测与直接探测相比有更高的探测灵敏度。 同时，系统中的干涉信号是频率为调频差的交流信号，能够有效的放大信号，进一步提高信噪比；在光外差探测法中，光探测器差频输出的振 幅、频率、相位都随信号光的振幅、频率、相位而变光学相干层析技术的图像信息处理 10 化，光学外差探测法可获得光信号更加丰富的信息；光学外差探测系统能有效的滤除杂散背景光，因此光外差探测法具有良好的滤波性能等优点 [13]。 OCT 系统的光源选择 在 OCT 系统中，光源的选择 是非常重要的，因为它决定了系统的性能参数，例如系统的纵向分辨率。 OCT 系统光源的选择主要从波长、带宽、功率、 稳定性等几个方面考虑。 对于大多数的 OCT 系统而言，光源的选取主要是基于以下三个方面的要求 [14]：⑴光源的辐射波长要求在近红外区；⑵光源具有较短的相干长度；⑶光源具 有较高的辐射功率。 光源的辐射波长 要求 在近红外区主要是由成像 生物组织的吸收和散射特性决定的。 在医学检测领域，探测深度是非常重要的一个参数， OCT 系统的成像穿透深度主要取决于辐射光波的波长和光源能量。 对于生物组织特别是对 于软组织来说，吸收系数和散射系数随着波长的增加而减少。 因此，近 红外区的光在生物组织中的散射和吸收系数较小，使入射 光 尽可能进入生物组织 纵深 内部，使得干涉信号较强， 保证系统具有足够的成像深度和较大的对比度。 另一方面，考虑到样品光经样品散射后非常微弱， 还必须尽可能的减少光在光纤传输中的损耗 ，我们选用 中心波长为 1550nm 的光源，这个波段的传输窗口是现代 光纤 通信领域的三个传输窗口之一 [15]，符合现代发展趋势，而且对生物组织几乎没有损伤。 光源需要短的相干长度，这实际上是由光源的时间相干函数和纵向点扩散函数之间的关系决定的。 光源的时间相关性决定了 OCT 技术的纵向分辨率 ，光源的相干长度反比于光源光谱带宽，可以表示为： 光学相干层析技术的图像信息处理 11 20c cl c t v      () 其中 cl 为相干长度 ， c 为光速， t 为相干时间， t a v   ，比例系数 a 与谱型有关，  为光源中心波长， v 和  分别为光源的频宽和谱宽半峰全宽（简称 FWHM）。 OCT 系统的纵向分辨率 [16]可表示为： 22 l n 2 2 l n 2cLl      () 上式中 cl 表示相干长度， 因此，光源的光谱带宽直接影响 OCT 系统的纵向分辨率。 一般而言，光源光谱带宽 越宽 ， OCT 系统的分辨 率和对比度就越好。 同时，为了获得更好的分辨率和对比度，还必须 注意 对样品臂和参考臂 光学色散的匹配 ， 以及 对 生物组织内部散射而引起的聚焦光束的色差给予补偿。 除了光源的宽带以外，光源光谱形状以及光谱的平滑程度，也是影响 OCT 成像的至关重要的因素，它们不仅影响着系统的分辨率，也对系统的动态范围有一定的影响，不平滑的光谱会引 起自相关函数的旁瓣，这些旁瓣不能通过带通滤波去掉，会降低图像的对比度 [17]。 探测生物组织内部弱散射光信号的必备条件是光源具有较高的辐 射能量，高的辐射功率可以 带来更宽的动态范围和更高的图像获取 灵敏度。 由于干涉信号 光电流 与物体反射回来的光功率的平方根成正比，这样伴随着光源光功率的增加，系统能够获得更多的来自生物组织内部的后向散射光，也就可以获得更好的层析图像。 然而，对于 OCT 系统而言，光源的辐射功率并非一定是越高越好，因为对于生物组织 成像，光源的光功率要受到成像对象所能承受的最大光功率的限制。 并且功率过高的 光源会带来额外的噪声。 因此，在实际应用中，应当在成像灵敏度和成像最大光功率限制之光学相干层析技术的图像信息处理 12 间折中考虑。 目前，超辐射 发光二极管，即 SLD 光源，是使用最为普遍的一类宽带光源，它的辐射发光是由自发放大辐射引起的，具有较低的时间相干性和较高的空间相干性，同时它具有较高的辐射功率，价格又比较适中，有很高的性价比，但是它的输出功率较低。 自发辐射放大光源以及高功率、宽光谱带宽的飞秒激光器也可以作为 OCT 光源。 OCT 系统 的性能评价参数 评价 OCT 系统性能的参数主要包括分辨率、成像深度、成像速度、 成像对比度 以及动态范围和信 噪比 ，下面 对几个参数进行逐一分析 [18]。 分辨率 ：分辨率是衡量图像细节表现力的一个技术参数，它影响着生成 图像的质量和使用性能，如果图像扫描 分辨率过低，会导致输出图像的效果非常模糊。 在 OCT 系统中，我们要探测生物组织的样品信息，最好生成 的图像要保持一定的清晰度，因此对分辨率的要求较高。 在 OCT 系统中，低相干光源的带宽决定了系统的轴向分辨率，系统横向分辨率则由成像探头的聚焦光斑决定。 成像深度 ：在 OCT 系统中，我们对所要探测的样品组织要有一定成像深度的要求，由于 OCT 技术的 领域主要是用于探测活体组织，例如 眼球 ，由于眼球是透明组织，选取合适的波长，其成像深度可以达到 2cm， 而对于皮肤等高散射性组织，其成像深度可以达到 2~3mm[19]。 成像速度 ： OCT 系统的成像速度 主要取决于扫描装置的纵向扫描速度，扫描速度越快，成像速度就越高。 由于 OCT 系统探测的生物组织大部分是光学相干层析技术的图像信息处理 13 活体组织，因而对成像速度要求很高，如果成像速度不够快 就会 因为活体组织的蠕动 影响图像的分辨率。 成像对比度 ：对比度指的是一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量，差异范围越大代表对比度越大，目前，增加图像对比度对获取组织的功能信息参数起 着越来越重要的作用。 提高成像的对比度主要是从后续的图像信息处理着手。 动态范围 ：可探测的动态范围（ Dynamic Range， DR）也是表征 OCT性能的一个主要参数。 因为 OCT 的主要用途是用来对生物组织，以及人体的医学病理进行测量，因此，对于强散射的样品如皮肤组织来说，要求 OCT系统必须有很高的动态测量范围，这样才能满足生物样品的成像要求 [20]。 如果 OCT 系统的灵敏度是令 SNR=1 时信号光对应 的反射率 sR ， 即系统最小可探测 量 minsR [21]。 由于 Rs 最大 值是 1，系统的动态范围可表示为 sR 的最大值与最小可探测量 minsR 的比值。 对于理论分析模型，动态范围 DR[22]为： 2 2 22 2 2 2 221[ ( ) 2 ( ) ]x r x r r ePDRB R R P e R R Pv         () 由于探测器后续信号处理电路的附加噪声较大，系统的动态范围随参考臂的反射率单调递增。 信噪比 ：信 噪比是表征系统获得高质量图像的能力，与成像速度相互制约，提高信噪比 就意味着降低成像速 度。 通常通过采用基于光栅的快扫描延迟线，将延迟线的群速度和相速度分开独立控制，以改善信噪比和成像速度的关系。 一般情 况下，一个系统的信噪比近似地与入射光功率成正光学相干层析技术的图像信息处理 14 比，与系统的带宽成反 比 [23,24]。 但是，光学相干层析系统中低相干光源引发的额外噪声的影响，随着入射到样品表面的光功率的增大，系统的信噪比会趋于某一个极限值。 在图像处理中，通常用峰值信噪比（ peak signal to noise ratio, PSNR）来评价图像质量 [5]，其计算公式 225510 log( )PSNR M SE () 其中 MSE（ mean square error）是原图像与处理图像的均方误差，如下式表示： 1 ()F ram e siz e nnnIPM SE Fra m e si ze  () 以上几个参数在搭建 OCT 系统时非常重要，分辨率、信噪比决定了整个系统的优劣，成像速度与成像深度决定了 OCT 技术的推广和延伸。 但是这些参数 并不能同时满足要求， 有些甚至相互制约， 因此，在搭建系统之前要衡量系统的技 术参数，看实验中所搭建的系统是否满足要求 ，需要不断调试系统，使之满足成像要求。 光学相干层析技术的图像信息处理 15 3. OCT 图像 去噪 在 OCT 系统中由于组织的高散射性、扫描和光电检测的非线性、光源和电路的量子干扰，系统中存在着多种噪声，使得图像失真、分辨率下降，影响了成像的清晰度。 此外，信号光随光程差分布曲线在非等光程点，会出现相干信号峰，得到的 OCT 图像具有明显的边峰 效应，造成图像的模糊，使得 很难观察组织的结构细节并判断其穿透深度，从而无法做出正确的医学判断。 为了提高 OCT 系统的成像质量，必须通过硬件或软件的方法消除噪声的影响。 本章将介绍 OCT 系统中存在的各种噪声以及常用的消除 OCT噪声的方法 [25~28]。 OCT 系统的噪声分析 OCT 成像过程中，由于系统中存在各种噪声干扰，使光电流的变化出现异常，而图像的灰度与弱相干光对应的电信号成比例，因此光电流的异常造成图像清晰度变差。 影响成像质量的噪声种类很多，主要有散斑、扫描噪声、探测器噪声、光源的噪声和电路的噪声等。 噪声的来源为 生物 组织、扫描机构、光源和电路等。 扫描噪声 扫描噪声是由参考臂中时间延迟线的运动而引起的。 OCT 系统参考臂大多数采用机械扫描，也有采用压电陶瓷完成纵向扫描的。 机械扫描过程可能对图像产生下列影响：①扫描器的速度较慢，致使在采集活体图像时产生运动模糊；②纵向扫描速度不均匀导致的采样点抖动；③同步位置传光学相干层析技术的图像信息处理 16 感器受干扰或重复性差导致的扫描错位。 扫描器在深度方向扫描时，由于多普勒效应将信号调制到中心频率 0f处，多普勒频移为 2Dfv ，避开了直流分量和低频噪声的干扰。 但是 在产生调制的同时，它还在深度方向上起扫描作用，因此它运动的快慢将影响信号的带宽。 信号带宽由扫描速度决定，带通滤波器带宽的选择既要保证系统具有较高的分辨率，又要具有很高的灵敏度，最佳带宽为24 cf v L   ，为了不丧失深度方向的分辨率，既要区分深度方向上相距cL 的两个峰， 也要使系统的带宽 大于信号带宽。 若扫描速度不稳，就会引起多普勒频移改变、 信号频带中心频率偏移，这样使图像信号受到干扰，图像出现噪声。 一旦频带偏移超出滤波器的 带宽，频带受损，中心频率 偏离带宽中心，超出带宽的信号就会被滤除，则信号强度减弱，图像的列中突然变亮或变暗，在行上表现出亮线或暗线。 扫描噪声与 OCT 系统结构有关， 通过精心调整系统，保证参考光程 的 线性变化，在很大程度上 能 消除扫描噪声 ； 另外也可采取后续图像处理算法，来提高图像的信 噪 比。