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1、暨南大学本科毕业设计光学相干层析技术的图像信息处理【摘要】光学相干层析技术(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年来继共焦扫描显微镜之后发展起来的光学成像技术，它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对弱相干光的背向散射信号，通过扫描可得到生物组织的二维或三维图像。由于OCT系统探测方法的特性以及被探测生物组织本身的高散射性，使得OCT图像存在各种噪声以及对比度低等特点，而OCT检测最终是通过图像信息进行诊断，因此提高OCT的成像质量非常重要。本文主要对OCT图像处理做研究，具有实际的应用价值。本论文在现有实验室OCT系统的基础上，从图像处
2、理的角度，结合国内外研究现状，讨论了OCT技术的基本原理和图像处理技术，从图像的噪声着手，研究了减小图像噪声的算法。小波变换在图像去噪中具有很好的效果，随着近几年的发展，双树复小波被广泛的应用于图像去噪。双树复小波具有移不变性、多维取向、更小的冗余度，可以保持图像的相位信息不受损坏。本论文讨论了双树复小波变换，并利用此算法消除噪声，大大改善了图像的质量，可以基本满足对OCT图像初步分析判断。但是此算法不能有效的保护图像的边缘特征，需要进一步改进。【关键词】光学相干层析技术；图像处理；去除噪声；双树复小波变换 The Image Processing Techniques in Optical
3、Coherence TomographyAbstract: Optical Coherence Tomography is a new developing optical image technique following the confocal scanning microscopy. It uses weak coherent basic principle of the interferometer to detect the feeble coherent light back-scattered from the different depths of biological ti
4、ssue, and then the two or three-dimensional tomographic image can be obtained by the scanning. Owing to the weak inherent nature of the imaging system and the detection method, OCT system suffers from different noises which degrade the quality of the images. The OCT diagnosis is finally realized fro
5、m the image information, therefore, there is a great significance in improving the quality of the image.Based on the experimental OCT system in our laboratory, the OCT image processing techniques are discussed in the thesis. With the discussion of the available image processing techniques and theori
6、es, the noise reduction and contrast enhancement methods have been proposed. Wavelet transform has a good effect on image denoising, with the development in recent years, double-tree complex wavelet transform(DTCWT) is widely used in image denoising. Double-tree complex wavelet transform possesses s
7、hift invariant, multi-dimensional approach, smaller redundancy and phase information preserving without image damage. The principle of the DTCWT algorithm is discussed and the validity of the algorithm is verified by the experiments. The algorithm of the DTCWT, however, can not effectively protect t
8、he image edge features, should be further improved.Keywords: Optical Coherence Tomography(OCT); image processing; noise reduction; double-tree complex wavelet transformation目 录1. 绪论11.1 OCT技术的国内外研究现状与发展趋势11.2 OCT图像信息处理技术的研究意义与现状31.3 本文的主要工作42. 光学相干层析技术62.1 OCT技术的基本原理62.2 外差探测技术72.3 OCT系统的光源选择102.4 O
9、CT系统的性能评价参数123. OCT图像的去噪153.1 OCT系统的噪声分析153.1.1 扫描噪声153.1.2 探测器噪声163.1.3 散斑噪声173.2 OCT图像去噪的算法及实现183.2.1 空间域滤波法193.2.2 变换域滤波203.2.3 OCT图像处理实验23结论25致谢26参考文献271. 绪论OCT作为一种可靠的活体组织层析成像方法，它可以对活体组织内部微结构产生高分辨率层析图像，是继X射线CT、MRI、超声诊断技术之后的又一种新的医学层析成像方法，它集半导体激光技术、光学技术、超灵敏探测技术和计算机图像处理技术于一身，能够对人体、生物体进行无伤害的活体组织检测诊断
10、，可获得生物组织内部微结构的高分辨截面图像。1.1 OCT技术的国内外研究现状与发展趋势光学相干层析技术这个概念是由美国麻省理工学院的Huang D在1991年首次提出，并成功使用光学相干层析系统对人眼视网膜和冠状动脉壁中的显微结构进行断层成像1。1993年，演示了人类视网膜的活体光学相干层析成像。1995年，开始眼科的临床研究。在此后的几十年间，国际上在实验工作方面，已经能获得层析成像达微米量级的空间分辨率，而且也给出了前所未有的动态时间分辨图像。目前国际上光学相干层析成像研究非常活跃，正朝着功能化和信息特异性方向发展。通过不断的努力，各种功能OCT技术也相继诞生。将多普勒技术与光学相干层析
11、技术结合，可提供生物组织内部高分辨血管分布和血流速度分布图像。Chen小组2基于相位分离技术，成功地将多普勒光学相干层析成像应用于鲜红斑痣的激光治疗、药物对血流的影响、大脑血流分布，以及微流体芯片中流体动态测量等诸多研究中。偏振光学相干层析成像利用光的矢量特性探测生物组织内部的双折射分布信息。为克服自由空间系统应光学相干层析技术的图像信息处理用的局限性，Johannes de Boer小组3开创了基于单模光纤的偏振光学相干层析成像研究。光谱光学相干层析成像依据生物组织不同成分对光谱成分与散射特性的差异来构筑光谱层析图像4。2007年，MIT的研究人员开发了一种新的激光技术用于OCT层析成像，他
12、们对眼睛视网膜扫描，以生成时间小于1秒的高速扫描获得高分辨率视网膜三维图像。这种技术在纵向扫描的基础上通过横向扫描图像合成，克服了传统OCT图像受成像速度和无意识的运动如眨眼等因素限制的影响。但是，由于患者通常维持不眨眼的时间一般为一秒钟，因此获得三维扫描数据的总量仍然有限5。慕尼黑大学的Robert Huber以及MIT的研究人员进行的视网膜扫描，可达到每秒钟23.6万行，比之前所用的OCT技术提高了十倍6。鉴于光学相干层析成像技术的诸多优势及其在生物医学领域的重要应用，国内也积极地开展研究。国内首台OCT装置由清华大学研制成功，并利用这台装置获得了清晰的生物样品OCT图像7。清华大学物理系
13、早在1994年就开始研究OCT技术，在学校和科学基金的资助下，研制成我国第一台OCT装置，并对兔眼、植物组织、血管等样品做了实验，取得了成功。国内其它单位研究OCT技术的工作有：华中科技大学OCT实验室对OCT轴向图像的形成机理及传递函数进行了剖析；中科院上海光机所在共焦扫描成像理论研究的基础上对OCT进行了实验研究；南开大学光电子中心对1300nm的光学层析成像与生物组织折射率进行了研究；天津大学建立了OCT系统，利用蒙卡进行了模拟OCT图像方面的研究8。1.2 OCT图像信息处理技术的研究意义与现状与传统医学影像技术相比较，OCT技术具有纵深方向图像分辨率高（115mm），可对生物组织无接
14、触、无损伤、高动态范围（100dB）实时探测成像，且操作简单、便携、易于与内窥镜结合等优点，因此在眼科、皮肤科、牙科、胃肠以及心血管等生物医疗检测领域中具有巨大的应用潜力。生物医学影像是辅助医生诊断疾病的重要工具之一，其最终的图像质量将真正决定该技术的实用价值。由于生物组织本身的特点以及OCT技术内在的一些特点，使得OCT图像存在噪声等影响成像质量的问题。提高OCT成像质量可以分为两个主要工作：一是对成像系统设备的改进，比如采用宽带光源、高信噪比的光电探测设备以及线性扫描装置等；其次是成像后对数字信号或数字图像的后续处理。但是，从硬件考虑的话，在一定程度上会增加整个系统的成本，而且也不能达到最
15、优效果。在实际光学相干层析系统中，光源、光电检测电路、扫描振镜等硬件会不可避免带来噪声，高散射生物组织本身的吸收和散射使得OCT图像中主要存在散斑等噪声以及图像对比度下降，因此改善图像质量，提高OCT图像可读性，即用图像处理方法对图像进行预处理成为OCT技术研究的一个重要方向。OCT图像的去噪一直是OCT技术图像处理的主要研究内容。1997年S. H. Xiang报道了专门针对OCT图像中的散斑去除的非线性小波软阈值方法9，之后图像处理方法被广泛用于噪声的去除，其中主要是设计各种滤波器，包括在时域中的滤波器和变换域中的滤波器，有均值滤波器、中值滤波器、低通滤波器、维纳滤波器等。由于噪声的类型不同，这些方法不能消除所有噪声的干扰，尽管在一定程度上提高了图像质量，但还是有一定的局限性。OCT图像中主要存在的散斑等噪声，这些方法去噪去噪效果均不太理想。由于小波域自身的优点而在OCT图像处理中用的最多。与传统的去噪方法相比，它利用的是非线性域值，在时间域和频率域同时具有良好的局部化性质，而且时窗和频窗的大小可以调节，对高频成分采用逐渐精细的时域和空域取样步长，从而可以聚焦到对象的任意细节。因此可以提高对散斑高散射特性的噪声对比度，很好的消
