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1、第10期1 9 9 6年10月电子学报AC T AE L E C T R( )N I CAS I N IC AVol.24Oet.附1019 96OCT纵向图像形成分析DePth lmageFo rmatio ninOPtie alCohereneeTomogr aPhySystem曾绍群骆 清铭刘贤德徐海峰李再 光(华 中理工大 学电子系,武汉4 30 0 74户.【提要 l光学 相 干层析成 像(OCT)能够 直接 对 物体的纵深方 向成 像.本 文 对OCT系 统测量生物 组 织的纵向图像形成进行了理 论 研 究,推 导 了系统相 干传递函数,研 究了系统的 纵深分 辨 力.研 究 表明
2、O CT有 很强 的纵 深 分 析 能 力,测 量结果中所 含 有的低 频信息源于非线性处 理.本 文的工作 为 定量分析O CT系统的结果 提供了理 论 依 据.关键词:光学相 干断层成像,相 干传递函数,图像形 成A bstr a et:Depthin rageofanobje ete a nbeobtained dir e etlywithoptie aleohere n e etomogra-phy(OC T).Inthispape r,atheoretie alstudyondepthimageinformationofthetiss uestr u etur esbyu singO
3、 CTsystemwa sreported.Basedonthisstudy,thee oheren ttransfe rfunetion(C TF)15de-rivedandthedepth一 dise rim inatio nproPe rty15an alyz ed.Inthissystem,struerureswith highspa-tial fr equeneyaredete etedforimageinformation,andlowfr equ eneyintheimagearee ontributedbyn onlinea rpro e essing.Thisr e s ea
4、 r ehw il lpr ovidethe o r etie al basisinquantiativelyunde r sta ndingthe()CTme asur ementsofanu nkn ownstr ueture.Keywords:Optieale oher en eetomogr aphy,Cohe r enttransferfunerio n,Imageformarion一、引言光 学 相干层析成像技术(Optie alCohereneeTo-mogr aphy,简称OeT,3)是近年 来 崭露头角 的一种新型层 析成像技 术,可望 在 激 光生物医学和诊 断 中得 到
5、广 泛 的应 用.Huang通 过OC T获得了人眼视网膜的细微 结 构和冠状动脉壁的 结构;c Sh mit t等 将之 用于生物 组织光学特性参数测 量,取 得了很 好的效果川.该 技术以弱 相 干光反射测量 技 术4 为 基础.采用具有 较窄发射光谱的光源,取代了常用于生物组 织光学 特 性研究的笨重 而 昂贵的激 光器.与传统光学显微镜相比,它 采用弱相 干性来抑 制 背 景 能量,从而具 有极强 的光学纵 深 分 析能 力.O CT主要用 于生物组织内 部微结械 特 性及多 种光学性 质的测 量.其优 点是,它采用 微 光照 明,是 一 种非接触性,非侵人式的测 量方法,可在 自然条
6、 件下进 行体内测 量,测试 结 果 与组 织热 学和机 械特性无关.它可将测 量结果直 接显示样品内部 结 构,而 不需 要进行 复 杂的数学计 算 来 恢 复 与重建图像,并 且具有极 高的噪声 冗余度.由于它 是一种 纯 光 学 方 法,还可 用光 学 手段 突出不同的 测试量,从而多 层次测定生物 组 织结 构 及成 分.另 外,采 用全 光纤结 构的OCT系统可按多种方 式 广泛应 用于临床:表面,内腔,内窥镜等.但是,鉴于人 们 对生物体内各种 组织结 构的光学 参 数至今 尚 所知 不多2 4,如何 全面理解OC T所测得的 图像,特 别是对生物组 织 这 一高散射介质,还需做大
7、量 的研究5 j .文6在 弱物体近似下研究了O CT系统横向图像形成,推导 的 二维相 干传递函数19 95年l月收 到,1996年3月定 稿.国防 预研基金 资 助 项目,Ze ngSha oqun,LuoQingming,LiuXiande,xuHaife ng,LiZaigu ang(块p一of()pt oele etr onieEngin eering,Hu a zhongUniv ersityofc Siene e在 实际应用 中,人们往往 对系统 在 深度方 向的分 辨能力 更感兴 趣7 j .就我们所 知,目前还没 有对OC T系统纵向图像形成的精确 描 述.本文 在弱物体近似
8、下研究了O CT纵向图像的 形成,采用 相 干传递函数描述 系统成像性 能,并分析了系统的光学纵深 剖 析 能 力,所 得 结果对于理解O CT系统测得的纵深图像具 有 重 要 意义.二、OCT系统纵 向图像 形成1.OCT系统工作原 理图1为OC T系统原理图,其核心是一全光纤 迈克尔逊干涉仪.待测生物 组 织 取代一个反射 镜.S L D发 出的 弱 相 干光(中心波长830mm ),经四端光纤藕合器50/50分束,分别照射参考 镜及样 品.参考 光及信号光经光 纤藕合 被一大面积 探测 器接 收.任 何 与参考光时 延匹配且方向相同的信号光 会 与之产生干涉.信号光 振 幅及相位 携 带
9、 有 样品内 部反射及 后向散射结 构的 强度和位 置信息.在照 明光 纤头对 样品任一(x,y)位置成像 时,参考 镜 进 行以匀 速v进行z方 向 扫 描,光电探测器的输出信号经电 子线路解 调,可获得样品内部纵向结 构信息.信号 光纤头 对 样品进行( x,刃二维扫描,从而实 现三维 测 量.信号 经 适当处理,即 可得到断层 图像.由于光源的 弱 相干性,随 着 时延的增大,干涉信号急剧下降,因此系统空 间分辨率很高.对 弱 物体而言,纵深成像范围仅 受参考镜 扫 描 范围限 制,测 量 范围很大.图1OC T系统 原理图2.纵向图像形成分析由待测生 物 组织的特点,可设样品具 有 层
10、状结构. 2 们.根据我们对光与生物 组织相 互 作用 的理论研究结 果川,对0.5 9拌m到1.5拜m波 段的 人射 光,生物组 织 散 射相对于吸 收占主导 地 位.因此可对待测 生物样品作弱物体近似,忽略样品 吸 收.由 于O CT系统采用干涉 工作方 式,具有 很 强的空间滤 波 性 能及时间选 通 特点,只有与 参 考光同 方 向且具有匹配光程 差 的信号 光 才 能 形成有 效干涉信号.因此可进一步忽略二 次及高次散射光川.在上述 近 似下,信号光主要包括不同 层 组 织间及 均 匀 组织层 内的z方 向 反射光和后 向散射 光,对于任一参考 镜 位 置,信号光与参 考光干涉,相
11、当于多光束干 涉过程,由 统计光学8 j,探测器的愉出可表示为N V(,)一A (1rru(,一二)+艺ru(,一。),(z)亩=l 式(l)中A为一常数,描述 探测器 及后续电 子 线路放 大倍数;N 为 生物组织 内部界 面数目(包 括组 织 间界 面 及均 匀 组 织 内散射面);rr,r分别是参考镜 及样品界 面振 幅反射率; u() t为 光 场复振 幅;,(2)万一1 式(2 )中r为 光源自相干函数.当光源谱线轮 廓关于中心频率y对称时,其自相干函数r可分解为模g(r)与 振 荡分量的乘积8 ,即厂(r)=g(r)exP(一12汀yr)(3)式( 3)中g(r)为偶函数.化 简
12、式 ( 3),并经 频率为 f的参考信号混 频、低通 滤波 后 测 量输出 可表示为N V(,)一B艺r,g(。:。+Zv:/c)eos(2二y。:。+6;)(4).一l 式(4 )中B为 常 系数;乙:。为 两光 场初 始 时 间差;民为 两 混 频信号初始相位差.将测试信号 用样品结 构位置 表示,设l为样 品内光程坐标,可将上式化 为V(l)=r,(l/Zn)e os(2二l/又+夕2)g(l/c)(5)刀 式(5)中,r(,/Zn)一乙r(,)占(l一l,/Zn)为 样品纵向才一1结 构;夕:与 参考镜 初 始 位 置和夕,有关;表示卷 积运算.式(5)即 为解调输出 的 测 量信号与
13、 样品纵向结构的关系,它 表 明O CT系统对样品z方 向的结 构 成第10期曾绍 群等:COT纵 向图像形成分析105像时,是一 相干成 像系统,而且具有线 性 平 移不 变性.三、z方 向成 像 相干传递函数对于线性 平 移不变 成像系 统,可用传递函数 描述 系 统 成像 规律 及 性 能9 ,令二( l)一。,( l/2 n),可认为r( l)表示r,(l/Zn)的理 想 几 何 像.则 式(5 )化 为v(z) 一厂(l)。 05(2二z/又+夕2) g(l/)(6)对(6 )求傅氏变 换,弃 掉 常 系 数,得V;(k)R(k)占(k一l/几)+占(k+l/又)/2G(k)(7)式
14、 中k为空间频率;V;(k),R(k),G(k)分 别是函数v,r,g的傅里叶变换 式.式( 7)表明 了成像过 程 中频谱变 换 关系,即纵 深测量 时,O C T系 统 相 当于 一个空间 频谱滤 波器,滤波函数即相干传递函数 为G(k).由于系 统 相干传递函数G(k)为光源自相 干函数模的傅里 叶变 换,因此系 统成像性 能主要由光源 发射谱形 状决定,O CT的测量结果受 到照 明 源 的 影 响很 大.式(7 )还表明,O CT系统 进行 纵 成像时,待测结 构 受 到了倾斜照明,等效 翰人谱函数为 R(k) a (k一l爪)+a(k+1/幻/2,相当于物谱函数沿k轴平 移了士1/
15、凡下 面将以实验中常用 的高斯 功率谱光源为 例说明成像时的频谱变 化关系.设 光源的自相 干函数的模g(:)为g(r) 一exp一(,y/2丫1而),r,j(s)式( 8)中oy为半功率带 宽.由 此可求得系统z方 向归一化相干传递函数为保证 较 好的 图像 清晰度.现 考 虑 样品内 部 任 意 位置一反射结构对测 量信号 的 影响.设其振幅反射率为1,即相应于完 全 反射.由式(6 )可求得偏离量 为u时产生 的测 试信号 为Zu,_Zu_Zvt。、 V(u,)一g于cos(27 r汾一2“汾+夕2)(1。)上式的波 形如图2所示(已通 过 选 择 适 当的 测试起点 或参考信号初相位,
16、使共扼 位置产 生 最大测试 信 号),由图可 知,随偏 移量u增大,反射面信号的贡献急 剧减 小.包 络半峰值宽 度双一/2=ZlnZ 人2兀又(1 1)与 光源 相 干长度L。成比例.光源发 出 的谱 带越宽,偏 移共扼 位置 的反射面 对 测 量值的 影 响越小,纵深分 析 能 力 越强.与 另一具有纵 深分析 能 力的共 焦显微镜。相比,OC T系统背 景能量对信号的影 响方式不同.背 景的贡 献 并 非单调地减 小,而 是按余弦规 律减 小,可加强或 减弱测试信号.一05贬贬贬80120 u u /m16 02的图2不同偏移量对测 量值的影响G“,一p一 而命)2 (9)五、讨论式( 9)表明,系统 具有 低 通特点,可求得其半 峰值带宽为以一2乙几/矛,随以增 大,其通频 带增宽.由于物谱沿k轴平移了士1越,系统测 量 的 是样品纵深 结构k一士1越附近的高空间 频谱 成分.四、z方 向断层成像 能力分 析对于这种 类 似B超 中 脉冲回波 工作方式的成像系
