CN110801206B - 一种高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，可改善光学相干共焦显微内镜系统中存在的由于使用高数值孔径透镜，导致相干门位置偏移带来的曲率伪影，以及视场边缘模糊形变的问题；本技术方案通过分析恢复参考面的相位信息，建立一个校准相位映射图表，将此表映射到原图中，从而校正相干门曲率，此相位信息可直接用于OCM图像的相干性处理，以及任何阶的系统色散，都可以通过计算的方式来校正消除，实现在不改变系统光路结构的基础上，提高成像性能，此方法用于光学相干共焦显微内镜系统及相似成像系统中，兼顾了探头小型化与成像质量的平衡，可使之成为快速、无染色、高灵敏度与特异性的医学诊断工具。

Description

一种高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法

技术领域

本发明涉及一种图像校正方法，尤其涉及的是一种高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法。

背景技术

在医学成像领域，OCT（光学相干断层）扫描作为一种新颖的光学成像技术，可帮助医务人员观察组织内部的结构和形态，发现微小病灶。它基于光的干涉原理，采用红外光作为光源，能穿透扫描介质的一定深度，将探测信号通过计算恢复成组织的纵向截面图，具有高分辨、非接触、无标记的优点，作为一种在体病理的判断手段，反映出生物组织的内部结构、散射系数等重要信息。近年来，OCT技术结合其他成像技术的多模式成像系统，并提供更精确的诊断依据已成为研究热点。

通常情况，OCT系统放大倍率受限于扫描场镜，横向分辨率不高，纵向分辨率随成像深度的变化递减，因此不好在成像深度与分辨率之间做平衡。而共聚焦显微技术（laserscanning confocal microscopy，LSCM）则可以弥补上述问题的不足，在高数值孔径的显微物镜下，通过照明针孔与探测针孔对被照射点或被探测点的共轭关系，实现较高横向分辨率，但共聚焦扫描成像的深度浅，需要使用荧光剂对样品进行染色成像，导致其应用范围受限，因此两种成像手段各有优缺点。专利CN 107328743 A 提出了一种光学相干共焦显微内镜系统，即OCM内镜系统（optical coherence microscopy，光学相干显微），通过设计改进光学系统，结合了OCT与共聚焦两种成像手段的优点，在不明显降低成像深度的同时显著提升OCT分辨率，并将其应用于内窥镜当中。

但是在光学相干共焦显微内镜系统中，由于光纤的特性以及高数值孔径透镜的使用会使得在光学扫描过程中的相干门位置偏移和曲率变化变得明显，特别是有些非远心透镜，扫描镜头的后焦平面与扫描机构的中轴不重合，在系统中对光束的扫描会导致光程的发生改变，从而OCM相干门位置也发生偏移，出现曲率伪影，图像强度和分辨率不均匀，成像视场的边缘会出现模糊形变，甚至图像消失等问题。而且远心透镜往往有多个透镜组构成，光学设计复杂，无法小型化的同时也难以达到完美对齐，消除光程变化。因此限制了现有系统的成像视场，也影响了成像效果。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，旨在解决光学相干共焦显微内镜系统中存在的由于使用高数值孔径透镜，导致相干门位置偏移带来的曲率伪影，以及视场边缘模糊形变的问题。

本发明的技术方案如下：一种高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，包括以下步骤：

在OCM系统的样品臂上放置一平面反射镜，获得平面反射镜镜面的OCM信号的二维相干门位置曲率，所述OCM信号为空间其中一点的深度探测信号，表示为A(x,y,k)，x、y为空间维数，k为光源波数，所述二位相干门位置曲率即为相干门的相位分布；

根据相干门的相位分布，计算出能将曲率抹平的校准相位映射图表；

将原始平面反射镜镜面信号通过合适的窗口函数进行切趾处理并进行波形整形；

对开窗、波形整形后的信号减去背景噪声后，得到经过初步处理的原始OCM信号；

将经过初步处理的原始OCM信号的每个像素都进行原始干涉光谱乘以校准相位映射图表中相应的校准相位；

对乘以校准相位后的信号对波数求和，得到优化后的OCM图像。

所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，在OCM系统的样品臂上放置一平面反射镜，将平面反射镜对准光束焦点，以收集背向散射光，通过计算平面反射镜镜面的OCM信号可以测量出二维相干门的位置曲率。

所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，在OCM系统的样品臂上放置一平面反射镜，获得平面反射镜镜面的OCM信号的二维相干门位置曲率，所述OCM信号为空间其中一点的深度探测信号，表示为A(x,y,k)，x、y为空间维数，k为光源波数。

所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，根据平面反射镜镜面信号的相干门位置曲率获得相干门的相位分布，所述相位分布为整个相干门位置的相位分布，相干门的相位分布通过以下方法获得：通过采集多张不同相位的OCM信号图，通过多步相移计算获取只含有物体信息的重构像的相干门相位。

所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，通过四步相移计算获取只含有物体信息的重构像的相干门相位，计算公式如式1：

式1，

其中，

表示相干门的相位，

、

、

、

分别表示4个不同相位状态下的OCM信号强度。

所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，根据相干门的相位分布，计算出能将曲率抹平的校准相位映射图表，校准相位映射图表可以通过式2获得：

式2，

其中，

表示校准相位映射，C(x,y)为校正的曲面系数。

所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，将原始平面反射镜镜面信号通过合适的窗口函数进行切趾处理并进行波形整形，其中，所述合适的窗口函数为汉宁窗，窗口表达式为w（k）：

式3，

其中，

为波数间距。

所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，所述波形整形处理后的信号为B(x,y,k):

式4。

所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，对开窗、波形整形后的信号减去背景噪声后，得到经过初步处理的原始OCM信号，初步处理的OCM信号为减去背景噪声后的信号C(x,y,k)：

式5，

其中，N(x,y)为系统背景噪声分布。

所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其中，将原始OCM信号的每个像素都进行原始干涉光谱乘以校准相位映射图表中相应的校准相位，对乘以校准相位后的信号对波数求和，得到优化后的OCM图像，其中OCM信号乘以相应的校准相位并对波数k求和通过式6获得：

式6，

其中，z为成像面与焦平面的距离，z=0。

本发明的有益效果：本发明通过提供一种高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，可改善光学相干共焦显微内镜系统中存在的由于使用高数值孔径透镜，导致相干门位置偏移带来的曲率伪影，以及视场边缘模糊形变的问题；本技术方案通过分析恢复参考面的相位信息，建立一个校准相位映射图表，将此表映射到原图中，从而校正相干门曲率，此相位信息可直接用于OCM图像的相干性处理，以及任何阶的系统色散，都可以通过计算的方式来校正消除，实现在不改变系统光路结构的基础上，提高成像性能，此方法用于光学相干共焦显微内镜系统及相似成像系统中，兼顾了探头小型化与成像质量的平衡，可使之成为快速、无染色、高灵敏度与特异性的医学诊断工具。

附图说明

图1是本发明中简化的高数值孔径非远心系统的结构示意图。

图2是本发明中高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法的步骤流程图。

图3a是本发明中z=0处的原始OCM图。

图3b是本发明中z=20um处的为原始OCM图。

图3c是本发明中经过校正方法处理后的OCM图。

图3d是本发明中校正相位分布图表。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

如图1所示，为一个简化的高数值孔径非远心系统，光束通过微振镜扫描或旋转等方式通过输入光阑时，光束从不同位置到焦平面的光程长度会变化，一般来说越边缘的位置光程变短，二维扫描的结果是一个弯曲的相干门，等光程的相干门位置呈现圆形分布，因此在同一平面，光程并不相等。在成像系统中，真正的高数值孔径光学系统会比上述情况还要复杂得多，受到加工工艺、组装工艺等因素影响，系统焦平面的曲率分布也不完全是一个圆，而是呈现不均匀非线性分布。

如图2所示，一种基于高数值孔径非远心系统的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，包括以下步骤：

S1：在OCM（optical coherence microscopy，光学相干显微）系统的样品臂上放置一平面反射镜，获得平面反射镜镜面的OCM信号的二维相干门位置曲率，所述OCM信号为空间其中一点的深度探测信号，表示为A(x,y,k)，x、y为空间维数，k为光源波数，所述二位相干门位置曲率即为相干门的相位分布；

S2：根据相干门的相位分布，计算出能将曲率抹平的校准相位映射图表；

S3：将原始平面反射镜镜面信号通过合适的窗口函数进行切趾处理并进行波形整形；

S4：对开窗、波形整形后的信号减去背景噪声后，得到经过初步处理的原始OCM信号；

S5：将原始OCM信号的每个像素都进行原始干涉光谱乘以校准相位映射图表中相应的校准相位；

S6：对乘以校准相位后的信号对波数求和，得到优化后的OCM图像。

具体地，所述步骤S1中，将平面反射镜对准光束焦点，以最大限度地收集背向散射光，通过计算平面反射镜镜面的OCM信号可以测量出二维相干门的位置曲率。

具体地，所述步骤S1中，OCM信号为空间某一点的深度探测信号，可表示为A(x,y,k)，x,y为空间维数，k为光源波数。

具体地，所述步骤S1中，相位分布为整个相干门位置的相位分布，相干门的相位分布通过以下方法获得：通过采集多张不同相位的OCM信号图，计算获取只含有物体信息的重构像的相干门相位。其中，计算获取只含有物体信息的重构像的相干门相位可以通过多步相移（如三步相移、四步相移、五步相移）进行计算。本实施例中，通过四步相移计算获取只含有物体信息的重构像的相干门相位，计算公式如式1：

式1，

其中，

表示相干门的相位，

、

、

、

分别表示4个不同相位状态下的OCM信号强度。

具体地，所述步骤S2中，校准相位映射图表可以通过式2获得：

式2，

其中，

表示校准相位映射，C(x,y)为校正后的曲面系数。

具体地，所述步骤S3中，由于光源的相干性，将OCM信号减去背景噪声后通过希尔伯特变换后具有很强的旁瓣，通常做法是在希尔伯特变换之前对干涉信号用合适的窗口函数进行切趾处理并进行波形整形，抑制由于旁瓣带来的干扰项，实现更佳的图像对比度。其中，所述合适的窗口函数通常为信号处理中常用的汉宁窗，窗口表达式为w（k）：

式3，

其中，

为波数间距；

所述波形整形包括但不限于信号归一化和去低频直流项等处理方式，波形整形处理后的信号为B(x,y,k):

式4。

具体地，所述步骤S4中，初步处理的OCM信号为减去背景噪声后的信号C(x,y,k)：

式5，

其中，N(x,y)为系统背景噪声分布。

其中，所述步骤S6中，对乘以校准相位后的信号对波数求和，得到校正后的OCM图像，同时修正了相干门曲率并对色散进行了最优补偿，结合必要的图像处理（如图像亮度放大，中值滤波等），得出优化后视场不受限的OCM图像。

具体地，所述步骤S5和步骤S6中，优化后视场不受限的OCM图像每个像素都由原始OCM信号乘以相应的校准相位表并对波数k求和来获得，通过式6获得：

式6，

其中，z为成像面与焦平面的距离。作为一种优选实施例，所述z为零，代表此时成像面刚好在系统焦平面位置，成像效果最佳。

本技术方案通过采用上述的图像校正方法可以有效降低了光学相干共焦显微系统中图像单帧处理的复杂程度，此外，校准的相位剖面提供了比峰值查找方法更准确的相干门校正；结合成像系统的FPGA（Field Programmable Gate Array）运算模块，以及高速MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）振镜扫描，使得系统依然能保持较高的成像速度。

其中，图3a至图3d表示了通过本图像校正方法在结肠组织相干共焦显微图像中的应用效果图。其中图3a为z=0处的原始OCM图，图3b为z=20um处的为原始OCM图，可以看出，未经校正的OCM图像，视场的不同位置，成像清晰度不一样，部分区域的离焦处反而比焦平面图像更清晰，存在误差。图3c为经过校正方法处理后的OCM图，图3d为使用的校正相位分布图表。

本技术方案可改善光学相干共焦显微内镜系统中存在的由于使用高数值孔径透镜，导致相干门位置偏移带来的曲率伪影，以及视场边缘模糊形变的问题。本技术方案通过分析恢复参考面的相位信息，建立一个校准相位映射图表，将此表映射到原图中，从而校正相干门曲率，此相位信息可直接用于OCM图像的相干性处理，以及任何阶的系统色散，都可以通过计算的方式来校正消除，实现在不改变系统光路结构的基础上，提高成像性能，此方法用于光学相干共焦显微内镜系统及相似成像系统中，兼顾了探头小型化与成像质量的平衡，可使之成为快速、无染色、高灵敏度与特异性的医学诊断工具。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

在OCM系统的样品臂上放置一平面反射镜，获得平面反射镜镜面的OCM信号的二维相干门位置曲率，所述OCM信号为空间其中一点的深度探测信号，表示为A(x,y,k)，x、y为空间维数，k为光源波数；

根据平面反射镜镜面信号的相干门位置曲率获得相干门的相位分布；

根据相干门的相位分布，计算出能将曲率抹平的校准相位映射图表；

将原始平面反射镜镜面信号通过合适的窗口函数进行切趾处理并进行波形整形；

对开窗、波形整形后的信号减去背景噪声后，得到经过初步处理的原始OCM信号；

将经过初步处理的原始OCM信号的每个像素都进行原始干涉光谱乘以校准相位映射图表中相应的校准相位；

对乘以校准相位后的信号对波数求和，得到优化后的OCM图像。

2.根据权利要求1所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，在OCM系统的样品臂上放置一平面反射镜，将平面反射镜对准光束焦点，以收集背向散射光，通过计算平面反射镜镜面的OCM信号可以测量出二维相干门的位置曲率。

3.根据权利要求1或2任一所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，在OCM系统的样品臂上放置一平面反射镜，获得平面反射镜镜面的OCM信号的二维相干门位置曲率。

4.根据权利要求3所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，根据平面反射镜镜面信号的相干门位置曲率获得相干门的相位分布，所述相位分布为整个相干门位置的相位分布，相干门的相位分布通过以下方法获得：通过采集多张不同相位的OCM信号图，通过多步相移计算获取只含有物体信息的重构像的相干门相位。

5.根据权利要求4所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，通过四步相移计算获取只含有物体信息的重构像的相干门相位，计算公式如式1：

式1，

其中，

表示相干门的相位，

、

、

、

分别表示4个不同相位状态下的OCM信号强度。

6.根据权利要求5所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，根据相干门的相位分布，计算出能将曲率抹平的校准相位映射图表，校准相位映射图表通过式2获得：

式2，

其中，

表示校准相位映射，C(x,y)为校正的曲面系数。

7.根据权利要求6所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，将原始平面反射镜镜面信号通过合适的窗口函数进行切趾处理并进行波形整形，其中，所述合适的窗口函数为汉宁窗，窗口表达式为w（k）：

式3，

其中，

为波数间距。

8.根据权利要求7所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，所述波形整形处理后的信号为B(x,y,k):

式4。

9.根据权利要求8所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，对开窗、波形整形后的信号减去背景噪声后，得到经过初步处理的原始OCM信号，初步处理的OCM信号为减去背景噪声后的信号C(x,y,k)：

式5，

其中，N(x,y)为系统背景噪声分布。

10.根据权利要求9所述的高分辨光学相干共焦显微的图像校正方法，其特征在于，将经过初步处理的原始OCM信号的每个像素都进行原始干涉光谱乘以校准相位映射图表中相应的校准相位，对乘以校准相位后的信号对波数求和，得到优化后的OCM图像，其中OCM信号乘以相应的校准相位并对波数k求和通过式6获得：

式6，

其中，z为成像面与焦平面的距离，z=0。

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