[发明专利]基于分数域参数检测的光学相干层析成像色散补偿方法

说明书

本发明公开了一种基于分数域参数检测的光学相干层析成像色散补偿方法，属于光学信号处理领域。对频域OCT的A‑scan干涉信号，首先在多个分数域进行分数傅里叶功率谱峰值粗搜索，然后在最大峰值所在的分数域附近阶次进行局部精细搜索，若搜索到的分数功率谱峰值大于预设的阈值γ则记下当前阶次，然后利用分数傅里叶域滤波移除当前检测到的色散分量，避免了样品不同深度色散之间的干扰，最后用相位校正项重构频域OCT的干涉信号，再进行傅里叶变换获得色散校正后的OCT图像。本方法在保证精度的同时，有效降低了计算复杂度，能够自适应地补偿OCT成像过程中样品多个深度的色散，实现了全深度色散检测和校正。

技术领域

本发明提出一种光学相干层析成像(OCT)的色散补偿方法，应用分数域信号处理理论，能够有效地完成对OCT色散信号各个深度色散的补偿，属于光学信号处理领域。

背景技术

光学相干层析成像(OCT)是一种先进的干涉成像技术，具有高分辨率生物组织横断面成像能力。目前，频域光学相干层析成像技术(FD OCT)的快速发展使得OCT系统的灵敏度和成像速度有了很大提高。FD OCT可以用干涉仪或波长扫描光源测量。与时域方法相比，傅里叶变换增强后的FD OCT具有成像速度快、灵敏度高等优点。然而，增加轴向分辨率需要更大的光学带宽，这使得OCT 成像更容易受到色散的影响。

OCT系统色散校正的基本方法包括物理方法和数字方法。传统的物理方法主要基于匹配光学材料或相位控制延迟线来消除两个干涉仪臂之间的色散。这两种方法都能很好地实现系统的色散补偿，但在对不同材料的样品成像时，色散补偿材料和硬件参数均难以调整。而数字补偿方法相对来说更方便、更灵活，并不依赖于硬件的支持。数字补偿方法主要有自动迭代法、自聚焦法和相位因子提取法。这些方法只需要一个色散修正项，因此非常适合于系统色散补偿或在某一深度上的样品色散补偿。然而，它们很难同时补偿来自不同样品深度的色散。

OCT图像全深度色散补偿的方法包括数值相关法、线性拟合法和傅里叶域重采样法。然而，数值相关法和线性拟合法分别采用基于深度的卷积核和线性拟合函数作为补偿器，因而这两种方法都需要色散特性的先验知识。因此，对于色散系数未知或无法精确计算的情况，上述两种方法很难奏效。傅里叶域重采样方法需要对分层介质进行多次重采样，这增加了计算复杂度。此外，清华大学一团队最近提出了一种利用共轭变换补偿OCT成像中全深度色散的新方法。但这种方法由于采用复杂的穷举方法来寻找最优系数，因而也极大地增加了计算量。

以往对色散的研究大多是基于傅里叶分析方法，但是最近一种基于分数傅里叶变换(FRFT)的色散补偿方法(Lippok N,Coen S,Nielsen P,et al.Dispersioncompensation in Fourier domain optical coherence tomography using thefractional Fourier transform[J].Optics express,2012,20(21):23398-23413.)为研究色散的性质提供了一个新的视角。该方法直接在一个特定的分数傅里叶域(FRFD)内对OCT的A-scan信号成像，获得补偿后的OCT图像。然而，这导致在所有深度的色散分量都被相同的FRFT阶次校正。因此用这种方法得到的结果只有在特定深度的色散分量才会得到精确的补偿，而在其他深度的分量会被过补偿或欠补偿。本文提出了一种基于分数域参数检测算法的色散校正新方法，该方法能够检测并同时补偿OCT成像过程中样品在各个深度的色散。

发明内容：

提出的色散检测和校正过程如图1所示。整个过程分为三个部分：1)构造解析信号；2)检测色散参数；3)重构补偿信号。具体的处理过程如下：

步骤1：构造解析信号

对频域OCT中获得的一个A-scan干涉信号S(ω)，利用希尔伯特变换构建为解析相干信号：

其中为S(ω)的希尔伯特变换；

步骤2：粗略搜索