OCT图像畸变的消除——相关峰值扫描重定位算法

　　1　引　言

　　近几年来,光学弱相干层析技术(OCT)[1]由于其在临床医学中的巨大应用潜力而得到迅速发展。OCT采用弱相干技术对样品内的散射体进行精确定位及检测,极适合于对视网膜及黄斑疾病的早期诊断[2],其在皮肤、肠、胚胎、血流速度检测等领域的应用前景也极为乐观[3],目前已成为显微领域中一个极为活跃的分支[2,3]。

　　我们研制的一套OCT实验系统的结构简图如图1所示,其纵向分辨率可达10.7μm,信噪比高达115 dB。光源发出的弱相干光经耦合器分束,分别进入信号臂与参考臂,信号臂的出纤光束经横向扫描器(y扫描)偏转,照射样品内部,样品的一部分散射光原路返回,一部分到达探测器。参考光被一个运动的反射镜(z扫描)反射后,一部分达到探测器与信号光混频。只有与信号光时延匹配的参考光才能对干涉项产生贡献。干涉信号将被外差拍频所调制,对探测结果在多普勒频移处进行窄带滤波得到干涉交叉项,经锁相相关解调获得各扫描时刻散射信号包络。之后进行图像信号采集、处理、重定位、恢复及显示[4]。

　　研究发现,在OCT系统中,存在一些导致图像畸变的因素,如(1)扫器的速度较慢,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)同步位置传感器受干扰或重复性差导致的扫描错位。

　　根据相对运动的原理,以上三种失真具有等效性[5]。在以下讨论中,将其统称为图像畸变。就目前的技术水平来看,单纯依赖扫描器提速不太现实。这是因为,首先,对机械扫描装置来说,受惯性所限,在高速运行时,往往难以保持长距离的匀速往复运动;其次,OCT信噪比与扫描速度成反比,扫描器提速将使信噪比降低[6]。

　　既然扫描器提速存在一定困难,那么是否存在某种算法,可从实测图像中提取出畸变信息,对其加以抑制,以期恢复出真实图像。在研究中我们发现相邻行的相关峰值位置携带畸变信息,因此从分析相关峰值入手,提出一种OCT图像畸变的补偿算法——“相关峰值扫描重定位算法。”

　　2　数学模型及相关峰值重定位算法

　　在OCT中,z方向扫描速度最快,其次是y方向。在样品中取z-y截面,设其真实灰度分布为f(z,y),实测灰度分布为g(z,y)。下面分析由图像的畸变造成的扫描点错位。

　　对于z方向扫描器而言,其有效区段(线性区段)只占整个运行周期的一部分,加之z方向是快扫描,因此完成一行成像的时间是极短的。为此,可假设畸变量在一行内保持不变,这不会对重定位引入太大误差。此时畸变量只与横向位置y有关,记为Δz(y),则有