一种光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法

本发明涉及衰减系数成像，具体为一种光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法。

背景技术：

1、光学相干断层扫描成像(optical coherence tomography,oct)是一种低相干光学干涉成像技术，可以提供微观组织的无创、体积和实时体内图像，获得的图像分辨率可以达到微米级。但是仅提供组织的形态信息，定量分析组织特性有助于更准确地区分病变组织和正常组织。光学衰减系数(optical attenuation coefficient,oac)可以测量入射光通过介质时衰减的速度，从而实现组织的定量分析。事实上oac分析已广泛用于定量评估和区分多种组织类型，根据oct数据对oac进行量化可实现体内诊断的应用，例如动脉粥样硬化斑块成像、青光眼评估、膀胱正常组织与癌组织的区分和结肠的检查，以及中风后大脑皮层的成像。此外，oac的测量还可以用于评估人体烧伤疤痕中的血管分布和痤疮疤痕的发展以及监测光动力疗法对皮肤损伤的效果。

2、衰减系数的测量即是测量入射光在穿过介质时衰减的速度，并且是介质属性的参数。组织中的光损失通常是由吸收、散射两者组合引起的，并且通过介质传播时，光束的辐照度遵循lambert-beer定律，目前已经提出了多种方法来从oct图像中提取衰减系数值，这些方法与提出的两个通用模型相关：单散射模型和多散射模型，通过感兴趣的组织类型决定应该使用哪个模型。最早根据oct数据确定衰减系数通常是基于通过oct深度剖面拟合指数曲线来完成的，所以要求组织在一定深度内具有相对均匀的衰减系数，并且需要对大量测量数据点取平均值，才能通过非线性最小二乘拟合来获得可靠的估计，因此只能实现相对全局的衰减系数测量。后面的研究提出一种基于单散射模型的深度分辨模型，该模型允许估计每个像素的衰减系数从而有较高的分辨衰减系数能力，并且无需预分割。该方法依赖于两个假设：在成像深度范围内的光完全衰减和oct系统收到的背向散射光的比例是一个常数。但是该方法没有将所用光学器件的轴向点扩散函数(psf)的影响考虑进去，这会对衰减系数的计算产生较大的影响。随后的研究基于该模型再将基于单模光纤的轴向点扩散函数考虑排除，对oct系统的共聚焦函数建模，对采集到的oct信号除以共聚焦函数还原出理想衰减信号。所以如何无先验知识获取oct的共聚焦参数是很有必要的，目前的研究有直接将共聚焦函数包含在模型中进行拟合，但是该方法只能应用于均匀介质。以及通过两次扫描，保证两次扫描的样品信息一致但改变焦平面位置使共聚焦函数发生改变，这样可以通过两次扫描的信号提取出相应共聚焦参数，但是在临床应用上几乎不可能采集到两次样品信息一致但焦平面位置不同的信号。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的技术测量衰减系数方法存在共聚焦效应会影响oct信号强度分布，导致计算衰减系数计算产生误差，需要排除共聚焦效应再进行计算，以及如何在无先验知识的情况下提取oct信号中共聚焦参数的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法，包括基于共聚焦oct信号进行仿真建模；通过改变入射光束直径改变系统共聚焦效应中的瑞利范围；通过不同瑞利范围的共聚焦效应进行共聚焦参数提取；对采集到oct数据进行共聚焦矫正。

4、作为本发明所述的光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法的一种优选方案，其中：所述基于共聚焦oct信号进行仿真建模包括基于光的单散射模型对oct信号进行建模，由一个指数衰减信号、灵敏度滚降信号、比例常数、共聚焦函数，以及乘性和加性噪声组成oct信号，样品中物理深度z处的傅里叶域oct信号表示为：

5、i(z)＝h(z)cαe-2μzs(z)+n(z)

6、

7、其中，h(z)是基于单模光纤的轴向点扩散函数，c表示比例因子，α表示反向散射系数、μ为衰减系数、滚降σ表示测量灵敏度，n(z)表示本底噪声。

8、作为本发明所述的光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法的一种优选方案，其中：所述基于共聚焦oct信号进行仿真建模还包括添加snr为10的加性和乘性噪声，由两个信号相比再将焦点位置和瑞利范围作为自由参数进行拟合，拟合模型表示为：

9、

10、其中，b为两束光束的直径比，z0表示焦平面深度位置，zr表示表观瑞利范围，两者是共聚焦函数的参数，通过上式拟合获取。

11、作为本发明所述的光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法的一种优选方案，其中：所述通过改变入射光束直径改变系统共聚焦效应中的瑞利范围包括通过蒸馏水稀释20％intralipid溶液，填充在比色皿中，以10度的倾斜角放置在样品臂成像，通过样品臂调节焦平面距离样品表面的位置，同一焦深进行两次不同na的采集，通过改变na获得不同共聚焦函数的oct信号，每次采集1024张512×1024的b扫描，对中间120张b扫描进行平均。

12、作为本发明所述的光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法的一种优选方案，其中：所述包括使用扩束的方法改变na，将直径2.8mm的高斯光束扩束至5.6mm，在1310纳米光源，聚焦透镜焦距为30毫米的情况下，2.8mm直径的光束的聚焦光斑大小在17.9微米，扩大光束的直径减小聚焦光斑，提高横向分辨率至两倍，表示为：

13、

14、其中，δd为聚焦光斑直径，λ0为光源中心波长1310nm，f为聚焦透镜焦距30mm，d为聚焦透镜上的光束直径，光束直径由2.8mm变为5.6mm，瑞利范围发生改变，表示为：

15、

16、瑞利范围发生改变同时改变共聚焦函数，两次na有2倍差距的b扫描的表观瑞利范围有4倍的关系，光束直径越大，瑞利范围越小，共聚焦函数对oct信号的强度分布的影响越大，共聚焦函数的半高全宽变窄，通过采集不同光束直径下的oct信号满足拟合模型中瑞利范围的变化，获得一个已知的瑞利范围的比率。

17、作为本发明所述的光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法的一种优选方案，其中：所述通过不同瑞利范围的共聚焦效应进行共聚焦参数提取包括在ss-oct系统上，扫频激光光源中心波长在1310纳米，数据采集卡以100ms/s的采样速率将采集到的信号进行模数转换，并将数字化的干涉光谱暂存在数据采集卡板卡内存中；

18、数据采集卡由激光源提供的外部k时钟驱动，通过k时钟把光谱采样到线性波数空间；

19、数据采集程序建立在visual studio平台上，用来采集数据并且保存光谱信号，实现b扫描和c扫描，数据处理包括对采集到的光谱信号进行整形、傅里叶变换、去除固定模式噪声，减去深度相关背景噪声再排除灵敏度滚降。

20、作为本发明所述的光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法的一种优选方案，其中：所述对采集到oct数据进行共聚焦矫正包括拟合结果得到i1的焦面位置z0和表观瑞利范围zr，从而得出i1的共聚焦函数h(z)，将i1(z)除以h(z)获得无共聚焦函数影响的原始oct信号，再通过深度分辨法计算衰减系数，表示为：

21、

22、其中，μ[z]为z深度的衰减系数，i[z]为z深度的oct信号，当前时间的i[z]已经减去深度相关背景噪声n(z)，排除了共聚焦函数h(z)和滚降s(z)，通过在傅里叶域oct信号除以已获取的h(z)和s(z)来实现，δ为像素的轴向大小。对每列oct信号进行此操作以获取最后的衰减系数图像。

23、本发明的另外一个目的是提供一种光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像系统，其能通过改变共聚焦函数中的瑞利范围从而构建模型提取共聚焦参数，解决了目前的共聚焦函数提取技术含有需要准确移动焦面位置进行两次成像的问题。

24、作为本发明所述的光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像系统的一种优选方案，其中：包括仿真建模模块，共聚焦参数提取模块，共聚焦矫正模块，瑞利范围更改模块；所述仿真建模模块用于基于共聚焦oct信号进行仿真建模；所述共聚焦参数提取模块用于通过不同瑞利范围的共聚焦效应进行共聚焦参数提取；所述共聚焦矫正模块用于对采集到oct数据进行共聚焦矫正；所述瑞利范围更改模块用于通过改变入射光束直径改变系统共聚焦效应中的瑞利范围。

25、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法的步骤。

26、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法的步骤。

27、本发明的有益效果：本发明提供的光束比拟合法提取共聚焦曲面进行衰减系数成像方法通过改变共聚焦函数中的瑞利范围从而构建模型提取共聚焦参数，无需移动焦面位置就能提取共聚焦参数，本发明在共聚焦参数提取精度、数据采集方便以及更易于应用至临床方面都取得更加良好的效果。