馮升同, 馮音琦, 張 敏， 郝君君

(1.北京石油化工學(xué)院 工程師學(xué)院 ,北京 102617；2.北京石油化工學(xué)院 光機(jī)電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ,北京 102617)

引言

繼X射線計(jì)算機(jī)層析成像、核磁共振成像、超聲成像等技術(shù)之后，20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的光學(xué)相干斷層成像(optical coherence tomography，OCT)技術(shù)[1]是集光學(xué)、物理學(xué)、精密自動(dòng)控制、電子、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多門學(xué)科為一體的綜合成像技術(shù)。它結(jié)合共焦、弱相干、光外差以及掃描斷層成像等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一些高散射性不透明生物組織和機(jī)械結(jié)構(gòu)的非侵入、無輻射、高分辨率、高靈敏度、實(shí)時(shí)成像測(cè)量，在眼球、皮膚、心血管等醫(yī)學(xué)疾病診斷中具有較大的應(yīng)用前景及發(fā)展?jié)摿2-4]。寬場(chǎng)光學(xué)相干斷層成像(wide-field optical coherence tomography，WFOCT)技術(shù)[5]是傳統(tǒng)OCT技術(shù)的擴(kuò)展。WFOCT系統(tǒng)用寬場(chǎng)光源產(chǎn)生干涉信息并用二維CCD來獲得這些干涉信息，不需要象傳統(tǒng)OCT那樣進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，通過處理CCD采集的數(shù)據(jù)即可獲得樣品光學(xué)截面或斷層圖像[6]。因此，WFOCT具有提高OCT系統(tǒng)的掃描速率和實(shí)現(xiàn)高分辨率的三維顯微技術(shù)的可能性，近年來受到廣泛的關(guān)注。2002年，法國(guó)巴黎國(guó)家科技研究中心光物理與臨床實(shí)驗(yàn)室的L. Vabre等人[7]在WFOCT系統(tǒng)中采用Linnik干涉儀，選取鹵素?zé)魹楣庠?，用CCD采集干涉信號(hào)，采集速率為200 f/s，該系統(tǒng)獲得的縱向分辨率接近1.2 μm。2003年，M. Akiba, K. P. Chan等人[8]用超輻射發(fā)光二極管SLD作為光源獲得了6 μm的系統(tǒng)分辨率；2004年Lin Fengyu和M.K.Kim[9]用R、G、B三色LED作為寬場(chǎng)OCT系統(tǒng)的光源，獲得了10 μm 的縱向分辨率，圖像的信噪比達(dá)到了50 dB；而在國(guó)內(nèi)，馮音琦等人創(chuàng)建了比較完善的WFOCT系統(tǒng)，對(duì)寬場(chǎng)光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)的圖像重構(gòu)算法以及提高圖像質(zhì)量方面作了深入的研究，并在彩色圖像重建和利用WFOCT進(jìn)行光學(xué)測(cè)量方面取得了一定的科學(xué)成果[10-11]。本文在馮音琦等人的工作基礎(chǔ)上，從寬場(chǎng)相干斷層成像系統(tǒng)出發(fā)，試圖對(duì)有一定反射率的透明介質(zhì)進(jìn)行深度探測(cè)以及三維形貌的圖像重建。首先，編制了在VC6.0環(huán)境下硬件接口程序和調(diào)用OpenGL函數(shù)的三維重建程序。三維圖像重建主要包括體數(shù)據(jù)處理和三維圖形顯示部分，其過程是將二維的斷層圖像數(shù)據(jù)寫入到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并作為體數(shù)據(jù)，利用移動(dòng)立方體法(MC)進(jìn)行三維重建并在計(jì)算機(jī)屏幕顯示。實(shí)驗(yàn)中，以寬場(chǎng)白光作為系統(tǒng)光源，采用濾波系統(tǒng)獲得低相干寬頻譜的單色光，利用八步移相法獲得多幅斷層圖像。研究了縱向分辨率和探測(cè)深度，得到了針對(duì)玻璃材料的較高的探測(cè)深度。以此為基礎(chǔ)，把移動(dòng)立方體算法(MC)應(yīng)用到寬場(chǎng)光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)透明介質(zhì)的三維形貌顯微成像和深度探測(cè)。

1 WFOCT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本原理

與傳統(tǒng)OCT系統(tǒng)類似，WFOCT系統(tǒng)的核心也是邁克爾遜干涉儀，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[12]。在寬場(chǎng)OCT系統(tǒng)中，從鹵素?zé)舭l(fā)出的低相干光束被分束棱鏡分為兩束，一束光投射到樣品臂上，沿原路返回的背向散射光為樣品光；一束光投射到參考臂的反射鏡上，被反射鏡反射回來的光為參考光，如果這兩束光的光程差在光源的相干長(zhǎng)度范圍內(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生干涉信號(hào)。若在光路中添加1/4波片、起偏器、檢偏器，則可以連續(xù)調(diào)節(jié)兩束光的光強(qiáng)比。CCD采集兩路光的干涉信號(hào)，該信號(hào)包含了樣品表面或次表面的二維圖像信息。通過壓電陶瓷高頻調(diào)制器(PZT)控制參考臂的微小位移，從而獲得多幅不同相位差的干涉信號(hào)。在此基礎(chǔ)上通過合適的層析重建算法就可以重現(xiàn)樣品的表面或次表面信息。除了要獲得樣品的二維圖像數(shù)據(jù)信息，有時(shí)需要探測(cè)樣品的深度以及獲得信息量更為豐富的三維圖像，就需要采集多幅不同位置的二維斷層圖像。在計(jì)算機(jī)控制下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)使參考臂發(fā)生較大的位移，從而掃描得到不同深度的圖像。有了多幅斷層圖像，采用合適的三維重建算法實(shí)現(xiàn)三維圖像的重建。

圖1 WFOCT的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Apparatus for WFOCT

2 寬場(chǎng)OCT二維圖像重建

2.1 八步移相法原理

WFOCT的圖像重構(gòu)算法是基于1997年I.Yamaguchi提出的移相數(shù)字全息術(shù)[13]。移相數(shù)字全息術(shù)是基于移相干涉技術(shù)，它采用精密的移相器件，在數(shù)字全息記錄過程中改變參考光波相位，同時(shí)記錄多幅干涉信號(hào)，利用不同的移相算法對(duì)所得到的干涉信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，最終直接恢復(fù)出記錄面上的物光分布。WFOCT正是利用這種高精度測(cè)量技術(shù)，從干涉信號(hào)中重構(gòu)出樣品表面或次表面的圖像。

本實(shí)驗(yàn)采用八步移相法來獲取樣品表面或次表面的圖像信息[14-15]， 八步移相法重建圖像的原理是假設(shè)CCD檢測(cè)到的干涉光強(qiáng)為

(1)

式中:IO為樣品反射光強(qiáng);IR為參考鏡反射光強(qiáng);IB為背景光強(qiáng);φ為樣品反射光與參考鏡反射光的初始相位差;φi是參考光反射鏡位置移動(dòng)所引起的相位變化。在八步移相過程中，參考光反射鏡每移動(dòng)一個(gè)1/16波長(zhǎng)的距離采集一次干涉信號(hào)，相應(yīng)的φi改變?chǔ)?4，微動(dòng)臺(tái)移動(dòng)8次，相應(yīng)的φi改變量分別為0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4。所得到的干涉圖像可以描述為

(2)

根據(jù)公式(2)解方程組，可以得到樣品重建圖像的強(qiáng)度信息

(3)

重建圖像的相位計(jì)算公式為

(4)

實(shí)驗(yàn)選用3個(gè)載玻片疊加成不同的形狀進(jìn)行成像，如圖2 所示。圖中圓圈表示光斑的大小，光斑中的小方塊表示三維圖像重建的區(qū)域。載玻片厚度均為1 mm, 每相鄰兩層間隙約為0.2 mm。實(shí)驗(yàn)中用濾波片從白光濾出中心波長(zhǎng)為632 nm的紅光作為光源，照射到載玻片上的光斑直徑約為0.8 cm。

圖2 樣品的側(cè)面投影圖和上面俯視圖Fig.2 Side projection view and top view of sample

以樣品最上層載玻片的上表面作為掃描的起始位置，依次從上到下，利用八步移相法對(duì)各樣品進(jìn)行掃描，探測(cè)15個(gè)位置，每個(gè)樣品共計(jì)得到120張干涉圖像。圖3所示是樣品1最上層載玻片上表面的8幅干涉圖像。每8幅干涉圖像根據(jù)公式(3)重建出相應(yīng)位置的斷層圖像，最后共計(jì)得到15張斷層圖像，其中第1、6、11張斷層圖像如圖4所示，即圖4中這三張圖像分別是由干涉信號(hào)重建獲得的樣品1中的3個(gè)載玻片上表面的斷層圖像。通過圖4還可以看出寬場(chǎng)OCT系統(tǒng)采集到每層載玻片的信息數(shù)據(jù)隨著探測(cè)深度的增大而減少，但還能夠再現(xiàn)出載玻片上光斑區(qū)域內(nèi)的平面圖像。

圖3 八步移相法得到的干涉圖樣Fig.3 Interference patterns using eight-step phase-shifting method

圖4 樣品1的斷層圖像Fig.4 Cross-sectional images of Sample 1

2.2 系統(tǒng)的縱向分辨率和探測(cè)深度

WFOCT系統(tǒng)重建圖像的質(zhì)量與該系統(tǒng)的縱向分辨率有直接關(guān)系，而縱向分辨率取決于光源的相干長(zhǎng)度ΔL[16]：

(5)

因此本系統(tǒng)采用石英鹵素?zé)糇鳛楣庠?，石英鹵素?zé)艟哂谐瑢挼膸捄推交念l譜特征，成像質(zhì)量較好，該光源的頻譜寬度約為250 nm。紅光、綠光、藍(lán)光的帶寬分別為20 nm、22 nm、25 nm，據(jù)此計(jì)算得出系統(tǒng)在不同色光的縱向分辨率分別為：紅光7.4 μm、綠光5.9 μm、藍(lán)光4.9 μm。，實(shí)際上，考慮到系統(tǒng)是通過濾波片從白光中濾出三色光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，分辨率有所降低，而且要考慮到樣品雜散光、散斑、光源噪聲等影響，實(shí)驗(yàn)得到的縱向分辨率達(dá)不到以上計(jì)算值。實(shí)驗(yàn)中，以一個(gè)載玻片作為樣品，設(shè)置參考鏡的宏動(dòng)步距為3.75 μm，參考鏡每移動(dòng)一步，就生成一幅圖像，共計(jì)得到4幅圖像，如圖5所示?？梢钥吹?，當(dāng)參考鏡的移動(dòng)距離為15 μm時(shí)，已經(jīng)幾乎分辨不出樣品圖像，因此對(duì)紅光而言，該系統(tǒng)的縱向分辨率約為15 μm，大于計(jì)算值。

圖5 研究縱向分辨率得到的4幅圖像，步距為3.75 μmFig.5 Four images with 3.75 μm axial distance used for axial resolution

除了研究寬場(chǎng)OCT的分辨率，探測(cè)深度也是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的指標(biāo)。探測(cè)深度與光源的強(qiáng)度、光學(xué)器件靈敏度以及樣品的光學(xué)特性等因素有密切的關(guān)系。在探測(cè)深度實(shí)驗(yàn)中，選用依次疊加的載玻片和蓋玻片作為樣品。其中，載玻片和蓋玻片的厚度各為1 mm和0.1 mm。依次取得各個(gè)玻片上表面的斷層圖像，得到圖像強(qiáng)度與參考鏡軸向移動(dòng)距離的關(guān)系曲線，如圖6所示。可以看出，對(duì)玻璃材料而言，系統(tǒng)最大的探測(cè)深度約為3.3 mm，遠(yuǎn)大于對(duì)生物組織的探測(cè)深度(100 μm～200 μm)。

圖6 圖像強(qiáng)度與軸向移動(dòng)距離之間的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between axial distance and intensity

3 寬場(chǎng)OCT系統(tǒng)的三維圖像重建

在得到各個(gè)位置斷層圖像的基礎(chǔ)上，為了能夠更加直觀地觀察到樣品表面或次表面上感興趣區(qū)域的圖像，需要將二維斷層圖像經(jīng)過合適的算法進(jìn)行疊加得到樣品的三維立體圖形。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用VC6.0和OpenGL混合編程，應(yīng)用移動(dòng)立方體(MC)算法對(duì)樣品的外貌進(jìn)行三維重建并在計(jì)算機(jī)屏幕顯示[17]。對(duì)樣品1的15張斷層圖像進(jìn)行三維圖像重建，得到重建的樣品1的外貌圖像，如圖7所示。從不同的角度觀察圖7，得到效果如圖8所示?？梢钥闯?，效果圖8非常逼真地再現(xiàn)了3個(gè)載玻片疊加區(qū)域的外貌形狀，表明利用寬場(chǎng)OCT系統(tǒng)能夠探測(cè)有較高反射率的一定深度的透明介質(zhì)的形貌。

圖7 樣品1的三維圖像重建結(jié)果Fig.7 3D reconstructive image of sample 1

圖8 不同角度觀察重建后樣品1的效果圖Fig.8 3D graphics of sample 1 from different angles

與樣品1對(duì)比，樣品2的上下2個(gè)載玻片不是關(guān)于中央對(duì)稱的，照射到載玻片1和載玻片3上的光斑大小明顯不同。對(duì)樣品2的15張斷層圖像進(jìn)行三維圖像重建，重建后的效果圖如圖9所示。從圖9中明顯可以看出，樣品2中第3個(gè)載玻片的外貌重建區(qū)域大于第1個(gè)載玻片的外貌重建區(qū)域。根據(jù)同樣的實(shí)驗(yàn)方法，得到樣品3和樣品4的三維重建圖像，分別如圖10和圖11所示。比較4個(gè)樣品的三維重建圖像，可以看出，寬場(chǎng)OCT能夠很好地區(qū)分透明介質(zhì)的三維細(xì)微結(jié)構(gòu)。而且，由于實(shí)驗(yàn)中采用面陣CCD獲得二維信息，無需機(jī)械橫向掃描，因此大大地提高了系統(tǒng)的成像速度和穩(wěn)定性。

圖9 不同角度觀察重建后樣品2的效果圖Fig.9 3D graphics of sample 2 from different angles

圖10 不同角度觀察重建后樣品3的效果圖Fig.10 3D graphics of sample 3 from different angles

圖11 不同角度觀察重建后樣品4的效果圖Fig.11 3D graphics of sample 4 from different angles

4 結(jié)論

寬場(chǎng)光學(xué)相干斷層成像(WFOCT)能夠提高OCT系統(tǒng)的掃描速率和實(shí)現(xiàn)高分辨率的三維顯微技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。本實(shí)驗(yàn)中編制了硬件接口程序和三維重建程序，采用八步移相法，在獲得多幅斷層圖像的基礎(chǔ)上，采用合適的算法，重建出了質(zhì)量較高的樣品外貌三維圖像，表明WFOCT系統(tǒng)可以高效率地對(duì)反射率較高的透明介質(zhì)進(jìn)行深度探測(cè)和三維形貌探測(cè)。

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