基于矩形窗函数优化的光学相干层析成像信号处理方法技术

在利用光学相干层析成像系统对被测样品进行成像时，样品臂与参考臂的色散失配会影响系统分辨率，因此进行深度分辨的色散补偿是非常重要的。此时需要将样品不同深度处的干涉信号从A‑line信号中截取再做傅里叶变换(FFT)，通过对截取所用的矩形窗函数进行优化，可有效减小信号加窗FFT中加窗产生的相位误差，准确提取被测样品在不同深度处的色散系数，提高色散补偿精度。

【技术实现步骤摘要】
基于矩形窗函数优化的光学相干层析成像信号处理方法
本专利技术涉及频域光学相干层析成像(FourierDomainOpticalCoherenceTomography，简称FD-OCT)技术，尤其是一种基于矩形窗函数优化的光学相干层析成像信号处理方法。
技术介绍
光学相干层析成像(OCT)通过探测样品背向散射光的强度来获取样品的结构信息，是一种高分辨、非侵入、可在体检测组织内部微观结构的光学断层成像技术。频域OCT技术通过对频域干涉谱信号的逆傅里叶变换(IFT)获得被测物体的层析图，具有微米或亚微米量级的空间分辨率。但是在高分辨率系统中由于采用的超宽光谱光源带宽超过100nm甚至达到几百nm，会导致色散效应加剧。色散会导致OCT相干信号的展宽与畸变，使系统实际分辨率小于理论值，因此色散补偿是实现高分辨率OCT的关键技术之一。色散的算法补偿是通过对OCT获取的数据进行后处理来消除色散展宽，具有灵活、便捷等优势。主要方法包括解卷积算法、迭代算法、自聚焦算法和全深度色散补偿方法等。由于大部分被测组织存在深度变化的色散，张仙玲、黄炳杰、A.F.Fercher等人提出不同种用于频域光学相干层析成像的深度分辨色散补偿方法，通过动态滤波，分离出被测样品各个深度的干涉谱，进而提取出各层深度的色散系数进行分别补偿，可以在全深度范围内获得较好的色散补偿效果。这类方法需要提取样品不同深度的信号进行FFT分析相位信息，得到不同深度的二阶及以上的色散系数，所以通常需要选用窗函数对样品结构信号进行截取得到某一深度的信号，再进行后续信号处理。在进行深度分辨色散补偿时，需要分离出不同深度处的干涉信号，加窗后仅要求精确读出主瓣频率，不考虑幅值精度；而矩形窗主瓣窄、旁瓣大、频率识别精度最高，幅值识别精度最低，因此使用矩形窗。但是在加窗截取信号过程中，如果窗口宽度过小，可能会使某些结构层的信息丢失，如果窗口宽度太宽则可能削弱后处理深度色散补偿算法的效果。并且为了更精确分析不同深度处频谱信息，加窗截取局部深度处的干涉信号时，在原则上需要尽可能增大窗口宽度，以提高频谱的频率分辨率。因此在对不同深度处干涉信号的相位提取时合适的窗口选择是非常重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于矩形窗函数优化的光学相干层析成像信号处理方法。在利用光学相干层析成像系统对被测样品进行成像时，样品臂与参考臂的色散失配会影响系统分辨率，因此进行深度分辨色散补偿是非常重要的。此时需要将样品不同深度处的干涉信号从A-line信号中截取后再做FFT，通过对截取所用的矩形窗函数进行优化，即将初级矩形窗得到的干涉信号FFT后提取相位，根据存在色散时相位与波数的函数关系将得到的相位用最小二乘法拟合二次多项式，并以拟合二次多项式的标准误差为判定条件，不断改变矩形窗口长度和中心位置，其中最小标准误差即对应最优化的矩形窗，该矩形窗下截取的干涉信号FFT后可得到逼近真实的相位。减小矩形窗的引入所带来的相位误差，更准确提取被测样品在不同深度处的色散系数，来提高色散补偿精度。本专利技术的技术解决方案如下：一种基于矩形窗函数优化的光学相干层析成像信号处理方法，其特征在于该方法包括如下步骤：①首先利用频域光学相干层析成像系统对样品进行扫描，该系统的光电探测阵列记录样品原始的干涉信号并传送计算机；②对原始干涉信号去背景后做逆傅里叶变换，得到A-line信号；③对A-line信号中任一深度的信号加初级矩形窗进行信号截取，并对截取到的信号进行傅里叶变换后求相位角得到该深度信号对应的初级相位；④根据色散时相位与波数的函数关系，以初级相位为目标函数，用最小二乘法拟合得到初级相位与波数的二次多项式，并计算拟合结果的标准误差；⑤改变初级矩形窗的窗口长度和中心位置，得到当前矩形窗；对A-line信号加当前矩形窗截取该深度范围内的信号，并对截取到的信号进行FFT后求相位角得到该深度信号对应的相位，以得到的相位为目标函数，用最小二乘法拟合得到相位与波数的二次多项式，并计算拟合结果的标准误差，即该矩形窗对应的相位的标准误差；然后继续改变矩形窗的窗口长度和中心位置，截取该深度范围内的信号，在矩形窗遍历所有设定情况后得到不同矩形窗对应的相位的标准误差；⑥步骤⑤中得到的标准误差最小值所对应的矩形窗即为最优矩形窗，利用该最优矩形窗即求出该深度信号对应的最终相位；⑦由该深度信号的最终相位计算对应的二阶色散系数；⑧对A-line信号中不同深度的信号重复步骤③④⑤⑥⑦，得到不同深度信号对应的二阶色散系数，并计算由色散引起的相位偏差；从该深度对应的相位中减去偏差量，得到色散补偿后的相位；⑨利用各个深度补偿后的相位重建出色散补偿后的频域干涉信号。所述步骤③中初级矩形窗的窗口长度和中心位置选取方法为：无样品时，A-line信号的平均幅值为噪声的均值；设置样品时，A-line信号中某一深度的信号的极大值，以该极大值所在的深度为初级矩形窗的中心位置，并向两侧扩展窗口，直到两侧的信号强度等于噪声的均值，此时初级矩形窗的窗口长度为该深度信号的窗口长度。所述步骤⑤中改变矩形窗的窗口长度和中心位置方法为：以A-line信号的单位长度为一个步长，将初级矩形窗起始位置向右移动1个步长，窗口末端位置依次向左和向右从1个步长移到N个步长，共得到2N个矩形窗，截取每个窗口下的干涉信号进行傅里叶变换提取相位，重复上述操作直到窗口起始位置向右移动N个步长；同样的，将初级矩形窗起始位置向左移动1个步长，窗口末端位置依次向左和向右从1个步长移到N个步长，共得到2N个矩形窗，截取每个窗口下的干涉信号进行傅里叶变换提取相位，重复到窗口起始位置向左移动N个步长结束，得到所有不同矩形窗截取信号时该深度信号对应的相位，N取15-30。所述步骤⑦中计算对应深度的二阶色散系数，具体是：步骤7.1对该深度处的干涉信号进行傅里叶变换得到最终的相位信息式中k表示波数，Δzn为样品第n层相对于参考臂反射镜的光程差，k0为光源中心波长对应的波数，nn是样品第n层处的有效折射率，ng,n是样品第n层处的有效群折射率，a2是样品第n层处的二阶色散补偿系数。步骤7.2以(k-k0)为自变量，对进行多次项数值拟合，得到的二次相位项即为该深度处信号对应的二阶色散系数。本专利技术基于矩形窗函数优化的光学相干层析成像信号处理方法的特点是针对被测样品在进行深度分辨色散补偿时，对样品不同深度处干涉信号做加窗FFT，对其A-line信号截取所用的单一阈值确定的初级矩形窗函数的窗口长度和中心位置进行优化，不断逼近相位的真实值，减小信号加窗FFT中窗口引入的相位误差，以此得到样品在不同成像深度处的最优色散系数，达到更好的色散补偿效果。本专利技术的技术解决方案原理：目前对数字干涉信号时-频域相位提取的方法主要为傅里叶变换法，但是傅里叶变换是一种全局变换，较适用分析平稳信号；而在对非平稳信号进行分析时，会产生不同局域的频谱混叠，以致于不能精确地提取基频。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于矩形窗函数优化的光学相干层析成像信号处理方法，其特征在于该方法包括如下步骤：/n①首先利用频域光学相干层析成像系统对样品进行扫描，该系统的光电探测阵列记录样品原始的干涉信号并传送计算机；/n②对原始干涉信号去背景后做逆傅里叶变换，得到A-line信号；/n③对A-line信号中任一深度的信号加初级矩形窗进行信号截取，并对截取到的信号进行傅里叶变换后求相位角得到该深度信号对应的初级相位；/n④根据色散时相位与波数的函数关系，以初级相位为目标函数，用最小二乘法拟合得到初级相位与波数的二次多项式，并计算拟合结果的标准误差；/n⑤改变初级矩形窗的窗口长度和中心位置，得到当前矩形窗；对A-line信号加当前矩形窗截取该深度范围内的信号，并对截取到的信号进行FFT后求相位角得到该深度信号对应的相位，以得到的相位为目标函数，用最小二乘法拟合得到相位与波数的二次多项式，并计算拟合结果的标准误差，即该矩形窗对应的相位的标准误差；然后继续改变矩形窗的窗口长度和中心位置，截取该深度范围内的信号，在矩形窗遍历所有设定情况后得到不同矩形窗对应的相位的标准误差；/n⑥步骤⑤中得到的标准误差最小值所对应的矩形窗即为最优矩形窗，利用该最优矩形窗即求出该深度信号对应的最终相位；/n⑦由该深度信号的最终相位计算对应的二阶色散系数；/n⑧对A-line信号中不同深度的信号重复步骤③④⑤⑥⑦，得到不同深度信号对应的二阶色散系数，并计算由色散引起的相位偏差；从该深度对应的相位中减去偏差量，得到色散补偿后的相位；/n⑨利用各个深度补偿后的相位重建出色散补偿后的频域干涉信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于矩形窗函数优化的光学相干层析成像信号处理方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
①首先利用频域光学相干层析成像系统对样品进行扫描，该系统的光电探测阵列记录样品原始的干涉信号并传送计算机；
②对原始干涉信号去背景后做逆傅里叶变换，得到A-line信号；
③对A-line信号中任一深度的信号加初级矩形窗进行信号截取，并对截取到的信号进行傅里叶变换后求相位角得到该深度信号对应的初级相位；
④根据色散时相位与波数的函数关系，以初级相位为目标函数，用最小二乘法拟合得到初级相位与波数的二次多项式，并计算拟合结果的标准误差；
⑤改变初级矩形窗的窗口长度和中心位置，得到当前矩形窗；对A-line信号加当前矩形窗截取该深度范围内的信号，并对截取到的信号进行FFT后求相位角得到该深度信号对应的相位，以得到的相位为目标函数，用最小二乘法拟合得到相位与波数的二次多项式，并计算拟合结果的标准误差，即该矩形窗对应的相位的标准误差；然后继续改变矩形窗的窗口长度和中心位置，截取该深度范围内的信号，在矩形窗遍历所有设定情况后得到不同矩形窗对应的相位的标准误差；
⑥步骤⑤中得到的标准误差最小值所对应的矩形窗即为最优矩形窗，利用该最优矩形窗即求出该深度信号对应的最终相位；
⑦由该深度信号的最终相位计算对应的二阶色散系数；
⑧对A-line信号中不同深度的信号重复步骤③④⑤⑥⑦，得到不同深度信号对应的二阶色散系数，并计算由色散引起的相位偏差；从该深度对应的相位中减去偏差量，得到色散补偿后的相位；
⑨利用各个深度补偿后的相位重建出色散补偿后的频域干涉信号。


2.根据权利要求1所述的基于矩形窗函数优化的光学相干层析成像信号处理方法，其特征在于步骤③中初级矩形窗的窗口...

【专利技术属性】
技术研发人员：张茜，李中梁，王向朝，南楠，何东航，欧阳君怡，杨晨铭，刘腾，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31