[发明专利]基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像（OCT）技术和谱域光学相干层析成像（SD-OCT）技术，尤其涉及一种基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量系统及方法。

技术背景

光学相干层析（Optical Coherence Tomography，简称OCT）成像技术是一种新型的光学成像技术，能够对组织结构与生理功能进行非侵入、非接触、高分辨率的在体成像，在生物医学成像与无损检测领域有着广泛应用前景。

为获得组织的功能信息，多种功能型OCT相继得到发展。其中多普勒OCT能够实现血液流速的成像，在医学研究和临床应用中具有重要意义。目前的流速测量大多基于传统的相位分辨方法，通过计算同一横向位置相邻轴向扫描信号之间的相位变化来提取多普勒流速信息。相位分辨方法灵敏度高，是广泛采用的多普勒OCT流速信息获取方法。但相位分辨方法易受相位噪声干扰，速度探测灵敏度受相位噪声限制，难以实现组织中低流速毛细血管的可靠探测。

多普勒OCT的相位噪声主要包括信噪比相关的相位噪声、非均匀组织横向扫描相关的相位噪声、系统稳定性及样品抖动相关的相位噪声、信号探测及算法相关的相位噪声，而毛细血管中与血流运动关联的轴向多普勒频移往往非常小，需要足够长的采样时间间隔才能得到超过上述相位噪声的相位变化，但采样时间间隔的延长往往意味着更大的相位噪声，反而不利于速度灵敏度的进一步提高。

为了消除相位噪声的影响，光学显微血管造影方法人为地将与相位噪声相关的低频信号分割出去，虽然改善了血管图像的显示效果，但必然造成部分毛细血管信息的丢失。联合谱域与时域成像方法，基于时间域的频移而非相位变化来提取多普勒频移信息，虽然缓解了对相位噪声的敏感性，但同时也降低了对流速信息的敏感性。因此，抑制非血流运动相关的相位噪声是高灵敏度血流成像面临的核心难题。

同时，血管中的速度引起的相位变化的探测受限于                                               相位卷绕，在一定采样时间间隔的条件下，当流速增大到一定程度，对应的相位变化大于时，对速度的求取将发生错误。因此，为了探测大流速，必须缩短采样时间间隔，从而使相位变化范围以内。但这与上面所述的小流速探测所需要的长的采样时间间隔产生矛盾。因此在大流速和小流速的探测上存在一个权衡的问题，限制了系统的流速测量的动态范围。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量系统及方法。

基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量系统：

本发明包括宽带光源、宽带光纤耦合器、样品臂、参考臂和探测臂。所述样品臂包括样品臂准直镜，样品臂快轴扫描振镜、样品臂慢轴扫描振镜、样品臂聚焦透镜和样品；所述的参考臂包括参考臂准直镜、参考臂聚焦透镜和参考臂平面镜，所述的探测臂包括光谱仪准直镜、光谱仪闪耀光栅、光谱仪聚焦透镜和高速CMOS相机。宽带光源与宽带光纤耦合器一侧的一端连接； 宽带光纤耦合器另一侧一端与样品臂准直镜的入射端连接，样品臂快轴扫描振镜位于样品臂准直镜的出射光路上，慢轴扫描振镜位于快轴扫描振镜的反射光路上，样品臂聚焦透镜位于慢轴扫描振镜反射光路上，样品位于样品臂聚焦透镜的焦深范围内。宽带光纤耦合器另一侧的另一端与参考臂准直镜的入射端连接，参考臂聚焦透镜位于参考臂准直镜的出射光路上，参考臂平面镜位于参考臂准直镜的焦面；宽带光纤耦合器一侧的另一端与光谱仪准直镜的入射端连接，光谱仪闪耀光栅位于光谱仪准直镜的出射光路上，光谱仪聚焦透镜位于光谱仪闪耀光栅的出射光路上，高速CMOS相机位于光谱仪聚焦透镜的焦面。

基于OCT的大动态范围流速的高灵敏度测量方法包括以下步骤：

步骤一：在谱域OCT样品臂中，采用快速锯齿波驱动与慢速阶梯波驱动的二维扫描策略对样品进行二维扫描。从而使干涉信号在快速扫描方向有小的采样时间间隔，在慢速扫描方向具有大的采样时间间隔。扫描得到的干涉信号进入谱域OCT探测臂，经过光谱仪分光，由高速CMOS相机采集，得到干涉光谱信号。

步骤二：对采集到的干涉光谱信号作光谱校正与插值等预处理，得到在波数（k）空间均匀分布的干涉光谱信号。然后再作去直流项和去自相干项处理，得到样品干涉光谱信号：

其中k为波数，t为扫描时间，对应不同的(x, y)位置，S(k)为光源功率谱函数。a(x,y,z)和v(x,y,z)分别为样品中不同位置的反射系数和多普勒流速，n为样品的折射率。