（光学工程专业论文）视网膜光学相干层析成像（OCT）模式识别与诊断.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 光学相干层析( o c t ) 技术是一种新型的成像技术，利用o c t 技术可以得 到清晰的视网膜阻及黄斑区的层析图。o c t 利用后向散射和反射光，能够对 透明物质的内部微结构进行成像。具有高分辨率、非入侵等优点。 本文对视网膜o c t 图像韵预处理和识别方法进行了研究。根据o c t 图 像的特征，提出了一种将图像分割、图像增强等处理技术结合在一起的图像 预处理方法，实现了图像的自动边缘检测与轮廓提取。利用k - l 变换进行图 像特征提取。对比分析了几种视网膜o c t 图像的识别方案，通过采用不同的 图像预处理、特征提取以及图像识别方法，得到了不同的结果，最终确定了 视网膜o c t 图像的最佳识鄹方案。 在m a t l a b 环境下实验各种图像识别方法，实现了眼底病的自动诊断。 对完善o c t 系统，增强其实用性有着重要的意义。 关键词：光相干层析：图像预处理；图像识别；诊断 哈尔滨工程天学硕十学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h yi sar e c e n t l yd e v e l o p e di m a g i n gt e c h n o l o g y w i mo c tt e c h n o l o g yo t l ec o u l do b t a i nc l e a rm m o g r a p h yp i c t u r e so fr e t i n aa n d m a c u l al u t e o t h eu n i q u ec a p a b i l i t yo fo c ti st oe x p l o r em i e r o s t r u e t u r ew i t h i n t r a n s p a r e n tm e d i ab yu s i n gb a c k s e a t t e r e do rb a c k r e f l e c t e dl i g h t o c tp e r f o r m s 1 1 i g hr e s o l u t i o n , n o n - i n v a s i o n ap r e p r o e e s s i n ga n di d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u eo fo c ti m a g eo fr e t i n ah a s b e e nd e v e l o p e da n dd e m o n s t r a t e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f o c ti m a g e ，i n t e g r a t e di m a g es e g m e n t a t i o nh a sb e e na d o p t e dt ob e t t e rd e t e c t c o n t o u ra r e a t h ee d g ea n dc o n t o u rw e r ee x t r a c t e da u t o m a t i c a l l yt h r o u g hi m a g e s e g m e n t a t i o na n de n h a n c e m e n t t h ef e a t u r e e x t r a c t i o ni sp e r f o r m e db yk - l t r a n s f o r m c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gs e v e r a li d e n t i f i c a t i o np l a n so fo c ti m a g e ， w eo b t a i n e dd i f f e r e n tr e s u l t sb yu s i n gv a r i e dp r o c e s s i n gm e t h o di ni m a g e p r e p r o c e s s i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i n ga n di d e n t i f i c a t i o n f i n a l l y ，t h eo p t i m a lp r o j e c ti s e s t a b l i s h e d p r o c e s s i n gi sp e r f o r m e dw i t hm a t l a b 7 0 t h ea u t o m a t i cd i a g n o s i so fe y e g r o u n dd i s e a s e si sr e a l i z e d i t i sv e r ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v eo c ts y s t e ma n d e n h a n c et h eu s a b i l i t y k e y w o r d s ： o c t i m a g ep r e p r o c e s s i n g ：i m a g ei d e n t i f i c a t i o n ：d i a g n o s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：箍亟垒 日期：彦咿衫年，一月c , 2 0 日 哈尔滨：【程大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 光学层析成像技术概述 光学相干层析技术( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ) 是一种新型的对活 体组织进行非入侵的光学诊断成像技术，它将低相干干涉仪与共焦扫描显微 技术结合在一起，去掉物镜焦点以外的散射光，利用高灵敏度的探测技术， 实现在光散射介质如生物组织中获得清晰的层析图像 1 - 3 l 。o c t 生成的二维图 像为轴向反射率相对于组织深度的图像，它可通过连续地纵向扫描来获得。 o c t 通过测量回波时间延迟和后向散射光大小，可进行材料及生物系内部微 观结构高分辨率横断面层析成像。图像分辨率可达1 5 微米，比传统的超声波 高l 2 个数量级。成像可以实时进行。因这一技术的独特优点，它在研究及 医学应用方面用途广泛。 层析成像以再现物体投影的截面结构为基础，层析技术能够产生三维物 体的片层图像【7 1 。早在二+ 世纪g o g 代就出现了三种基本的光学层析技术： 散射光层析技术( d o t ) 、光学衍射层析技术( o d t ) 、光学相干层析技术 ( o c t ) 。散射光层析技术利用的是以散射形式传播的光予。时间或空间调制 的光入射到生物组织上又被多次散射。散射光层析技术应用了后向投射技术、 扰动方法以及非线性优化方法获得层析图。光衍射层析技术是利用单散射光， 根据b o m 和w o l f l 9 9 9 年提出的傅立叶衍射投影理论来获得层析图。目前，标 准的衍射层析方法可以用来进行散射光子密度波成像。从物理原理上讲，光 学相干层析技术是在光衍射层析技术的基础上构建起来的。由于光学层析技 术可以获得非侵入的可供医疗诊断的图像，所以其在医学领域占有极其重要 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的位置。 光学层析技术与广为人知的计算机层析技术( c t ) 在很多方面有所差 别； 散射光层析技术利用高衍射和散射辐射；直射光的倍增只能通过部 分光子来实现；重组法则必须要考虑到衍射。 光学相干层析图像是由连续的纵向扫描合成的，纵向扫描由直接传 播的低相干探测光完成，这对于消除纵向分辨率与横向分辨率的相 互影响是有利的。 光学相干层析技术利用的是后向散射光，光在样本中同一区域通过 两次。 1 9 9 1 年第一次演示光学相干层析术是人类视网膜和动脉粥样硬化噬菌 斑的活体成像 8 - 1 1 】。作为在透明、轻度散射介质和强散射介质中成像的例证， 这一研究使用光纤迈克尔逊干涉仪具有参考臂扫描和在8 0 0n m 处的超发光 二极管低相干光源，轴向分辨率为1 0 m 。1 9 9 3 年演示了人类视网膜的活体 光学相干层析术成像。1 9 9 5 年，开始眼科临床研究。从那时起许多光学相干 层析术在材料和医学方面进行运用i 协13 1 。同时光学相干层析技术在分辨率和 性能上有了很大的提高【1 4 1 。 1 1 2 眼科影像学检查方法 近年来眼科影响学检查方法发展很快，逐渐成为眼科临床诊断的常用法 【l5 】。常用的眼科影像学检查方法主要有以下几种： 1 眼超声检查 眼科常用超声扫描仪分为a 型和b 型，近年来彩色超声多普勒也用于眼 科。 a 型超声扫描：显示探测组织每个声学界面的回声，以波峰形式、 2 哈尔滨工程大学硕七学位论文 按回声返回探头的时间顺序依次排列在基线上，构成与探测方向一 致的一位图像。 b 型超声扫描：通过扇型或线阵扫描，将界面反射回声专为大小不 等、亮度不同的光点形式显示，光点明暗代表回声强弱。 彩色超声多普勒成像( c d i ) ：当超声探头与被检测界面问有相对运 动时，使回声频率发生改变，这种现象即多普勒效应。c d i 利用多 普勒效应，将血流特征以彩色形式叠加在b 型灰阶图上。以血流彩色 作为知识，定位、取样及定量分析。可检测眼动脉、视网膜中央动 脉、睫状后动脉血流以及眼内、眶内肿瘤等。 2 电子计算机断层扫描( c t ) 利用电离射线和计算机的辅助形成多个横断面的影像。可能的成像面有 轴向、冠状位、重建冠状位和重建矢状位。可用于观察软组织或骨性结构。 每次扫描层厚度通常为3 m m ，检查视神经则用1 5 r a m 厚度。c t 扫描适应证： 眼内肿瘤；眼眶病变眼外伤眶骨骨折；眼内、眶内异物：不明原因 的视力障碍，视野缺损等，探查视神经和颅内占位性病变。 3 核磁共振成像( m i r ) 通过射频探测病变，用于眼内、眶内及颅内病变的诊断。因其穿透力强， 又利用质子密度、质子流动的情况，所以在发现病变、确定病变性质、位置 及周围组织关系上，其灵敏度优于c t t 丽且因骨质缺水，质子密度低，可消 除骨质的干扰与伪影。特别是用于检测割断视神经及眼相关的颅神经病变。 但禁忌探测磁性异物及心脏起搏器。 4 眼科计算机图像分析 计算机图像处理、扫描共焦激光等技术的应用是现代眼科发展的重要标 志，为眼科诊断及研究提供了更精密的检查方法。 角膜拓扑仪：对激光投射在角膜上规则的、十多层圆环进行计算机 哈尔滨1 ：程入学硕士学位论文 分析、三维重建，描绘角膜表面的地形图。可以进行角膜散光、圆 锥角膜的定量分析，指导屈光性角膜手术。 角膜共焦显微镜：利用共焦激光对活体角膜进行不同层面的扫描， 可以显示角膜的超微结构，辅助真菌、棘阿米巴角膜炎鞲的诊断。 角膜内皮镜：可记录角膜内皮细胞的排列状觋及计数，有利于角膜 内皮功能的评价。 扫描激光偏振仪：采用相互垂直的两束偏振激光、扫描式盘周围的 视网膜视神经纤维层( r n f l ) ，平行于r n f l 排列的光反射比垂直 于r n f l 的光反射快。两者反射的时间差成为偏振延迟值，此值间接 反映r n f l 的厚度，可辅助青光眼早期诊断。 扫描激光拓扑仪：利用共焦激光进行视盘3 2 个层面的扫描，对视盘 表面地形给予三维扫描，自动检测视盘、视杯、盘沿有关参数几十 个，用于青光眼早期诊断及视神经随诊检测。 超声活体显微镜：利用3 0 , - - 5 0 m h z 的高频高分辨率的b 超，由于其穿 透力差，仅用于眼前段的疾病诊断。 光学相干层析扫描仪( o c t ) ：o c t j , 韭行视网膜断层扫描的原理类 似b 超，不同的是o c t 采用的是8 5 0 r i m 波长的光扫描，而b 超采用的 是声频扫描。主要用于黄斑水肿、裂孔的测量及青光眼r n f l 厚度的 测量。 1 1 3 为什么要选用o c t 各种成像技术，如x 射线计算层析成像c t ) 、核磁共振成像、超声波 成像等，在医学上已经获得广泛应用，成为现代医学诊断技术的一个显著 标志。每种技术由于其不同的工作原理，决定了其不同的分辨率和探测深度、 不同的适用范围、不同的检测部位和功能特点。x 射线计算层析成像探测深 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 度深，分辨率也较高，但入射的高能量会使生物组织离化，频繁使用会损 害身体。超声波成像分辨率较低。核磁共振虽有亚毫米级的分辨率，但所需 的超导磁体价格昂贵。 h u a n g 等人首次把o c t 技术用于人眼视网膜细微结构和冠状动脉壁结 构的成像，获得了成功。s c h m i t 等人将其用于生物组织光学特性参数的 钡4 量， 也取得了很好的效果。鉴于它广泛的应用前景，国际上在开展研究工作的同 时，已经向产品化方向发展。国内也有一些科研小组开始进行有关的研究工 作。 当今医学影像技术在现代医院中的作用愈来愈重要，除了众所周知的x 光、超声波诊断、核磁共振成像及各种内窥镜检查外，其他技术也层出不穷， 可以解决许多以前影像检查方法所不能解决的问题。但他们各自仍存在局限 性：x 光检查不能准确探测出初期的肿块，高能量照射时人体组织容易产生 伤害：超声检查不具有探测尺寸小于几毫米物体的分辨本领，和x 光一样不 能提供任何组织化学成分信息；核磁共振成像虽有较好的空间分辨率，能探 测特殊组织的化学物质，但费用极其昂贵，不利于常规应用；内窥镜检查可 清晰地看到组织结构并能夹取活检，但同样不能实时地确定组织的成分。 o c t 最初的应用是眼科学成像“6 1 。目前，医学仍然是o c t 的主要应用 领域。与其他的光学技术相比，o c t 具有很多卓越的优点： 纵向分辨率和样本入射光的数值孔径相互独立； 高纵向分辨率和横向分辨率； 非接触、非侵入式的操作； 可以增加与图像对比度有关的功能。相关的对比技术是基于多普勒 频移，偏振和波长相关的后向散射。 现在，o c t 作为一种非侵袭性的诊断工作，在临床医学中开始发挥其巨 大作用，因为o c t 图像的轴向分辨率可达到1 0 2 m ，比现在任何一种临床诊 断设备的分辨率高达l o 倍以上，且这种光纤式结构不仅便宜而且很容易进入 导管，与内窥镜进行相结合作业，在人体内部的组织器官检查中得到很高的 分辨率，特别是眼科学、心脏学、皮肤病等学科诊断中具有明显的优势。 对于青光眼的诊断和处理目前在临床是十分棘手的问题，眼内压测量经 常不能准确预测出青光眼的病情进展，只有在视网膜神经纤维缺少5 0 以上 时，视野缺损和视神经乳头凹陷这样的后期临床诊状才能检测到。o c t 对视 网膜结构的高分辨率成像，对眼科临床上诊断青光眼、斑变质和斑水肿十分 可靠。 视网膜视神经纤维层是在青光眼中受影响的解剖结构，由于o c t 的高分 辨率可敏感地测量视网膜神经纤维层的厚度且观测到视盘的外形变化，可以 在o c t 中明确的判别。相对于玻璃体和视网膜结构，视网膜神经纤维层是一 个相对高散射的介质层，由于视神经纤维的圆柱形状，视网膜神经纤维层的 后散射信号强度依赖于入射光的角度，这种角度依赖型导致了神经纤维变成 视神经的视盘边缘的视网膜神经纤维层信号衰减。现在通过察看患者的视网 膜神经纤维层厚度就可以估测出青光眼病情的进展，这在以前对青光眼的诊 断上是没有一个客观标准的。对青光眼的诊疗上是一个突破而且o c t 检查几 乎不会给病人造成任何不适。 1 2 本课题研究目的、意义 视网膜o c t 图像自动识别系统是涉及现代数学，模式识别、图像处理、 计算机视觉等多个领域，对完善o c t 系统，增强其实用性有着重要的意义。 近2 0 多年来，医学影像已成为医学技术中发展最快的领域之一，其结果 使临床医生对人体内部病变部位的观察更直按、更清晰，确诊率也更高。7 0 年代初，x - c t 的发明曾引发了医学影像领域的一场革命，与此同时，核共振 成像，超声成像、数字射线照相术、发射型计算机成像和核素成像等也逐步 6 哈尔滨工程大学硕七学位论文 发展【1 7 1 。计算机和医学图像处理技术作为这些成像技术的发展基础，带动着 现代医学诊断正产生着深刻的变革。各种新的医学成像方法的临床应用，使 医学诊断和治疗技术取得了很大的进展，同时将各种成像技术得到的信息进 行互补，也为临床诊断及生物医学研究提供了有力的科学依据。因此，医学 图像处理技术一直受到国内外有关专家的高度重视。 借助于现代计算机技术结合病理专家实践经验，采用图像处理技术对医 学图像进行处理，从而对视网膜o c t 图像进行识别，对于医学科研与教学， 以及临床诊断方面有着现实的意义和非常广阔的前景。 目前，数字图像处理、模式识别和人工智能技术已经被广泛的应用在生 物医学领域，并取得了一些成果 i s - 1 9 1 ，但用模式识别对o c t 视网膜层析图进 行病理诊断的系统报道并不多。本论文利用图像处理技术结合医学病理专家 的知识经验对视网膜o c t 图像进行分类识别的研究，应用模式识别对细胞图 像进行诊断分类，达到利用视网膜o c t 图像识别进行眼底病辅助诊断的目的。 本文的主要工作首先是通过借用了大量的图像处理技术和算法，如图像滤波、 图像增强、边缘检测等对图像进行了预处理。尔后利用k - l 变换进行特征提 取，最后采用最近邻法、b p 神经网络等方法对o c t 产生的视网膜层析图进行 分类并诊断，通过m a t l a b7 0 软件分别实现了用几种图像识别方法对典型 视网膜及黄斑病症的分类诊断，对o c t 系统的推广与完善具有重要意义。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章o c t 工作原理 2 1 迈克尔逊干涉仪 o c t 系统的核心是一个光纤迈克尔逊干涉仪。 迈克尔逊干涉仪最早是为了研究光速问题而精心设计的，它是一种分振 幅的干涉装置。它设计精巧，用途广泛，是近代干涉仪的原型。 2 1 1 自由空间中的迈克尔逊干涉仪 迈克尔逊干涉仪的光路图如图2 1 所示，其中m ，和m ，是一对精密磨光 的平面镜，b 和c 是厚薄和折射率都很均匀的一对相同的玻璃板。在b 的背 面涂了一层很薄的银膜，以便从光源射来的光线在这里被分为强度差不多的 两部分，其中反射部分射到m ，经m 。反射后再次透过b 进入探测器；透射 部分射到m ，经m ，反射后在经b 上的半镀银面反射到探测器，这两相干光 束中各光线的光程差不同，它们在探测器上相遇时产生一定的干涉图样。 菘錾詈 2 1 2 光纤迈克尔逊干涉仪 光纤干涉仪的基本形式由自由空间的干涉仪变化而成。在光纤干涉仪中， 8 哈尔滨工程大学硕七学位论文 一般采用单模光纤作为光载波传输通道，利用光纤分路器、耦合器等光纤器 件实现光波的分束或合成。光纤迈克尔逊干涉仪光路图如图2 2 所示，从光 源发出的单色光波经耦合器分为两柬。一束经过参考反射镜m ；形成干涉仪的 参考臂，另一束达到测量反射镜m ，形成干涉仪的测量臂，这两束光分别经 m 和m ：反射后，在经耦合器合成形成干涉，应用光电探测器d 可以检测出 参考光和测量光的干涉信号。 图2 2 光纤干涉仪光路图 由于光纤具有径细、可挠曲性好、抗电磁干扰能力强等优点，可以进行 远距离传送，以及适用于易燃、易爆等复杂环境下工作等独特优点。因此， 利用光纤光路组成的干涉仪可以达到很高的检测灵敏度，成为目前发展迅速 具有广泛应用前景的重要测试方法。 2 2 低相干光学原理 几何光学和波动光学是经典光学的两个部分【2 0 1 。振动在空间的传播形成 波动，波动是自然界相当普遍的一类运动形式。- - y j 波在空间传播时，在空 间的每一点引起振动，当两列( 或多列) 波在同一空间传播时，空间各点都 参与每列波在该点引起的振动，如果波的独立传播定律成立，则当两列( 或 多列) 波同时存在时，在他们的交迭区域内每点的振动是各列波单独在该点 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 产生振动的合成，这就是波的叠加原理。所以，波的叠加就是空间每点振动 的合成问题。对于标量波，波函数是标量的叠加： u ( e ，t ) = u ( j p ，r ) + u 2 ( p ，) + ( 2 1 ) 对于矢量波，波函数是矢量的叠加： v ( e ，f ) = u j ( p ，r ) + 【，2 ( p ，f ) + ( 2 2 ) 式中，p 一波场中任意场点 波的叠加原理与独立传播定律一样，适用性是有条件的。这条件一是媒 质，二是波的强度。光在真空中，总是独立传播的，从而服从叠加原理。光 在普通的玻璃中，只要不是太强，也是独立传播和服从叠加原理的。波在其 中服从叠加原理的媒质，称为“线性媒质”，不服从叠加原理的媒质，称为“非 线性媒质”。违反叠加原理的效应，称为非线性效应。 将波函数写成复数形式。两列同频率的标量波的波函数为： 雕糍p ) e 纛 沼s ， l ， 【= 4 ( 嘞” 光强正比于振幅的平方，或振幅与其共轭的乘积，于是： ，( p ) = u ( p ) u + ( 尸) = 【u l ( p ) + ( 尸) 】【u i ( 尸) + 以( 尸) 】( 2 - 4 ) = 【4 i ( d 】2 + 【4 ( 尸) 】2 + 4 ( _ p ) 4 ( p ) 0 埔。 + p 。“ ) 所以，两列波相叠加的光强为： i ( p ) = i i ( d + 1 2 ( p ) + 2 ，i ( p ) ，2 ( p ) c o s s ( p ) ( 2 5 ) 万( 即= 妒( p ) 一妒：( ，) ( 2 6 ) 这种因波的叠加而引起强度重新分布的现象，叫做波的干涉。 又因为 ( 盼：孕 ( 2 7 ) 晗尔滨t 程入学硕十学位论文 所以 艿( 尸) ：_ - 2 7 t a d ( 2 8 ) 缸= ，i 一，2 ( 2 - 9 ) 其中，- 光程 一光程差 ，光强 占两波在p 点的相位差 式( 2 - 1 ) 告诉我们，两波叠加时，在一般情况下，强度不能直接相加： z ( p ) ，l ( p ) + ，2 ( p ) ( 2 - 1 0 ) 相差有2 ，1 ，2c o s o ( e ) - - 项，艿( p ) 与位黄有关，e o s s ( e ) - - i i e 可负，在 些c o s 8 ( _ p ) 0 的地方，( p ) ( p ) + l ( p ) ；e o s s ( p ) 0 的地方， j ( ，) “p ) + j 2 ( p ) 。式( 2 3 ) 中2 ，l ( p ) ，2 ( p ) s 万( d 一项称为干涉项。 产生干涉的必要条件( 相干条件) 有三条： ( 1 ) 频率相同 ( 2 ) 存在相互平行的振动分量 ( 3 ) 相位差艿( p ) 恒定 其中，第一条是任何波发生干涉的条件，因为条件不同时，j ( p ) 中将出 现 ：怒蝴+ o a 2 j ) t ：嚣嚣州a ，2 ) t + f a , o - 硝沼= c o s 【( 鳓+ 仍o + 仍0 1 + c o s 【( 魏一硝 若缈。田：，其时间平均值总是为零，没有干涉效应。 第二条是对矢量波而言，标量波是不必要的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第三条是对微观客体发射的光波而言，这是相干的重要条件。 两个独立光源所发出的光无法满足上述相干条件，因为它们的辐射是互 不相干的，彼此独立的；它们的振动方向、初相位不断的随时间独立的变化 着。因此，只有两列光波是从同一辐射中心发出的，即把同一原子所发出的 光波分解成两列或几列，然后，是它们经过不同的光程后相遇，便可以满足 相干条件，产生光的干涉现象。 干涉测量方法是光电传感技术的主要手段，大部分干涉仪采用激光作光 源，其缺点之一是只能进行相对测量，即只能用作状态量的相对变化测量而 不能用于状态量的绝对测量。近几年发展起来的采用白光( 或称宽带光) 作 为光源的干涉测量方法，不仅可实现状态量的绝对位置测量，而且，具有分 辨率高、抗干扰能力强、精度高和操作方便等优点。 o c t 成像光学系统部分主要为迈克尔逊干涉仪，光源为宽谱光源，从光 源发出的光经过光纤耦合器，分束后分别照射到样品和参考镜上，如果参考 镜处的反射率一定，那么由于样品的不均匀性，从样品不同深度散射回来的 光的强度就不同，所以当两束光相遇时产生的干涉信号里就带有样品不同深 度的光反射率信息。由于光源采用的是宽谱光，干涉条纹不再是等幅的正弦 波，此正弦波的包络受光源光谱傅立叶函数变换调制，由于调制函数的作用， 当两臂的光程差大于光源的相干长度时，将不会有干涉条纹出现。而当两臂 的光程差小于光源的相干长度时，就会产生如图2 3 所示的低相干光干涉图， 其具有振幅极大的中心干涉条纹对应于两臂光程绝对相等处。利用这一干涉 特性，当光纤传感器的长度发生变化时，则将导致光程发生变化。于是可移 动参考比较臂的反射扫描镜，来找到变化后的平衡点，通过测量反射扫描镜 的变化前后的位移即可测得相应的光纤传感器长度的变化。o c t 成像的主旨 就是要得到样品不同深度的反射率分布。 哈尔滨j ：程入学硕士学位论文 蛐ililllilllil8l陪。vvvvw竺： ( a ) 激光干涉图样( b ) 低相干光干涉图样 2 3 光学层析技术 图2 3 激光与低相干光干涉图样对比 一段时间以来，x 射线和，射线一直被应用于获取样本的层析图。这其 中的一个问题就是要从直接从光的客体中重新建立数学模型。解决这个问题 应用的是傅立叶分层理论，这也证明了客体的三维傅立叶数据可以从二维的 傅立叶变换中获得。 图2 a ( a ) 和( b ) 是o c t 的两种基本光路。旋转反射镜进行侧面扫描( l a t e r a l s c a n ) 。我们可以注意到，为使光线共焦，在( a ) 图中，在光电探测器前使 用了小孔光阑，而( ”图中，单模光纤的芯径只有大约5 m 。这样，外部杂 散光就在很大程度上得到了抑制。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) 自由空间中的o c t 低相干光源- 扫描 ( b ) 光纤o c t 系统结构 图2 4 自由空间与光纤o c t 系统的结构示意图 2 4 低相干光源 低相干光源，是指相干长度在2 0 5 0 a n 的光源。两o c t 成像系统所用 光源的特征参数决定了成像的诸多指标，例如纵向分辨率、信噪比等。所以 正确选择o c t 成像光源很重要。 在白光干涉中，组成白光光谱的各个单色光之间会相互干涉，并对最终 1 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 的干涉光强产生贡献，不同的单色光的干涉光强分别叠加，而不同频率的光 之间彼此不发生干涉，使得综合相干长度变短，干涉条纹的区域非常有限， 因此，由干涉条纹的包络来确定双光束的零光程差相位。 2 4 1 理想单色光的干涉信号强度分布 设入射光振幅为1 ，经过光纤分束器( 分光比为5 0 ：5 0 ) 分成两束光， 经过参考臀和信号臂反射回来。设参考臂和信号臂的反射率分别为振幅反射 率0 ，则根据楣干理论可以推出干涉信号的强度为 ，= 三彳+ 1 4 r 。= + l r , r , c o s ( 2 刎) ( 2 1 2 ) 其中，= 一，为信号臂的长度；，为参考臂的长度。 2 4 2 横向和纵向分辨率 o c t 系统的分辨率分为两部分：纵向分辨率是由相干长度，决定的( 见 式( 2 1 3 ) ) ，而横向分辨率则与聚焦的入射光的最小光斑半径纨有关。利用 忽略了透镜的衍射的a b c d 法则，得到了横向分辨率，大致同光源的相干长 度相等： ：孚吾( 2 - 1 3 ) 其中，毛相干长度 平均波长 a a - 光谱宽度 哈尔滨t 程天学硕士学位论文 妒匆 ( 2 1 4 ) 其中，国。聚焦前的最小光斑半径 ，一透镜的焦距 五一焦平面与非聚焦光腰处的距离 从上式中可以看出，为使入射光的腰斑半径，达到最小值，可以减小透 镜焦距或者增加焦平面与非聚焦光腰处的距离互。在任何情况下，聚焦光 束任意点的疆斑半径可以表示为： 国( = ) =( 2 1 5 ) 其中，止任意点离最小腰斑的距离 比较恰当的o c t 点伸展函数是由史密斯提出的。它定义点伸展函数式在 透镜的聚焦区域内的o c t 信号的点分散程度的函数。如果高斯光束的多散射 可以被忽略，则点伸展函数的包络函数为： 7、：一酬。41a2e-n(ar e k - e ( 6 z ， ，z ) = 7 叫“7 其中，& 散射光子在入射光光轴方向上的位移 r 散射光子在半径方向上的位移 我们可以得到在半峰值对应的全光谱处( f w h m ) 的高斯分布的光谱振 幅为4 ( 芷) e - 4 1 n 2 ( 乡幺。) 2 ，在k 空间必一删和f w l i m 在z 空间的振 幅z 。，乘积为 a 爱m o 月m = 8 1 n 2 ( 2 - 1 6 ) 或者， 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 止2 瓦8 1 n = 2 ( 2 1 7 ) 上式又与波长有关，所以得到o c t 系统的纵向分辨率为： 止一= 半彘 弦 傅立叶域的o c t 可以直接应用在和振幅有关的一些不确定关系中。值得 注意的是，时域o c t 也可以适用。在时域o c t 中，纵向分辨率等于相干长 度的一半，所以： 弛删= 21 , 4 i 而o j o = 2 伍妥 ( 2 1 9 ) 刀拶。 其中，岛一一高斯光束的分散角 s i n e , 是光束的数值孔径 还有一个特别的问题，就是光学相干显微镜和高分辨率o c t 的纵向分辨 与横向分辨率有关。 2 5 信号处理系统 o c t 是利用光学相干方法来间接得到后向散射光的振幅和相位信息的 瞄l 。光只要遇到折射率不同介质的交界面就会产生后向散射光，由此可见 o c t 图像记录的实际上是光传输介质的折射率变化信息，从而反应出光传输 介质内部的层面信息。 o c t 的信号处理部分主要分为硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括 干涉仪系统、时间同步扫描、模拟信号处理等；软件部分主要包括o c t 图像 的获得、转换、显示和增强。o c t 整体结构图如图2 5 所示。从低相干光源 发出的光经耦合器分束后分别照射到样品和参考镜上，如果参考镜处的反射 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率一定，那么由于样品的不均匀性，从样品不同深度散射回来的光的强度就 不同，所以当两柬光相遇是产生的干涉信号里就带有样品不同深度的光反射 率信息。为了实现3 d 成像，系统中需要配备相应的纵向扫描器( 参考镜) 和横 向扫描器( 通过计算机串口控制的步进电机，可以负载样品，实现水平面内x 、 y 方向上的扫描) 。光源发出的光经耦台器后分成两路，分别经透镜汇聚到待 测样品和参考镜上。然后两束反射光再经耦合器在光电探测器上叠加，在样 品和参考镜近似等光程位置参考光和探测光发生干涉，得到拍频为f = 2 形凡 的信号光，其中，v 是参考镜移动的速度，凡是光源的中心波长。又由光电 探测器探测到光信号并把光信号转换为电信号，模拟信号处理部分又将模拟 信号转换为数字信号，并使其与计算机匹配，最后由计算机进行图像处理得 到我们所需要的层析图。时间同步系统与干涉仪的信号臂、参考臂和计算机 相连，来控制采样频率进行同步扫描。在系统对样品的扫描过程中检测相应 的干涉信号就可得到一系列样品二维的结构图像，再经层析重建算法和三维 图像处理软件就可以重现生物组织的三维结构。 哈尔滨i ：程- 人学硕士学位论文 线控制 2 5 1 硬件部分 图2 5o c t 系统整体结构 模拟信号处理部分如图2 6 所示，由光探测器获得的是含有样本信息的 模拟信号，为了在计算机上获取o c t 图像，需要将信号进行a d 转换，将 转换后的数字信号送入缓冲器中，将并行信号变为串行，再与计算机相连。 其中a d 转换器与时钟控制器相连，用来给a d 转换器提供时钟并控制图像 的像素以及同步信号的光源。 1 9 哈尔滨一 程大学硕十学位论文 视频信号 帧同步 线同步 2 5 2 软件部分 图2 6 模拟信号处理系统 o c t 技术的剖面层影像传输是通过后向反射或后向散射在不同横向位 移的连续轴向测量而完成。图2 7 展示了o c t 技术的执行方式。一个二维的 剖面层是通过扫描一小段光线而获得的。通过快速连续的在光的不同横向位 移的后向反射或后向散射侧面图的轴测量。 图2 7o c t 图像的产生 在图2 8 中展示了o c t 的一系列扫描模式。o c t 扫描的最常用方法得到 眙尔滨。f 稃天学硕七学位论文 深度优先的数据。然而，当横向扫描时，通过探察后向反射或后向散射的假 设深度或范，也可能得到横向优先的数据，一个剖面层图像能通过探测沿连 续x 扫描得出不同z 深度而产生。也可能在一平面上产生o c t 的图像。沿 连续的x ，y 方向扫描，如果后向反射或后向散射的信号被探测到在一个固 定的z 深度。类似的这种图像模式在共焦显微镜中用到。为了可视化，o c t 的数据通常通过计算机获得并通过一个二维灰度或虚拟图像显示。 当对普通图像进行传送时，由于产生种种畸变，使所接收的图像多少有 些差异。例如在使用照相机等光学仪器所得到的图像中，由于照相机透镜的 孔径而限制了带宽还受到透镜像差引起的畸变。在许多情况下，还会产生 由于照相机的摆动而引起的模糊。即使在扫描图像中，也会产生由于扫描线 的加宽、取样间隔和量化等原因所引起的畸变。另一方面，在接收线路附加 有噪声，也会在图像上增添模糊。从这种受到退化的图像中恢复原始图像或 者估计出该图像，就是图像复原研究的课题。复原与图像增强是有区别的， 从图像中增强边缘部分来提取图像所具有的某种形状的轮廓，这种方法称为 图像增强，图像增强是一种与模式识别有关的重要技术。图像复原是假定从 原始图像出发，把对图像的客观近似程度当作评价函数。与此相反，图像增 强的评价标准，却是随目的不同来决定的，其目的是把符合其要求的特征最 佳地显示出来。微分滤波器、匹配滤波器以及轮廓提取滤波器等都是为这种 目的面使用的滤波器。就其结果而言，所得到的图像有时也会呈现出和原始 图像截然不同的情形。 2 1 哈尔滨 ：程天学硕士学位论文 入射光 - - - _ 2 6 本章小结 图2 8o c t 图像扫描的不同方式 本章系统地介绍了o c t 的光学原理和信号处理系统。基于迈克耳逊干涉 仪以及低相干干涉原理，阐述了o c t 的光学成像过程。并介绍了o c t 的信 号处理系统中的硬件结构及扫描方式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章基于视网膜光学层析成像的诊断方法 3 1 眼组织与功能 眼球近似球型，其前面较小部分是透明的角膜，其余大部分为乳白色的 巩膜( 如图3 1 所示) l 巧】。眼球有眼球壁和眼球内容物组成。 图3 1 眼球 1 眼球壁：眼球壁分为三层，外层为纤维膜，中层为葡萄膜，内层为视网膜。 外层：主要有胶原纤维组织形成眼球完整封闭的外壁，前1 6 为透明 的角膜，后5 ，6 为乳白色的巩膜，共同起到保护眼内组织的作用；角 膜还有透光、届光的作用。 中层：为葡萄膜，又称血管膜、色素膜，富含黑色素和血管。此层由 相互衔接的三部分组成，由前到后为虹膜、睫状体和脉络膜。在巩膜 突、洞静脉出口和视神经三个部位与巩膜牢固附着，其余处均为潜在 腔隙，成睫状体脉络膜上腔。 内层：为视网膜，是一层透明的膜，位于脉络膜的内侧。( 视网膜的 具体结构及特点在下一节中叙述) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 眼球内容；包括房水、晶状体和玻璃体三种透明物质，是光线进入眼内到 达视网膜的通路，它们与角膜一并成为眼的屈光介质。 房水：为眼内透明液体，充满前房与后房。前房之角膜后面、与虹膜 和瞳孔区与晶状体前面之间的眼球内腔。后房为虹膜后面、睫状体内 侧、晶状体悬韧带前面和晶状体前侧面地环形间隙。防水的总量约占 眼内容的4 ，处于动态循环中。 晶状体：形如双凸透镜，位于瞳孔和虹膜后面、玻璃体的前面，由晶 状体韧带与睫状体的冠部联系固定。晶状体的前后两面交界处成晶状 体赤道部，两面的顶点分别称晶状体前极和后极。 玻璃体：为透明的胶质体，充满于玻璃体腔内。玻璃体前面一凹面称 玻璃体凹；其他部分与视网膜和睫状体紧密相贴，其间以视盘边缘、 黄斑中心凹周围及玻璃体基底部粘连紧密。 3 2 视网膜组织结构 视网膜是一层对光敏感的、精细的膜样结构，由r p e 和视网膜神经感 觉层组成，是形成各种视功能的基础1 嘲。视网膜极后部有一中央无血管的凹 陷区，解剖上成为中心凹，临床上称为黄斑。其中央有一小凹，解剖上成中 心小凹，临床上称黄斑中心凹，是视网膜上视觉最敏锐的部分。黄斑区毛细 血管分布如图3 2 所示。 图3 2 黄斑区的毛细血管 2 4 哈尔演工程大学硕七学位论文 距黄斑颞侧3 m m 处有一橙红色圆盘形结构，为视乳头，又称视盘，是 视网膜上视觉神经纤维汇集组成的视神经，向视觉中枢传递传出眼球的部位。 视盘中央有一小凹陷为视杯。视盘上有视网膜中央动、静脉通过，并分支走 行在视网膜上( 见图3 3 ) 。 图3 3 正常眼底 视网膜是由胚胎时期神经外胚叶形成的视杯发育来的，视杯外层形成单 一的视网膜色素上皮层( r p e ) ，视杯内层则分化为视网膜神经感觉层，二者 之间有一潜在间隙，临床上视网膜脱离即由此处分离。 如图3 4 所示，视网膜神经感觉层由外向内分别是：视网膜色素上皮层 ( r p e ) ，外界膜( e l m ) ，外核层( o n l ) ，外从状层( o p l ) ，内核层( i n l ) ，内 从状层( i p l ) ，视神经节细胞层( g c l ) ，视神经纤维层o q f l ) ，内界膜( i l m ) 。 图3 4 视网膜结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 实用o c t 系统简介 3 3 1s t r a t u s t m o c t 基本原理 z e i s s 公司生产的s t r a l r iy s “o c t 如图3 4 所示。o c t 是通过光学原 理进行诊断成像的设备，可以提供视网膜横断面的图像，用于在检测青光眼 和视网膜病时进行客观定量测量和定性临床分析。 图3 4z e i s s 公司生产的s t r a t u s t m o c t 光学相干层析仪是一种使用光学测量方法( 所谓的低相干性光学干涉测 量术) 的精密测量仪器，其工作原理与超声波的工作原理非常相像，只是它 使用光而不是使用超声波。它能够测量分辨率s1 0 p m 的组织和距离，而超 声波只能测量分辨率= 2 0 0 p , m 的组织和距离。 作为临床上最通用和最有价值的技术，o c t 在图像采集中使用高分辨 率扫描，不会造成角膜双折射问题。根据用户选定的扫描分辨率，高分辨率 扫描可以采集多达5 0 0 ，0 0 0 余个数据点。 o c t 使用超级发光二极管发出的8 2 0 n m 近红外光( 不可见) 扫描视网 2 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 膜，通过记录散射剖面与光束中每个横向位置的深度的对比曲线生成组织的 截面图像。通过使用来自组织的反向散光干涉来自光纤m i c h e l s o n 干涉仪可 变长度基准臂的光，来测量散射剖面。( 如图3 5 ) 通过处理生成的o c t 横 截面图像计算视网膜厚度和r n f l 厚度。该算法通过轴向搜索每个a 扫描 反射中的最高变化率来检测这些组织的边界 图3 5o c t 的基本原理：m i c h e l s o n 干涉计原理 3 3 。2s t r a t u s t u o c t 分析结果 o c t 为诊断成像设备，可以提供视网膜的横截面图像，用于在检测青光 眼和视网膜病症时进行客观测量和主观临床分析。o c t 使用了最新的高分辨 率扫描技术成像分析黄斑厚度、视网膜神经纤维层以及视神经节。o c t 成像 使用了最新的高分辨率扫描技术，三位一体的分析视网膜厚度、视网膜神经 纤维层以及视盘。 1 1 时l 分析： r n f l 厚度( o o ) 分析：沿视神经乳头的环形扫描对视网膜神经纤维 层厚度进行测量。 r n f l 示意图( o l 0 ：使用六个同心圆扫描得到视神经乳头周围区域 视网膜神经纤维厚度的两张示意图。一个示意图以微米为单位显示 r n f l 平均厚度，另一个示意图使用颜色代码显示r n f l 厚度。 哈尔滨i 程大学硕七学位论文 r n f l 厚度变化( 0 u ) 分析：利用围绕视神经乳头执行的圆扫描分析 从一次检查到下一次检查中r n f l 厚度的变化。 2 视神经分析 视神经乳头分析：视神经乳头的多功能交互式分析。使用4 毫米的 径向线扫描进行容量分析。客观描述视杯的边缘以及视盘的体积。 黄斑囊样水肿：无论是在诊断前或诊断后，诊断具有多个囊肿的黄斑 囊样水肿( c m e ) 无需进行血管造影。 黄斑裂孔( 全层) 黄斑裂孔。测量黄斑裂孔的尺寸。o c t 断层扫描 图像为确诊提供了所需的全部信息。 中心性浆液性脉络视网膜病变：黄斑位置的中心性浆液性视网膜病 变；视网膜神经上皮脱离。 3 视网膜分析 视网膜厚度分析( 单眼) ：显示沿扫描线( 通过黄斑部位) 获得的视 网膜厚度图形。 视网膜厚度容量( 0 u ) 分析：为每只眼睛生成两个圆形示意图，其中 使用颜色代码的示意图显示黄斑平均厚度。 视网膜概率示意图( 0 u ) ：一个示意图使用五种颜色代码，另一个示 意图以数字方式显示患者眼睛与正常人眼平均值的偏差。 3 4 基于视网膜光学层析成像的诊断方法 典型视网膜疾