基于LED照明的譜域線掃描OCT的軟件系統(tǒng)開發(fā)*

北京信息科技大學(xué)，光電測(cè)試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鄧瑤瑤 馬志明 周哲海

研究了基于LED照明的譜域線掃描OCT軟件系統(tǒng)開發(fā)及數(shù)據(jù)處理的基本方法，包括OCT系統(tǒng)信號(hào)的提取方法、深度坐標(biāo)的獲取、色散補(bǔ)償算法等，并基于LabVIEW圖形化編程軟件開發(fā)了與硬件結(jié)合的軟件系統(tǒng)，給出了軟件系統(tǒng)的GUI界面，與硬件系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電控平移臺(tái)的控制、干涉圖像采集、圖像處理等基本操作功能，為開展OCT的實(shí)驗(yàn)研究及后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供了支撐。

光學(xué)相干層析成像技術(shù)（Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱OCT）是一種基于低相干光干涉原理，集光學(xué)，電子學(xué)，計(jì)算機(jī)和圖像處理于一體的新型成像技術(shù)，在生物組織活體檢測(cè)和成像方面體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。隨著OCT技術(shù)的不斷發(fā)展，OCT系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)整體性能都有了巨大的提升，特別是其中的數(shù)據(jù)處理算法和軟件處理系統(tǒng)，是OCT技術(shù)不斷發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

OCT技術(shù)不斷發(fā)展的過程也伴隨了OCT數(shù)據(jù)處理算法和軟件處理系統(tǒng)不斷發(fā)展。截止到目前為止，眾多研究機(jī)構(gòu)和公司都開發(fā)了一些高性能的軟件處理系統(tǒng)。德國(guó)的蔡司和海德堡生產(chǎn)的OCT性能非常好，可以提供視網(wǎng)膜組織每一層的直接、實(shí)時(shí)輪廓。蔡司OCT的軟件系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，并診斷青光眼、黃斑病變等影響和損害視網(wǎng)膜的各種疾病。海德堡OCT的掃描速度更快，圖像質(zhì)量更高，可以結(jié)合很多種不同眼底圖像方式，從而可以獲取更完整、精確的診治判斷數(shù)據(jù)信息。可用于黃斑區(qū)、視盤、脈絡(luò)膜等組織的高分辨率斷層掃描。結(jié)合軟件部分可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位診治判斷與后續(xù)觀測(cè)作用功能，實(shí)時(shí)眼球追蹤專業(yè)技術(shù)與ART實(shí)時(shí)疊加降低噪音專業(yè)技術(shù)能夠高效保障自動(dòng)掃描的確定性與自動(dòng)成像的清楚度。美國(guó)Thorlabs Telesto系列SD-OCT成像系統(tǒng)具備高深度、高辨識(shí)率自動(dòng)成像的特征，系統(tǒng)都附帶ThorImage OCT高性能數(shù)據(jù)采集軟件。這種基于Windows的64位軟件具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、掃描控制和處理選項(xiàng)。

中國(guó)的莫廷公司的OCT能快速獲得患者的眼底斷層圖像，實(shí)時(shí)成像后立即顯示給患者，并能立即輸出，為提高眼科診療水平和隨訪水平，完善患者資料和治療方案提供可信的信息。其軟件系統(tǒng)提供有黃斑、視盤、眼前節(jié)三大類型掃描模式進(jìn)行檢查。其檢查方法各不相同。在軟件中，每一種掃描模式都有獨(dú)特的圖像采集模式與圖像分析功能。利用它們各自不同的特性，操作員可以根據(jù)受檢病例的病灶位置、眼科疾病類型等因素有針對(duì)性的選擇相應(yīng)的掃描模式進(jìn)行檢查。黃斑檢查包括有黃斑直線、黃斑六線、黃斑區(qū)域等3種掃描模式，提取出所采集的圖像的具體參數(shù)，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)病例是否發(fā)生眼底黃斑病變。在視盤掃描中，有視盤掃描和黃斑區(qū)域青光眼掃描兩種掃描模式，通過對(duì)眼部區(qū)域進(jìn)行掃描，得出ILM-GCC層的厚度分布情況，從而分析青光眼患者的病變進(jìn)展情況。

論文設(shè)計(jì)了一種基于LED照明的譜域線掃描OCT的軟件系統(tǒng)，采用LabVIEW進(jìn)行圖形化編程，完成了與OCT硬件系統(tǒng)相結(jié)合的自動(dòng)化控制、信號(hào)采集以及圖像處理功能。

1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1給出了基于LED照明的線掃描頻域OCT成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括干涉成像系統(tǒng)、光譜探測(cè)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三個(gè)部分。具體來說，干涉成像系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，采用LED作為照明光源，LED光束經(jīng)過一套透鏡組被整形為線掃描光束，然后再經(jīng)過一個(gè)分束鏡被劃分為兩大組成部分，依次全部照射進(jìn)入?yún)⒄毡叟c樣品臂，發(fā)生干涉，然后該干涉信號(hào)進(jìn)入光譜探測(cè)系統(tǒng)中。光譜探測(cè)系統(tǒng)采用一種獨(dú)特設(shè)計(jì)的光譜儀結(jié)構(gòu)，光譜探測(cè)系統(tǒng)包括一個(gè)入射狹縫，干涉信號(hào)從入射狹縫照射全部進(jìn)入系統(tǒng)，第一步通過一個(gè)凹面反射鏡，將不相同波長(zhǎng)的光束衍射到不同分布方向上，這些不同方向衍射的光束又被另外一個(gè)凹面反射鏡會(huì)聚反射到探測(cè)器上。接下來，信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，探測(cè)器將獲得的探測(cè)信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，最終可以獲得OCT的成像數(shù)據(jù)。

圖1 基于LED照明的線掃描頻域OCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of FD-OCT system with line scanning and LED illumination

如圖2所示，基于LED照明的譜域線掃描OCT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程可以分為三步：第一步，面陣CMOS采集到干涉信號(hào)。第二步，根據(jù)CMOS不同像素的波長(zhǎng)信息，將干涉后的光譜信號(hào)投射至波數(shù)空間中，并且在波數(shù)空間中對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行二次采樣，由此可以獲得k空間上均勻采樣的干涉光譜數(shù)據(jù)。第三步，對(duì)沿k方向快速傅里葉變換后的干涉光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到樣品的截面結(jié)構(gòu)信息。因此，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運(yùn)行流程為：(1)在運(yùn)行程序前，用戶能根據(jù)不同的樣本和不同的掃描需求，可設(shè)置電控平移臺(tái)和面陣CMOS相機(jī)的序列號(hào)及相關(guān)參數(shù)，以及保存原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的路徑。(2)用戶能直接觀察面陣CMOS相機(jī)采集的原始光譜，實(shí)時(shí)調(diào)整電控平移臺(tái)的移動(dòng)步長(zhǎng)，直到掃描達(dá)到理想狀態(tài)。(3)使用層析重新構(gòu)建運(yùn)算方法獲取樣品的層析組成結(jié)構(gòu)，并且把圖像數(shù)據(jù)信息交換后自動(dòng)顯示在應(yīng)用程序的前控制面板上。

圖2 基本數(shù)據(jù)處理過程Fig.2 Basic data processing

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的總體流程圖如圖3所示，詳細(xì)流程如下：

(1)系統(tǒng)初始化。輸入電控平移臺(tái)以及面陣CMOS相機(jī)的序列號(hào)及相關(guān)參數(shù)，同時(shí)將電控平移臺(tái)的移動(dòng)步長(zhǎng)等初始化以及面陣CMOS相機(jī)的有關(guān)緩存等初始處理化。因?yàn)橄到y(tǒng)正處在調(diào)試的探究時(shí)期，要求調(diào)CMOS相機(jī)與電子控制平行移動(dòng)臺(tái)的系數(shù)，并且參考依據(jù)樣品反射光線信號(hào)的作用強(qiáng)度調(diào)曝光時(shí)間，以獲取作用強(qiáng)度最高的光譜干預(yù)條紋，進(jìn)而保障最優(yōu)等的自動(dòng)成像質(zhì)量。

(2)樣品自動(dòng)掃描。移動(dòng)電控平移臺(tái)的具體位置，把光束全面聚焦到樣品合適具體位置。在軟件系統(tǒng)界面上觀察移動(dòng)步長(zhǎng)，同時(shí)觀察面陣CMOS相機(jī)所采集到的原始光譜圖，根據(jù)需要不斷調(diào)整電控平移臺(tái)移動(dòng)的步長(zhǎng)等參數(shù)，以獲取最優(yōu) 情況下的圖像。

(3)數(shù)據(jù)信息采集。電腦計(jì)算機(jī)操作控制的面陣CMOS相機(jī)自動(dòng)接收干涉條紋，把圖像數(shù)據(jù)信息交換為作用強(qiáng)度數(shù)據(jù)信息，并且展開后續(xù)全面處理。因?yàn)轶w系應(yīng)用的是面陣CMOS相機(jī)，光譜條紋可以在不修改調(diào)配照相機(jī)實(shí)際高度的時(shí)候，照射到單行圖片像素上。它僅僅需要參考依據(jù)光譜條紋在面陣相機(jī)控制面板上的具體位置選用要截取的圖片像素行數(shù)，充分節(jié)約了體系測(cè)試時(shí)間與修改調(diào)配復(fù)雜度。

(4)數(shù)據(jù)信息處理與自動(dòng)顯示。使用層析重新構(gòu)建運(yùn)算方法獲取樣品的層析組成結(jié)構(gòu)，并且把圖像數(shù)據(jù)信息交換后自動(dòng)顯示在應(yīng)用程序的前控制面板上。考慮到計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)算能力以及硬件條件，同時(shí)考慮到頻域OCT的圖像重建算法涉及大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，將過多的重建算法集成到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示程序中會(huì)影響系統(tǒng)的成像速度，增加硬件負(fù)擔(dān)。因此，在Labview上實(shí)現(xiàn)的只有將干涉圖和一維深度圖集成在軟件中。

(5)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。掃描樣品的干涉條紋圖和樣品層析結(jié)構(gòu)圖儲(chǔ)存在指定位置。在后續(xù)的圖像質(zhì)量改進(jìn)算法研究中，將樣品的干涉條紋原始數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起床，供進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試使用，并在完成多個(gè)圖像質(zhì)量算法實(shí)驗(yàn)后，將其添加到Labview程序中。

2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

OCT數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用Labview軟件進(jìn)行開發(fā)。Labview是一種典型的圖形編寫程序語言（G語言）以及一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形開發(fā)環(huán)境，是美國(guó)NI公司的改革創(chuàng)新操作應(yīng)用軟件產(chǎn)品。LED照明的譜域線掃描OCT的軟件系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如圖3所示。GUI界面設(shè)計(jì)包括三個(gè)模塊：電控平移臺(tái)的控制、干涉圖像采集、圖像處理。

電控平移臺(tái)的控制模塊如圖3(a)所示，通過控制平移臺(tái)的移動(dòng)，使得平移臺(tái)上的樣品移動(dòng)到合適的位置，在這個(gè)位置上，樣品臂反射回來的光束，剛好可以與參考臂反射回來的光束形成干涉圖像，在這部分模塊的顯示控件實(shí)時(shí)顯示電壓值和步進(jìn)的距離。根據(jù)Thorlabs公司提供的供用戶二次開發(fā)的程序進(jìn)行編寫，采用LabVIEW DAQmx模塊，包括NI公司相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)軟件，為用戶提供一系列函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。在程序中直接調(diào)用該模塊的函數(shù)以達(dá)到想要的效果。干涉圖像采集模塊如圖3(b)所示，通過USB接口，面陣CMOS相機(jī)把采集到的干涉圖像傳送至上位機(jī)，上位機(jī)運(yùn)行LabVIEW NI-IMAQ采集程序?qū)D像進(jìn)行讀取。NI-IMAQ包含了關(guān)于數(shù)據(jù)采集卡配置和控制信息的程序庫。該功能易于上手，并提供最大的靈活性和可操作性。此外，NIIMAQ還提供了一些常見的圖片采集方法，從簡(jiǎn)單的設(shè)備初始化到先進(jìn)的高速圖像采集等方法，為開發(fā)人員設(shè)計(jì)先進(jìn)的圖像采集程序提供了強(qiáng)大的平臺(tái)。在這部分模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)面陣CMOS相機(jī)的控制以及干涉圖像的采集與保存。圖像處理模塊如圖3(c)所示,基于LED照明的譜域線掃描OCT系統(tǒng)中，由于面陣CMOS相機(jī)采集到的原始光譜除樣本信息外還包括一些無用的噪聲信號(hào)。圖片濾波主要濾除噪聲信號(hào)，提取樣本的散射信息。

圖3 光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)GUI界面設(shè)計(jì)，其中，a部分為電控平移臺(tái)的控制模塊，b部分為干涉圖像的采集模塊，c部分為圖像處理模塊Fig.3 GUI interface design for OCT system, where section a is control module of electronically controlled translation table,section b is data acquisition module of interference images,and section c is image processing module

波數(shù)空間插值完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉逆變換。LabVIEW視覺開發(fā)模塊提供了圖像傅里葉變換和逆變換的子VI，使圖像傅里葉變換的操作方便便捷。將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)組形式利用FFT函數(shù)進(jìn)行傅里葉逆變換，再將變換后的數(shù)組轉(zhuǎn)換成圖像形式。

3 結(jié)論及分析

提出了一種基于LED照明的譜域線掃描OCT軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，采用程序流程圖的方式對(duì)軟件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)控制模塊、圖像采集、圖像處理模塊與算法的程序設(shè)計(jì)思路，完成了GUI界面設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的GUI界面設(shè)計(jì)思路進(jìn)行講解與分析，為接下來的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理提供了支撐。