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，光電測試技術(shù)及儀器教育部重點實驗室 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)信號的提取方法、深度坐標的獲取、色散補償算法等，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，實現(xiàn)了電控平移臺的控制、干涉圖像采集、圖像處理等基本操作功能，為開展OCT的實驗研究及后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供了支撐。

光學相干層析成像技術(shù)（Optical Coherence Tomography，簡稱OCT）是一種基于低相干光干涉原理，集光學，電子學，計算機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和成像方面體現(xiàn)出了巨大的應用價值。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、實時輪廓。蔡司OCT的軟件系統(tǒng)能準確測量視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的細微變化，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?？捎糜邳S斑區(qū)、視盤、脈絡膜等組織的高分辨率斷層掃描。結(jié)合軟件部分可以實現(xiàn)準確定位診治判斷與后續(xù)觀測作用功能，實時眼球追蹤專業(yè)技術(shù)與ART實時疊加降低噪音專業(yè)技術(shù)能夠高效保障自動掃描的確定性與自動成像的清楚度。美國Thorlabs Telesto系列SD-OCT成像系統(tǒng)具備高深度、高辨識率自動成像的特征，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。

中國的莫廷公司的OCT能快速獲得患者的眼底斷層圖像，實時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性的選擇相應的掃描模式進行檢查。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)庫進行對比，檢測病例是否發(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，通過對眼部區(qū)域進行掃描，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展情況。

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

1 軟件系統(tǒng)設計

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)、光譜探測系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三個部分。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)過一個分束鏡被劃分為兩大組成部分，依次全部照射進入?yún)⒄毡叟c樣品臂，發(fā)生干涉，然后該干涉信號進入光譜探測系統(tǒng)中。光譜探測系統(tǒng)采用一種獨特設計的光譜儀結(jié)構(gòu)，光譜探測系統(tǒng)包括一個入射狹縫，干涉信號從入射狹縫照射全部進入系統(tǒng)，第一步通過一個凹面反射鏡，將不相同波長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凹面反射鏡會聚反射到探測器上。接下來，信號進入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，探測器將獲得的探測信號采集到計算機中，在計算機的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進行一系列的數(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。第二步，根據(jù)CMOS不同像素的波長信息，將干涉后的光譜信號投射至波數(shù)空間中，并且在波數(shù)空間中對光譜信號進行二次采樣，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，對沿k方向快速傅里葉變換后的干涉光譜數(shù)據(jù)進行處理得到樣品的截面結(jié)構(gòu)信息。因此，設計的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運行流程為：(1)在運行程序前，用戶能根據(jù)不同的樣本和不同的掃描需求，可設置電控平移臺和面陣CMOS相機的序列號及相關(guān)參數(shù)，以及保存原始實驗數(shù)據(jù)的路徑。(2)用戶能直接觀察面陣CMOS相機采集的原始光譜，實時調(diào)整電控平移臺的移動步長，直到掃描達到理想狀態(tài)。(3)使用層析重新構(gòu)建運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)信息交換后自動顯示在應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，詳細流程如下：

(1)系統(tǒng)初始化。輸入電控平移臺以及面陣CMOS相機的序列號及相關(guān)參數(shù)，同時將電控平移臺的移動步長等初始化以及面陣CMOS相機的有關(guān)緩存等初始處理化。因為系統(tǒng)正處在調(diào)試的探究時期，要求調(diào)CMOS相機與電子控制平行移動臺的系數(shù)，并且參考依據(jù)樣品反射光線信號的作用強度調(diào)曝光時間，以獲取作用強度最高的光譜干預條紋，進而保障最優(yōu)等的自動成像質(zhì)量。

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

(3)數(shù)據(jù)信息采集。電腦計算機操作控制的面陣CMOS相機自動接收干涉條紋，把圖像數(shù)據(jù)信息交換為作用強度數(shù)據(jù)信息，并且展開后續(xù)全面處理。因為體系應用的是面陣CMOS相機，光譜條紋可以在不修改調(diào)配照相機實際高度的時候，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)約了體系測試時間與修改調(diào)配復雜度。

(4)數(shù)據(jù)信息處理與自動顯示。使用層析重新構(gòu)建運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)信息交換后自動顯示在應用程序的前控制面板上?？紤]到計算機的實際運算能力以及硬件條件，同時考慮到頻域OCT的圖像重建算法涉及大量的數(shù)學計算，在此基礎(chǔ)上，將過多的重建算法集成到實時數(shù)據(jù)顯示程序中會影響系統(tǒng)的成像速度，增加硬件負擔。因此，在Labview上實現(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)儲存。掃描樣品的干涉條紋圖和樣品層析結(jié)構(gòu)圖儲存在指定位置。在后續(xù)的圖像質(zhì)量改進算法研究中，將樣品的干涉條紋原始數(shù)據(jù)儲存起床，供進一步的實驗和測試使用，并在完成多個圖像質(zhì)量算法實驗后，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)標準的圖形開發(fā)環(huán)境，是美國NI公司的改革創(chuàng)新操作應用軟件產(chǎn)品。LED照明的譜域線掃描OCT的軟件系統(tǒng)界面設計如圖3所示。GUI界面設計包括三個模塊：電控平移臺的控制、干涉圖像采集、圖像處理。

電控平移臺的控制模塊如圖3(a)所示，通過控制平移臺的移動，使得平移臺上的樣品移動到合適的位置，在這個位置上，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時顯示電壓值和步進的距離。根據(jù)Thorlabs公司提供的供用戶二次開發(fā)的程序進行編寫，采用LabVIEW DAQmx模塊，包括NI公司相應的硬件驅(qū)動軟件，為用戶提供一系列函數(shù)進行調(diào)用。在程序中直接調(diào)用該模塊的函數(shù)以達到想要的效果。干涉圖像采集模塊如圖3(b)所示，通過USB接口，面陣CMOS相機把采集到的干涉圖像傳送至上位機，上位機運行LabVIEW NI-IMAQ采集程序?qū)D像進行讀取。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，從簡單的設備初始化到先進的高速圖像采集等方法，為開發(fā)人員設計先進的圖像采集程序提供了強大的平臺。在這部分模塊實現(xiàn)對面陣CMOS相機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。圖片濾波主要濾除噪聲信號，提取樣本的散射信息。

圖3 光學相干層析成像系統(tǒng)GUI界面設計，其中，a部分為電控平移臺的控制模塊，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，對數(shù)據(jù)進行傅里葉逆變換。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)設計方案和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，采用程序流程圖的方式對軟件進行整體設計，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計思路，完成了GUI界面設計，并對設計的GUI界面設計思路進行講解與分析，為接下來的實驗測試和數(shù)據(jù)處理提供了支撐。