人体皮肤毛细血管血流信号提取技术探析

　　摘要提出了一种基于扫频光学相干层析术的散斑方差（SV）和多普勒算法结合的方法来提取人体皮肤毛细血管的血流信号。这种方法利用了SV算法获取血流信号强度和多普勒算法获取相位信息的优势。SV算法对两幅结构图同一位置的强度进行方差运算。多普勒算法可以通过测量相邻A扫之间的相位变化来获取多普勒频移，进而获取血流流速信息，但这种方法中扫频光源的相位和采样信号随时间存在漂移，导致触发信号和采集卡模数转换之间的延迟时间在一个取样时钟周期中变化。为了校正这部分相位变化，实验系统中采用双参考镜，通过校正两参考镜相邻A扫之间的相位变化来对相应血流部分进行相位校正。进行了样本模拟实验和人体皮肤成像实验，SV算法获取血流强度和经标准平面镜校正的多普勒频移来获取血流方向，综合运用两种方法得到具有方向信息的血流强度图。
　　
　　关键词医用光学；扫频光学相干层析术；多普勒算法；散斑方差；相位校正。
　　
　　Abstract: For extracting the blood flow signal of the human skin blood capillary,a combination method of specklevariance（SV）based on the swept source optical coherence tomography,and Doppler algorithm is proposed.Thismethod takes advantage of SV algorithm to get the blood flow signal intensity and advantage of Doppler algorithm toobtain phase.SV algorithm calculates the variance of intensity at the same location of two frames.Doppleralgorithm calculates the phase shift between adjacent A scans in order to obtain frequency shift.However,the phaseof the swept source output and the sampled signal drift slowly over time,causing the delay between the triggersignal and the subsequent analog to digital conversion to vary within a sample clock cycle.To correct the change inphase,double reference mirrors are used in the experimental system.We adjust the phase shift between adjacent Ascans of the two reference mirrors to correct the phase of the corresponding blood flow.Sample simulationexperiment and human skin imaging experiment are carried out.SV algorithm is used to obtain the intensity of bloodand Doppler phase shift after correction is used to obtain the direction of blood.Blood flow intensity with directioninformation is obtained by combination of the two methods.
　　
　　Key words: medical optics;swept source optical coherence tomography;Doppler algorithm;speckle variance;phasecorrection.
　　
　　1引言。
　　
　　光学相干层析术（OCT）基于低相干干涉技术，利用参考臂和样品臂的光进行干涉，经信号采集和数据处理，恢复生物组织样品的层析图像，能够反映生物组织的结构、相位等信息[1].自从20世纪90年代提出以来，这种非侵入、高空间分辨率、实时成像的技术得到迅速发展。扫频光学相干层析术（SSOCT）通过采用扫频光源和单点探测器探测时间编码的光谱信息，具备与谱域OCT相同的快速成像能力，同时兼有时域OCT的点探测优势[2],通过对干涉信号实施快速傅里叶变换（FFT）的方法来重建被测样品的结构信息，它的优点是可以同时探测到被测样品不同深度位置的信号，只需要对样品进行横向扫描即可，无需纵向扫描[3].SSOCT系统使用波长扫描激光光源和平衡探测型光电探测器来测量干涉光谱，在1000~1300nm波段范围内对生物组织进行成像，组织对这些波长较长的光有更小的散射，因此增加了成像深度[4].目前，SSOCT被广泛应用在光电检测，皮肤、眼科和血流检测等方面，如Wang等[5]利用OCT技术对水凝胶三维打印进行精确控制；He等[6]利用OCT获得了视网膜图像并对其进行了分层；Blatter[7]利用SSOCT系统对皮肤进行成像并做病理分析；Mariampillai等[8]利用基于SSOCT系统的散斑方差（SV）算法重构出小鼠的血流分布。
　　
　　对于SSOCT系统采集到的数据进行处理才能得到所需要的血流强度和相位信息。按成像所需信号类型有三种方法进行血流信息的提取[9].一是基于复数形式的OCT信号处理方法，如Wang等[10]在2007年提出的探测k空间信号频率的变化来得到相位变化的血管造影法（OAG），后称为光学微血管造影法（OMAG），以及后来提出的多普勒域处理方法等。二是基于OCT信号的强度信息的处理方法，对于处理光源相位不稳定的情况有很大优势，对相位噪声不敏感。2005年Barton和Stromski提出血流探测的散斑概念[11],Mariampillai等[12]提出基于傅里叶域OCT系统的SV算法，Jonathan等[13]提出一种相关制图方法，Blatter等[14]提出基于傅里叶域锁模激光器计算连续B扫之间强度平方差的方法，Huang等[15]提出直接计算相邻B扫OCT信号强度之差的方法，Jia等[16-17]提出分光谱幅度解相关血管造影法。三是基于OCT信号的相位信息的处理方法，Leitgeb等[18]和White等[19]在2003年提出基于傅里叶域OCT的多普勒OCT,Fingler等[20]在2007年提出用相邻B扫的相位方差（PV）计算横向血流，Vakoc等[21]提出幅度权重相位方差方法监控肿瘤环境，Kurokawa等[22]提出用多普勒频移方幂代替像素值的方法。
　　
　　本文提出基于SSOCT的SV算法和部分相位漂移校正的多普勒相位分辨算法的综合应用，对模拟实验和活体实验采集的数据进行处理，分别得到毛细玻璃管中流体、人体皮肤毛细血管中血流的强度和方向信息。
　　
　　2实验系统及算法原理。
　　
　　2.1 SSOCT系统。
　　
　　图1为实验采用的SSOCT的系统示意图，采用Axsun公司的扫频光源作为高速扫频光源，中心波长为1310nm,带宽为106nm,扫频速率为50kHz.扫频光源输出的光经过环流器接口1进入环流器，然后由接口2进入50…50光纤耦合器，耦合器把光分为两束分别进入双参考臂和样品臂，进入参考光路的光经过分光镜被分成两束，分别进入两个放置在不同深度的同一个参考臂，参考臂出射的光先通过准直透镜准直，准直光由会聚透镜会聚到平面镜上再由平面镜反射回到光纤耦合器中。样品的后向散射光再沿原路返回到耦合器中与样品相干用参考臂返回的光发生干涉，它与另一校正用参考臂由于光程差过大干涉微弱可不予考虑，两参考臂返回的光也发生干涉。干涉光由耦合器分为两束，一束通过环流器接口2进入环流器，然后从环流器接口3出射并进入平衡探测器的正输入端，另一束由光纤耦合器探测臂4出射并进入平衡探测器（BPD）的负输入端。平衡探测器将探测到的干涉光强信号转换成电信号之后，由数据采集卡（DAQ,型号ATS9350,Alazar Tech公司）进行采集，并且每次A扫（扫频光源的波数扫描一个周期）信号由扫频光源输出的同步信号来触发采集，采集到的数据通过外设连接接口（PCI）总线传输到计算机进行数据处理。