[發(fā)明專利]一種導(dǎo)管偏振敏感光學(xué)相干層析成像解調(diào)方法用偏振解算方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910955656.1
• 申請(qǐng)日: 2019-10-09
• 公開（公告）號(hào): CN110742584A
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳韻岱;田峰;黃進(jìn)宇;周亮;匡皓;陶魁園;劉東亞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京沃福曼醫(yī)療科技有限公司
• 主分類號(hào): A61B5/00
• 分類號(hào): A61B5/00;G01N21/23
• 代理公司: 32218 南京天華專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 瞿網(wǎng)蘭;夏平

1.一種導(dǎo)管偏振敏感光學(xué)相干層析成像解調(diào)方法用偏振解算方法，其特征是將導(dǎo)管PS-OCT成像系統(tǒng)得到的測(cè)量瓊斯矩陣轉(zhuǎn)換成穆勒矩陣，再對(duì)穆勒矩陣進(jìn)行乘法分解，得到相位延遲矩陣，利用相位延遲矩陣的跡計(jì)算出組織雙折射的相位延遲，實(shí)現(xiàn)組織雙折射成像。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是它包括以下步驟：

首先，將系統(tǒng)輸出的四個(gè)電場(chǎng)分量定義為瓊斯矩陣形式：

其次，進(jìn)行瓊斯矩陣和穆勒矩陣的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中表示克羅內(nèi)克積，U表示變換矩陣：

根據(jù)瓊斯矩陣和穆勒矩陣的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將系統(tǒng)輸出的測(cè)量瓊斯矩陣J變換成測(cè)量穆勒矩陣Q：

第三，對(duì)測(cè)量穆勒矩陣Q_Z的元素做歐拉變換，可得：

任取單個(gè)A-Scan，假設(shè)該條A-Line上的參考點(diǎn)在樣品中深度為z，則在z處的測(cè)量所得的參考穆勒矩陣Q_Zref可以表示為：

數(shù)據(jù)采集卡在偏振分集處測(cè)量到電信號(hào)，是由H通道和V通道的平衡光電探測(cè)器經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換輸出的，將采集到的電信號(hào)分別經(jīng)過背景噪聲去除、雙態(tài)數(shù)值色散補(bǔ)償、光譜整形濾波和傅里葉插值變換和得到H通道和V通道在z域上的兩組信號(hào)H₁+H₂和V₁+V₂，經(jīng)過圖像分割得到H₁，H₂，V₁，V₂個(gè)電場(chǎng)信號(hào)，構(gòu)成四個(gè)偏振態(tài)；以單個(gè)A-Line為例，構(gòu)建成像系統(tǒng)在樣品深度為z位置處得到的測(cè)量瓊斯矩陣J(z)為：

假設(shè)該條A-Line上的參考點(diǎn)在樣品深度為z_ref位置處，其對(duì)應(yīng)的參考瓊斯矩陣J(z_ref)為：

其中，對(duì)于導(dǎo)管PS-OCT成像系統(tǒng)而言，在解算生物組織的偏振信息時(shí)，參考面選擇導(dǎo)管的外表面或樣品前表面，利用公式(2-7)和公式(2-8)將測(cè)量瓊斯矩陣J(z)和參考瓊斯矩陣J(z_ref)轉(zhuǎn)換成測(cè)量穆勒矩陣S(z)和參考穆勒矩陣S(z_ref)；

設(shè)M_ST是生物組織或樣品的往返傳輸矩陣，M_in和M_out分別表示系統(tǒng)光路的穆勒矩陣，在偏振分集處測(cè)量到的樣品參考面位置處的參考穆勒矩陣S(z_ref)表示為：

在偏振分集處測(cè)量到的樣品z位置處的測(cè)量穆勒矩陣S(z)表示為：

將S(z_ref)和S(z)做乘法運(yùn)算，消除導(dǎo)管在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)組織雙折射的相位影響，重新整理公式(2-14)和公式(2-15)，得到生物組織或樣品在深度為z的測(cè)量穆勒矩陣M(z_ref,z)：

為了構(gòu)建M(z_ref,z)與M_S,T為一對(duì)相似矩陣，則需要滿足Q_ZrefM_out必須為可逆矩陣，但如果Q_ZrefM_out包含退偏振效應(yīng)和二向衰減效應(yīng)，則相似矩陣的條件不成立；實(shí)際上，參考穆勒矩陣Q_Zref為酉矩陣，但在導(dǎo)管PS-OCT成像系統(tǒng)中導(dǎo)管中光纖高速旋轉(zhuǎn)必然帶來較強(qiáng)的退偏振效應(yīng)和二向衰減效應(yīng)，所以M_out中也必然包含退偏振效應(yīng)和二向衰減效應(yīng)，則需要通過矩陣分解的方法來消除系統(tǒng)光路中的退偏振效應(yīng)和二向衰減效應(yīng)；

對(duì)于SMM偏振解算方法的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)是通過矩陣分解消除退偏振效應(yīng)和二向衰減效應(yīng)，進(jìn)而得到測(cè)量相位延遲穆勒矩陣，計(jì)算生物組織或樣品的相位延遲，實(shí)現(xiàn)組織雙折射成像。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述的穆勒矩陣的分解方法是利用L-C穆勒矩陣分解法得到測(cè)量穆勒矩陣的相位延遲穆勒矩陣M_R。

任意描述傳光介質(zhì)的穆勒矩陣，包含目標(biāo)傳光介質(zhì)調(diào)制入射光的三個(gè)偏振效應(yīng)，包括二向衰減、相位延遲或退偏；任意穆勒矩陣都可以分解成下面的形式：

M＝M_ΔM_RM_D (2-17)

其中，M為任意的穆勒矩陣，M_Δ表示目標(biāo)傳光介質(zhì)調(diào)制入射光的退偏矩陣，它描述了目標(biāo)傳光介質(zhì)對(duì)于入射光的退偏振的能力；M_R表示目標(biāo)傳光介質(zhì)調(diào)制入射光的相位延遲矩陣，它描述了入射光在經(jīng)過偏振器件后，產(chǎn)生的兩個(gè)本征偏振態(tài)在快慢軸中傳播速率不同，導(dǎo)致了這兩個(gè)本征偏振態(tài)的時(shí)域信號(hào)存在時(shí)延，轉(zhuǎn)換到頻域即為相位延遲；M_D表示目標(biāo)傳光介質(zhì)調(diào)制入射光的二向衰減矩陣，它描述了入射光經(jīng)過傳光介質(zhì)的反射光強(qiáng)隨入射光偏振態(tài)的變化關(guān)系；

相位延遲矩陣M_R可以表示為：

其中m_R是相位延遲矩陣M_R的一個(gè)3×3的子矩陣，它可以通過公式(2-19)計(jì)算得到：

其中m'和m_Δ分別是退偏矩陣M_Δ和退偏矩陣與相位延遲矩陣的乘積M'矩陣，M'可以表示為：

在未知退偏矩陣M_Δ和相位延遲矩陣M_R的情況下，可以通過二向衰減矩陣M_D和測(cè)量穆勒矩陣M的乘積計(jì)算得到，二向衰減矩陣M_D可以表示為：

其中，表示二向衰減矢量，m_D是二向衰減矩陣M_D的一個(gè)3×3的子矩陣；二向衰減矢量可以定義為：

其中為二向衰減矢量的模，為其單位矢量，d_i表示二向衰減矢量的各項(xiàng)分量，可以通過公式(2-23)計(jì)算所得，在上下文的公式中，M_1(i+1)(i＝1,2,3)表示測(cè)量穆勒矩陣M的第一行的元素；

二向衰減矩陣的子矩陣m_D可以表示為：

其中||·||表示歐幾里得向量范數(shù)；以上，可以計(jì)算出m'矩陣；

退偏矩陣M_Δ可以表示為：

其中表示退偏矩陣的偏振向量，它的大小取決于偏振矢量和二向衰減矢量

在相位延遲矩陣M_R的計(jì)算過程中，并不需要求解退偏矩陣M_Δ，只需要求解其子矩陣m_Δ即可，退偏矩陣的子矩陣m_Δ它可以通過公式(2-28)計(jì)算得到：

其中λ_i(i＝1,2,3)表示子矩陣m'的特征值。

至此，求得退偏矩陣的子矩陣m_Δ，將m_Δ和m'代入到公式(2-19)，聯(lián)立公式(2-18)可以求解出相位延遲矩陣M_R。在導(dǎo)管PS-OCT成像系統(tǒng)中，將測(cè)量穆勒矩陣M(z_ref,z)進(jìn)行矩陣乘法分解，得到已消除退偏振效應(yīng)和二向衰減效應(yīng)的只包含組織雙折射的穆勒矩陣，相位延遲矩陣M^R(z_ref,z)的表達(dá)式為：

其中測(cè)量相位延遲矩陣M^R(z_ref,z)，生物組織或樣品傳輸矩陣和系統(tǒng)傳輸輸出矩陣都是只包含雙折射成分的穆勒矩陣，且此時(shí)為酉矩陣，滿足相似矩陣條件，M^R(z_ref,z)與即為一對(duì)相似矩陣?？偟南辔谎舆t量與分解得到的相位延遲矩陣M_R的關(guān)系可以表示為：

其中，表示是探測(cè)到生物組織或樣品在深度為z位置處的只包含雙折射成分的傳輸穆勒矩陣，tr表示矩陣的跡。