高速光學(xué)相干層析三維掃描系統(tǒng)成像軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1、<p><b>　　論文封面書(shū)脊</b></p><p><b>　　四號(hào)黑體字</b></p><p><b>　　四號(hào)黑體字</b></p><p><b>　　小四號(hào)黑體字</b></p><p><b>　　北京航空航天大學(xué)&l

2、t;/b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：</p><p>　　高速光學(xué)相干層析三維掃描系統(tǒng)成像軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) </p><p>　　Ⅱ、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：</p><p>　　使用光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT）對(duì)葡

3、萄三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，相關(guān)設(shè)備平臺(tái)包括由近紅外光譜儀，寬頻光源，系統(tǒng)控制模塊，自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，系統(tǒng)控制界面搭建而成的OCT系統(tǒng)，OCT技術(shù)探測(cè)的精度能夠較好地達(dá)到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測(cè)（OCT系統(tǒng)三維掃描速度預(yù)計(jì)為25frame/sec，橫向分辨率可達(dá)15~20um，深度分辨率可達(dá)10um）。</p><p>　　對(duì)于葡萄三維結(jié)構(gòu)的探測(cè)所需的成像系統(tǒng)需要極高的軟硬件要求，其中，本課題主要針對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)的

4、要求主要包括：1.基于多核CPU的并行OCT解調(diào)引擎實(shí)現(xiàn)：對(duì)葡萄三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行并行光學(xué)相干斷層掃描，解調(diào)并進(jìn)行成像，包括基于Visual Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境下Intel MKL函數(shù)庫(kù)的使用進(jìn)行波數(shù)域線性化及FFT等信號(hào)處理內(nèi)容；2.葡萄三維結(jié)構(gòu)圖像的三維重建：綜合使用柵格化、光線投射、輻射著色、光線跟蹤等算法，完成由模型到圖像的轉(zhuǎn)化,調(diào)用VTK、ImageJ 3D Viewer作為接口進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)圖像三維重建；3.數(shù)據(jù)留盤(pán)實(shí)現(xiàn)：對(duì)葡萄

5、解調(diào)圖像所得進(jìn)行存儲(chǔ)，使用多線程高級(jí)編程對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；4.用戶友好化軟件交互界面設(shè)計(jì)。 </p><p>　?、蟆厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)

6、容：</p><p>　　2014．3下半月：選取合適的OCT系統(tǒng)波數(shù)域線性優(yōu)化算法，對(duì)OCT光學(xué)成像系統(tǒng)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，完成軟件工程需求分析 </p><p>　　2014．4上半月：基于Intel MKL函數(shù)庫(kù)對(duì)波數(shù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成A掃后由波長(zhǎng)域信息向深度信息的算法轉(zhuǎn)換，與VTK、ImageJ 3D Viewer進(jìn)行交互，使用多線程接口同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的輸入輸出流進(jìn)

7、行處理 </p><p>　　2014．4 下半月：對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化，設(shè)計(jì)較為友好的用戶界面，完善軟件的相關(guān)功能； </p><p>　　2014．5 上半月：對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和完善，協(xié)調(diào)配合OCT硬件系統(tǒng)對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試和改善；對(duì)三維結(jié)構(gòu)樣品過(guò)程進(jìn)行樣品實(shí)驗(yàn)成像；

8、 </p><p>　　2014．5下半月：對(duì)樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)收，撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，整理參考文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果； </p><p>　　2014．6上半月：修改論文，答辯。

9、 </p><p><b>　?、簟⒅饕獏⒖假Y料：</b></p><p>　　Huang D, Swanson E A, Lin C P, et al. Optical coherence tomography[J]. Science, 1991, 254(5035): 1178-1181.</p><p>　　[2

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23、）生物醫(yī)學(xué)工程 專業(yè)類 101012 班</p><p>　　學(xué)生 吳瑋瑩 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 自 年 月 日至 年 月 日</p><p>　　答辯時(shí)間： 年 月 日 成績(jī) </p><p>　　指導(dǎo)教

24、師： </p><p>　　兼職教師或答疑教師（并指出所負(fù)責(zé)部分）：</p><p>　　教研室主任 </p><p>　　注：任務(wù)書(shū)應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的首頁(yè)。</p><p><b>　　本人聲明</b></p><p>　　我聲明，本

25、論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p><b>　　作者： 吳瑋瑩</b></p><p><b>　　簽字：</b></p><p>　　時(shí)間：2014年 5 月</p><p>　　高速光學(xué)相干層析掃描系統(tǒng)成像軟件的

26、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)</p><p>　　學(xué) 生：吳瑋瑩 </p><p><b>　　指導(dǎo)教師：李 昂</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本論文描述了一種高速光學(xué)相干層析三維成像軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，該成像軟件針對(duì)譜域光學(xué)相干層析術(shù)（SD-OCT）的數(shù)據(jù)

27、類型。其數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包括兩個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)解調(diào)過(guò)程以及三維重建過(guò)程。其中，數(shù)據(jù)解調(diào)過(guò)程包括數(shù)據(jù)重排、快速傅里葉變換以及LOG灰度級(jí)壓縮與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其主要開(kāi)發(fā)工具為Intel MKL數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫(kù)以及Visual Studio 2012運(yùn)行環(huán)境。解調(diào)圖像獲得了較高的信噪比以及較快的成像速率，并對(duì)數(shù)據(jù)重排過(guò)程中不同的插值算法進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)LOG灰度級(jí)壓縮的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；三維重建過(guò)程主要包括基于VTK視覺(jué)化工具函式庫(kù)的體繪制光線投

28、射法的使用以及基于Imagej 3D Viewer相關(guān)三維重建接口的調(diào)用，并對(duì)二者的三維重建效果進(jìn)行了對(duì)比與分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光學(xué)相干層析成像，解調(diào)，三維重建</p><p>　　High-speed optical coherence tomography </p><p>　　imaging software system design<

29、/p><p>　　Author : Wu Weiying</p><p>　　Tutor : LI Ang</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper describes a data processing method for high-speed optical coh

30、erence tomography imaging software system, which aims at Spectral Domain Optical Coherence Tomography (SD-OCT). The data processing procedure can be divided into two parts, the data demodulation process and the 3D recons

31、truction process. The data demodulation process involves k-domain remapping of the original spectralscopic data, Fast Fourier Transform (FFT) of the remapped data, gray-scale manipulation of the FFT result an</p>

32、<p>　　Key words：Optical coherence tomography, demodulation,3D reconstruction</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　課題研究背景及現(xiàn)實(shí)意義</p><p>　　光學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用具有很長(zhǎng)的歷史，自從18世紀(jì)顯微鏡問(wèn)世后

33、，光學(xué)技術(shù)就成為生物學(xué)領(lǐng)域不可或缺的工具。1960年激光問(wèn)世之后，一種新型的手術(shù)工具成為醫(yī)療領(lǐng)域的新寵，而光纖技術(shù)的發(fā)展更是使得允許直接對(duì)人體內(nèi)部器官進(jìn)行深入觀察的內(nèi)窺鏡操作成為可能。在現(xiàn)代化的醫(yī)療實(shí)驗(yàn)室，光學(xué)技術(shù)的使用能夠較好地進(jìn)行組織樣本的化學(xué)分析以及血細(xì)胞數(shù)量和大小的測(cè)量。OCT光學(xué)相干層析術(shù)10年前由MIT的Fujimoto的團(tuán)隊(duì)提出以來(lái)[1-2]，不斷地發(fā)展成熟，目前已成為重要的臨床成像方法。</p><p

34、>　　OCT光學(xué)相干層析能夠在微米級(jí)分辨率對(duì)圖像進(jìn)行補(bǔ)償，而其成像所要求的光學(xué)流動(dòng)水平較低，靈活性較高，能夠使用于敏感組織區(qū)域，如人眼等部位的成像；而其掃描探測(cè)器體積較小，能夠在醫(yī)療領(lǐng)域人體胃腸道以及主要的血管里面進(jìn)行操作。對(duì)于一個(gè)光學(xué)相干層析系統(tǒng)，其基本功能能夠保證對(duì)目標(biāo)一定深度的結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行成像，而更多復(fù)雜的光學(xué)相干斷層掃描則能夠提供附加的功能信息，如流動(dòng)（通過(guò)多普勒光學(xué)相干層析掃描），組織結(jié)構(gòu)布局（通過(guò)雙折射光學(xué)相干層析掃描

35、），特定對(duì)照的空間分布（通過(guò)分子對(duì)照光學(xué)相干層析掃描）等的成像[3-4]。</p><p>　　OCT光學(xué)相干層析術(shù)是一種能夠提供高清活體生物內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的橫截面的典型成像技術(shù)，該技術(shù)深深根植于早期對(duì)白光相干性的研究所催生的光相干域反射儀的發(fā)展，這是一種一維的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。盡管OCDR光相干域反射儀原先主要應(yīng)用于光學(xué)電纜和網(wǎng)絡(luò)元件查錯(cuò)，但它在探索眼部和其他生物組織中的潛質(zhì)漸漸地浮出水面。例如，光學(xué)相干層析術(shù)在黃斑裂

36、孔疾病發(fā)展過(guò)程中能夠提供較為清晰的深度成像輪廓，對(duì)視網(wǎng)膜稀釋與分離具有良好的成像效果，而這種成像效果對(duì)于那種表層的圖像成像方法則是難以企及的。光學(xué)相干層析術(shù)在消化道應(yīng)用中亦具有極高的實(shí)用性，其結(jié)構(gòu)信息提供了一種對(duì)疾病診斷較為有效的生理相關(guān)信息的間接測(cè)量方法。OCT光學(xué)層析術(shù)在人體其他部位的應(yīng)用包括對(duì)腫瘤診斷的內(nèi)窺鏡GI神經(jīng)纖維束的成像[6-7]，對(duì)血管系統(tǒng)中脂質(zhì)成形的血小板進(jìn)行監(jiān)督和評(píng)估[8-9]，監(jiān)督經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療[10]，對(duì)與

37、牙齒退化有關(guān)的結(jié)構(gòu)傷害進(jìn)行追蹤探測(cè)[11-12]等。OCT光學(xué)相干層析術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用則朝雞胚心臟發(fā)育[13]，鼠胚胎原腸胚形成[14]，以及有爪蟾蜍的神經(jīng)形態(tài)學(xué)成像方向發(fā)展[15]。</p><p>　　OCT光學(xué)相干層析術(shù)的光學(xué)分辨能力是通過(guò)實(shí)現(xiàn)光源寬帶短暫的相干性，使得OCT掃描儀能夠獲得不同深度的組織結(jié)構(gòu)微觀圖像，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了傳統(tǒng)光學(xué)領(lǐng)域以及共焦望遠(yuǎn)鏡所能達(dá)到的精度。對(duì)透明組織要求探查深度需要大于2c

38、m，包括眼睛和青蛙胚胎。對(duì)于皮膚和其他高度分散的組織，OCT光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)可以對(duì)微小的血管組織和其他表皮層以下1-2mm深度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。OCT具有可進(jìn)行高頻超聲成像的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的深度探測(cè)，而其硬件系統(tǒng)的要求則相對(duì)簡(jiǎn)單。</p><p>　　OCT的深度成像范圍可達(dá)6mm，而其一個(gè)A掃的軸向分辨率可達(dá)5um，與超聲波、共焦顯微等技術(shù)相比，它在較高的分辨率以及較大的成像深度范

39、圍之間達(dá)到了較好的權(quán)衡，與其他成像技術(shù)相比，OCT的性能如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1 成像性能比較</p><p>　　隨著OCT光學(xué)相干層析術(shù)的發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)逐漸由原來(lái)的時(shí)域光學(xué)相干層析術(shù)向譜域光學(xué)相干層析術(shù)轉(zhuǎn)變。譜域相干層析術(shù)(SD-OCT)相對(duì)于時(shí)域相干層析術(shù)(TD-OCT)能夠提供更高的感光度，而高感光度則能夠提高OCT光學(xué)相干層析術(shù)的獲取樣本信息的速率，獲得更

40、高的深度洞穿率，從而提高不同的功能光學(xué)相干層析掃描方法的敏感度。</p><p>　　譜域相干層析術(shù)(SD-OCT)所使用的線性感光陣列具有極高的掃描速度，其采集數(shù)據(jù)的速度可達(dá)幾十兆赫茲。對(duì)于如此高的數(shù)據(jù)采集速度，需要較高的數(shù)據(jù)處理速度來(lái)與之匹配，這就要求OCT光學(xué)相干層析術(shù)的軟件系統(tǒng)具有較高的性能。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)OCT光學(xué)相干層析三維成像軟件系統(tǒng)，其主要任務(wù)為快速高效地完

41、成對(duì)硬件接口裸數(shù)據(jù)的解調(diào)以及對(duì)二維圖像的三維顯示。</p><p>　　其中，對(duì)于OCT裸數(shù)據(jù)的解調(diào)，Intel MKL(英特爾數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫(kù))封裝了大量高度優(yōu)化的函數(shù)例程，能夠快速高效地完成OCT解調(diào)所需的樣條插值、傅里葉變換等計(jì)算過(guò)程，能夠較好地滿足SD-OCT的成像要求，其處理數(shù)據(jù)的性能（以FFT為例）與傳統(tǒng)算法相比如圖1.2所示。</p><p>　　圖1.2 Intel MKL與

42、傳統(tǒng)算法FFT性能比較</p><p>　　對(duì)于OCT光學(xué)相干層析術(shù)二維解調(diào)圖像的三維顯示，VTK（Visualization Toolkit）提供了一個(gè)開(kāi)源、多語(yǔ)言、并行處理的圖形處理開(kāi)發(fā)函數(shù)庫(kù)，可對(duì)輸入的二維圖像進(jìn)行快速高效的三維顯示及重建,ImageJ 3D Viewer提供了基于JAVA的三維重建接口，便于高效精確地對(duì)其進(jìn)行調(diào)用。基于Intel MKL以及VTK的三維圖像顯示、ImageJ 3D View

43、er接口的調(diào)用與基于MFC的API相互嵌合，可滿足光學(xué)相干層析實(shí)時(shí)精確的成像要求。</p><p><b>　　研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本論文第二章對(duì)OCT光學(xué)相干成像基本原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述和介紹，包括OCT系統(tǒng)的基本理論以及時(shí)域光學(xué)相干層析術(shù)（TD-OCT）與頻域光學(xué)相干層析術(shù)(SD-OCT)的相關(guān)原理；第三章則對(duì)OCT成像算法原理進(jìn)行了闡述，包括直

44、流分量濾除的相關(guān)原理、數(shù)據(jù)重排所使用的三次樣條插值算法原理、快速傅里葉變換、LOG灰度級(jí)壓縮以及光譜儀校正和色散補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)原理、OCT三維數(shù)據(jù)場(chǎng)基本原理以及三維重建面繪制、體繪制相關(guān)算法基本原理等；第四章則對(duì)本軟件所使用的相關(guān)函數(shù)庫(kù)以及本軟件系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了介紹，包括Intel MKL數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫(kù)、VTK視覺(jué)化工具函式庫(kù)、ImageJ 3D Viewer插件相關(guān)函數(shù)的使用以及三維成像軟件的構(gòu)成與流程等；第五章則對(duì)所使用的算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)

45、驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)葡萄OCT數(shù)據(jù)使用上述方法進(jìn)行二維解調(diào)、三維重建，論證了本成像軟件的可行性以及實(shí)用性。</p><p>　　本論文的研究?jī)?nèi)容包括：OCT數(shù)據(jù)解調(diào)算法的編寫(xiě)、不同插值算法的比較、基于CPU的OCT解調(diào)算法的優(yōu)化、灰度級(jí)壓縮參數(shù)的優(yōu)化、VTK三維重建體繪制算法的優(yōu)化、ImageJ 3D Viewer 三維顯示JAVA接口的調(diào)用、VTK三維重建體繪制算法的優(yōu)化與ImageJ 3D Viewer三維顯示效果的

46、對(duì)比。</p><p>　　光學(xué)相干成像基本原理</p><p><b>　　OCT系統(tǒng)基本理論</b></p><p>　　圖2.1展示了基本OCT光學(xué)相干成像系統(tǒng)的基本組成。該系統(tǒng)的中心元件為一個(gè)光學(xué)干涉儀，其照明由寬帶光源提供。 </p><p>　　圖2.1：OCT系統(tǒng)模塊</p><p>

47、;　　OCT光學(xué)相干斷層掃描儀將一個(gè)寬帶場(chǎng)分成參考場(chǎng)Er和樣本場(chǎng)Es，其中樣本場(chǎng)通過(guò)光學(xué)掃描和透鏡對(duì)組織表面以下一定深度的點(diǎn)進(jìn)行聚焦。從組織回掃之后，標(biāo)準(zhǔn)化的樣本場(chǎng)Es’ 與Er在圖像探測(cè)器的表面混合。假設(shè)圖像探測(cè)器捕捉了從參考臂與樣本臂的光源發(fā)射出來(lái)的所有的光，則光學(xué)探測(cè)器的光強(qiáng)為</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　其中Ir和Is分

48、別為從干涉儀的參考臂和樣本臂發(fā)射來(lái)的平均光強(qiáng)，該公式的第二個(gè)等式?jīng)Q定于光學(xué)的時(shí)延τ，它由參考鏡的位置所決定，表示了攜帶組織結(jié)構(gòu)信息的干涉邊緣的振幅。干涉邊緣的特征（或者無(wú)任何邊緣形成）則決定于Es’ 與Er所匹配的時(shí)空特征。因此，干涉儀起到了一個(gè)交叉相關(guān)器的作用：經(jīng)過(guò)在探測(cè)器表面疊加后的相干信號(hào)的振幅的聚集提供了對(duì)交叉相關(guān)信號(hào)的測(cè)量方法。為了使交叉相關(guān)信號(hào)從光強(qiáng)的成分中分離出來(lái)，須使用不同的技術(shù)用來(lái)對(duì)τ進(jìn)行調(diào)整。 </p>

49、<p>　　基于生物組織可表現(xiàn)為一個(gè)理想鏡對(duì)光束不作改變的特征，相關(guān)振幅決定于時(shí)間相干特征，根據(jù)</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　其中c為光速，是光源的中心頻率，而是它的關(guān)于變量的復(fù)合時(shí)間相關(guān)方程。根據(jù)Wiener-Khinchin定理，與光源的功率譜密度有關(guān),如等式2.3所示。</p><p>

50、;<b>　　(2.3)</b></p><p>　　光源的發(fā)射譜的形狀和寬度在OCT光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)中是較為重要的變量，因?yàn)樗鼈儗?duì)不同光路干涉儀敏感度的影響較大。對(duì)于一個(gè)OCT成像系統(tǒng)，寬頻的光源是可以實(shí)現(xiàn)的，從而可產(chǎn)生短暫的時(shí)間或者空間的光學(xué)干涉。而與之間的關(guān)系都可以清晰地用高斯函數(shù)來(lái)表示：</p><p><b>　　(2.4)</b>

51、</p><p><b>　　而對(duì)于，有</b></p><p><b>　　(2.5)</b></p><p><b>　　對(duì)于，有</b></p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　在這些等式中，半功率

52、帶寬表示光學(xué)頻率定義域內(nèi)光源的頻率寬度,相應(yīng)的相關(guān)寬度的測(cè)量方法可從等式2.6中衍生而來(lái)，其相關(guān)長(zhǎng)度可由如下等式得到：</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　其中是相干方程中波長(zhǎng)最大值測(cè)量中的寬度,在OCT光學(xué)相干層析術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)中，等式2.8是其

53、最為普遍的定義。</p><p><b>　　OCT相干成像</b></p><p>　　2.2.1 時(shí)域光學(xué)相干成像</p><p>　　一個(gè)經(jīng)典的時(shí)間光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)如圖2.2所示。對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)A掃是按照時(shí)間的序列進(jìn)行的，稱之為時(shí)域光學(xué)相干層析成像(TD-OCT)，TDOCT的深度掃描原來(lái)是通過(guò)在參考臂安裝壓電陶瓷，壓電陶瓷的

54、變化驅(qū)動(dòng)反射鏡使參考臂光程發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)深度掃描的探測(cè)。由于在TD-OCT中，A掃的速度具有局限性，因而早期的OCT速度較為緩慢。</p><p>　　圖2.2：基于時(shí)間以及基于光譜的光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)示意圖。M為鏡子，ODL為光學(xué)延遲</p><p>　　在一個(gè)時(shí)域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中，其參考臂通常為不固定的，可在一定的樣本深度范圍內(nèi)對(duì)一定距離范圍進(jìn)行掃描，該距離與深度范圍相等，表

55、示為。對(duì)于一個(gè)給定的掃描持續(xù)時(shí)間T，我們可以得到一個(gè)時(shí)域光學(xué)相干成像系統(tǒng)將消耗時(shí)間來(lái)獲取從任何樣本表面到達(dá)的相干信號(hào)。</p><p>　　2.2.2 頻域光學(xué)相干成像 </p><p>　　隨著OCT成像技術(shù)的發(fā)展，譜域光學(xué)相干層析成像（SD-OCT）逐漸進(jìn)入人們的視線，它大大地提高了一個(gè)A掃的速度，在成像的信噪比和靈敏度上也都有了較大的提升。TD-OCT中，所探測(cè)信號(hào)是編碼在時(shí)間域中寬

56、帶光源以波數(shù)為基準(zhǔn)其各個(gè)成分經(jīng)所測(cè)樣品深度調(diào)制后所得的和；而在SD-OCT中，所獲信號(hào)是按頻率域分布的，需通過(guò)傅里葉變換被解調(diào)出來(lái)。對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，其干涉信號(hào)在參考臂和樣品臂上可分別表示成：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　譜域光學(xué)相干層析掃描系統(tǒng)組成如圖2.2(A)所示。該系統(tǒng)使用一個(gè)寬帶光源，通常為一個(gè)超輻射發(fā)光二極管或者一個(gè)

57、鎖模激光器，它與一個(gè)2*2的光纖組成了一個(gè)Micelson干涉儀。在探測(cè)臂中，一個(gè)低損耗的光譜儀從參考臂或者樣本臂返回光的干涉形式的光譜，而該基于柵格的光譜儀通過(guò)一個(gè)帶有波長(zhǎng)λ的公式對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。通常情況下，在k空間，光譜數(shù)據(jù)將被重新調(diào)節(jié)和取樣，在此之前，則通過(guò)傅里葉變換或A掃獲得樣本深度范圍（如圖2.2，B-D）。</p><p>　　圖2.2：基于光譜儀的光譜光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)，寬帶激光器能夠作為一個(gè)

58、超輻射發(fā)光二極管或者鎖模激光器。SMF為單模纖維，G為衍射柵欄，PC為計(jì)算機(jī)，CCD為電荷耦合設(shè)備。</p><p>　　其中，k為波數(shù)，為光源的功率譜，2r為參考臂往返光程，n為所測(cè)樣本折射率。其中，為了簡(jiǎn)化論述，假設(shè)(參考臂反射對(duì)光的反射率)為1；則表示樣本在不同z值的散射率信息，解調(diào)出即可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品進(jìn)行深度斷層成像。</p><p>　　假設(shè)樣品散射率如下：</p>&

59、lt;p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　其對(duì)樣品表面，散射率呈對(duì)稱分布，帶入式(2.14)中，可化為：</p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　上式中第一項(xiàng)為信號(hào)的直流偏置，第二項(xiàng)為參考臂和樣品臂干涉信號(hào)，第三項(xiàng)為樣本臂信號(hào)的自相干；左右兩邊進(jìn)行傅里葉逆變換，可得

60、：</p><p><b>　　(2.12)</b></p><p>　　其中對(duì)調(diào)制，從而表現(xiàn)為所使用光源光譜對(duì)系統(tǒng)深度分辨率造成的影響。為了提高信噪比，由(2.12)式可知，須抑制第一項(xiàng)DC噪聲和第三項(xiàng)AC噪聲。在OCT系統(tǒng)中，AC噪聲主要分布樣品表面位置，強(qiáng)度較弱，因此較為容易濾除。對(duì)于直流噪聲，可直接在所測(cè)信號(hào)中減除直流分量進(jìn)行去除。由上，我們可得在樣品不同深度

61、z的散射率信息，從而用于光學(xué)成像。</p><p>　　對(duì)于SD-OCT技術(shù)，其最大優(yōu)勢(shì)為不須進(jìn)行深度掃描，從而大大提高了數(shù)據(jù)采樣的速度，其成像速度較TD-OCT提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。缺點(diǎn)則為探測(cè)器陣列價(jià)格較高、動(dòng)態(tài)范圍較??；另一個(gè)缺點(diǎn)則為物體結(jié)構(gòu)自相關(guān)寬度為其實(shí)際寬度的兩倍，從而浪費(fèi)了一半的信號(hào)帶寬，對(duì)于1024陣列的探測(cè)器，只有512個(gè)陣列得到有效的利用。</p><p>　　3 OCT成

62、像算法原理</p><p>　　3.1 OCT成像數(shù)據(jù)解調(diào)</p><p>　　3.1.1 直流分量濾除</p><p>　　OCT讀出的信號(hào)為按波長(zhǎng)域線性排列的光譜強(qiáng)度信號(hào)，而SD-OCT的深度信息則是由基于波數(shù)域線性排列的光譜強(qiáng)度信號(hào)的傅氏變換，對(duì)于一個(gè)SD-OCT系統(tǒng)，對(duì)于由樣本臂和參考臂得到的裸數(shù)據(jù)，首先需要進(jìn)行直流分量濾除、數(shù)據(jù)重排、快速傅里葉變換、LOG

63、灰度級(jí)壓縮等步驟，從而獲得一個(gè)B掃（截面成像）的二維截圖圖像，其基本原理基于公式3.1：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中，為所測(cè)樣本在不同深度z反射光的光強(qiáng)值，為光譜儀所測(cè)的對(duì)應(yīng)于波數(shù)K的反射光的光強(qiáng)值，兩者之間為傅里葉變換對(duì)的關(guān)系。</p><p>　　對(duì)于直流分量濾除，由于光譜儀的輸出信號(hào)可表示為:

64、</p><p><b>　　（3.2）</b></p><p>　　由上式可得，反射光的直流分量是由于參考臂的反射光作用造成的，所以，在數(shù)據(jù)解調(diào)的過(guò)程中，只需在所測(cè)光譜儀信號(hào)的基礎(chǔ)上減去參考臂測(cè)得的信號(hào)即可。在測(cè)量信號(hào)之前，遮擋住樣本臂，對(duì)參考臂的反射光光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，然后進(jìn)行樣本臂光譜強(qiáng)度信號(hào)測(cè)量即可，無(wú)需進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，OCT輸出信號(hào)如圖4.1所示。</p

65、><p>　　(a)參考臂反射光譜信號(hào) (b)光譜儀輸出信號(hào) (c)濾除直流分量之后的交流信號(hào)</p><p>　　圖3.1 OCT輸出信號(hào)</p><p>　　3.1.2 數(shù)據(jù)重排</p><p>　　在進(jìn)行直流分量濾除后，須對(duì)所得波長(zhǎng)域數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重排，對(duì)于數(shù)據(jù)重排算法，常見(jiàn)的包括近鄰插值、線性插值以

66、及三次樣條插值等，其中，使用近鄰插值以及線性插值無(wú)疑會(huì)引入較大誤差，降低所得圖像的信噪比，故而本算法中，使用的是三次樣條插值(圖3.2)。</p><p>　　三次樣條插值使用的插值方法為使用分段多項(xiàng)式對(duì)特定點(diǎn)進(jìn)行擬合，使用多段低階多項(xiàng)式降低插值誤差，故而可以避免使用高階多項(xiàng)式產(chǎn)生的龍格現(xiàn)象。</p><p>　　三次樣條插值主要包括自然插值、Akima插值、Bessel插值等多種方法[1

67、6-17]，其中，這些插值方法均有以下插值形式(公式3.3)：</p><p><b>　　（3.3）</b></p><p>　　由插值條件，我們可得，</p><p>　　圖3.2 三次樣條插值示意圖</p><p>　　)

68、 （3.4）</p><p>　　而所取樣條是相互連接的，故而有</p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　對(duì)于若干三次多項(xiàng)式，其連接處兩次連續(xù)可導(dǎo)，故有：</p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　對(duì)于給定n個(gè)多項(xiàng)式

69、，由于每一個(gè)三次多項(xiàng)式都需要4個(gè)條件來(lái)確定其唯一性，故而共需要4n個(gè)條件，公式3.4給出了n+1個(gè)條件，而內(nèi)部數(shù)據(jù)點(diǎn)則共給出了n-1個(gè)條件，共給出4n-2個(gè)條件，而另外兩個(gè)邊界條件選擇的不同則成為不同三次樣條插值方法的誘因。</p><p>　　其中，對(duì)于不同的插值方法，其邊界條件如表3.1所示：</p><p>　　表3.1 不同插值方法邊界條件</p><p>

70、　　3.1.3 傅里葉變換</p><p>　　將數(shù)據(jù)從波長(zhǎng)域重采樣至波數(shù)域后，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行快速傅里葉變換即可得到相應(yīng)的復(fù)數(shù)據(jù)，對(duì)其實(shí)部虛部計(jì)算結(jié)果的幅度值，可得到相應(yīng)的灰度信息。</p><p>　　3.1.4 LOG灰度壓縮</p><p>　　經(jīng)傅里葉變換后所得的二維數(shù)組數(shù)量級(jí)較大，須對(duì)其進(jìn)行灰度級(jí)壓縮，由于其動(dòng)態(tài)范圍較大，直接線性映射到0-255灰度空間將

71、會(huì)造成較大的失真，故而在本實(shí)驗(yàn)中，采用先對(duì)所得傅里葉變換結(jié)果進(jìn)行LOG變換，其映射公式如式3.7。</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　其中，與與圖像本身光強(qiáng)有較大關(guān)系，須通過(guò)不同取值的灰度直方圖來(lái)確定其最優(yōu)取值。</p><p>　　另外，為了增強(qiáng)對(duì)比度，本實(shí)驗(yàn)還對(duì)其進(jìn)行了偽彩色顯示，將其映射到RGB空間進(jìn)行顯

72、示。</p><p>　　3.1.5 光譜儀校正與色散補(bǔ)償</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)室所采用的OCT光譜儀為Bayspec OCT engine，其波長(zhǎng)域范圍為，在OCT系統(tǒng)中，由于樣本臂與參考臂色散的不匹配以及光譜儀與線性感光陣列的對(duì)應(yīng)問(wèn)題，因此，須對(duì)光譜儀進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)讀入光譜的波長(zhǎng)域進(jìn)行校正。</p><p>　　校正方法為：遮擋系統(tǒng)的參考臂，使其反射的信號(hào)為

73、零；在樣本臂中置放厚度約為0.1mm的蓋玻片，使其上下表面反射的光信號(hào)發(fā)生干涉。假設(shè)兩束光所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)基本相同，那么干涉信號(hào)的相位譜就應(yīng)當(dāng)滿足線性：</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p>　　根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，我們可設(shè)定光譜儀分光之后不同像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)關(guān)系，當(dāng)所獲得的相位譜最接近線性分布時(shí)，認(rèn)為所設(shè)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系最接近實(shí)際情況。</p&g

74、t;<p>　　假設(shè)實(shí)際波長(zhǎng)與不同像素點(diǎn)滿足如下多項(xiàng)式關(guān)系：</p><p>　　n=1,2 (3.9)</p><p>　　圖3.3 光譜儀校正信號(hào)示意圖</p><p>　　上式中，表示所覆蓋的波長(zhǎng)范圍，為了簡(jiǎn)化論述，設(shè)為1300nm；N表示感光陣列像素點(diǎn)數(shù)，所使用系統(tǒng)其值為1024；為中心波長(zhǎng)，則表示使二次和三次分式誤差為0的像素點(diǎn)。式

75、3.9中最后兩項(xiàng)各自用以擬合分光系統(tǒng)二次和三次的非線性誤差。由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)三次的非線性誤差相對(duì)于其他分式非常小，因此采用二次模型就可以達(dá)到擬合的精度。</p><p>　　因此，經(jīng)簡(jiǎn)化，我們得到：</p><p>　　n=1,24 (3.10)</p><p>　　因此，公式中共有三個(gè)參數(shù)需進(jìn)行最優(yōu)擬合估計(jì)。以相位曲線和直線誤差的平方和作為

76、誤差評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，求得當(dāng)=680，1346，2.9367e-5時(shí)所得誤差最小。此時(shí)，蓋玻片的上下表面反射光干涉信號(hào)相位曲線與直線最為接近。</p><p>　　圖3.4 光譜儀最優(yōu)化結(jié)果</p><p>　　經(jīng)校正后，我們可得到不同像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光譜波長(zhǎng)關(guān)系為：</p><p>　　n=1,24 (3.11)</p><p>　　3

77、.2 OCT圖像三維重建</p><p>　　3.2.1 OCT三維數(shù)據(jù)場(chǎng)</p><p>　　三維數(shù)據(jù)場(chǎng)也稱體數(shù)據(jù)場(chǎng)，在一個(gè)三維空間中，根據(jù)構(gòu)成體數(shù)據(jù)的離散數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)關(guān)系，可以分成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化混合數(shù)據(jù)三類。</p><p>　　其中，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為可以在邏輯上組織成一個(gè)三維數(shù)組的離散空間數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)都有自己的行號(hào)、列號(hào)、層號(hào)，該空間

78、離散數(shù)據(jù)每個(gè)元素之間具有一個(gè)三維數(shù)組每個(gè)元素間的邏輯關(guān)系。按照三維數(shù)組的均勻?qū)傩?，又可將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分為規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對(duì)于規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)組成是由均勻網(wǎng)格構(gòu)成，其中一個(gè)網(wǎng)格即為一個(gè)元素，稱之為體素（圖3.5）。對(duì)于OCT系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，其組成是均一的，故而屬于這個(gè)范疇。</p><p>　　對(duì)于所采得的數(shù)據(jù)，其函數(shù)值是按點(diǎn)分布的，對(duì)于一個(gè)體素而言，假設(shè)所采得的值分別位于其八

79、個(gè)頂點(diǎn)，而在三個(gè)方向上，不同像素點(diǎn)的間距分別設(shè)為、、，對(duì)于八個(gè)頂點(diǎn)，我們?cè)O(shè)其索引值分別為（i,j,k）、（i+1,j,k），(i+1,j+1,k),（i，j+1,k），（i,j+1,k+1）,(i+1,j,k+1),(i,j+1,k+1),(i+1,j+1,k+1)。對(duì)于索引值為(i，j，k)的點(diǎn)，它位于空間處，所對(duì)應(yīng)的函數(shù)值為，而對(duì)于空間中其他點(diǎn)，其函數(shù)值則通過(guò)八個(gè)頂點(diǎn)的插值來(lái)獲得。對(duì)于OCT數(shù)據(jù)場(chǎng)，它實(shí)際上是一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)，是一個(gè)與方向

80、無(wú)關(guān)的三次線性插值模型，故可以通過(guò)對(duì)八個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行三次線性插值獲得。</p><p>　　圖3.5 體素示意圖</p><p>　　OCT系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)解調(diào)后可看作一系列二維圖像的疊加，對(duì)于一系列的二維圖像，可構(gòu)成一個(gè)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 二維圖像構(gòu)成的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)</p><p>　　對(duì)于醫(yī)學(xué)上所說(shuō)的三維

81、重建，即為對(duì)所給的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行可視化處理，其主要算法可分為兩類：面繪制算法和體繪制算法。其中，面繪制算法為在三維空間的數(shù)據(jù)場(chǎng)構(gòu)造出所需的曲面或者多邊形平面，對(duì)所構(gòu)造出的幾何圖元使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法進(jìn)行繪制。體繪制算法則并不構(gòu)造中間的幾何圖元，而是對(duì)三維空間體素按照一定的規(guī)律賦予不透明度值和顏色值，隨即產(chǎn)生二維圖像，它實(shí)際上是對(duì)圖像的重新采樣與合成。</p><p>　　3.2.3 OCT三維重建面繪制算法&l

82、t;/p><p>　　三維重建面繪制算法可分為兩類：基于輪廓線的面繪制算法與基于體素的面繪制算法。</p><p>　　其中，基于輪廓線的面繪制算法又包括全局優(yōu)化法、局部?jī)?yōu)化法以及曲面擬合法等。全局優(yōu)化法最初由上世紀(jì)七十年代Kepple等人首次采用[18]，優(yōu)化參數(shù)為由生成的輪廓表面之間相互連接所得的體積，而Fuches等人則采用生成輪廓表面積為優(yōu)化參數(shù)[19]，全局優(yōu)化法計(jì)算量大且精度有限，

83、不能解決其多輪廓線拓?fù)渲貥?gòu)的問(wèn)題。局部?jī)?yōu)化法則包括最大體積法、相鄰輪廓線同步前進(jìn)法等，相對(duì)于全局優(yōu)化法，計(jì)算量大大地減小，極大地提高了三維重構(gòu)的效率。曲面擬合法則包括雙三次B樣條曲面法、非均勻有理B樣條曲面法等，其曲面重構(gòu)問(wèn)題得以較好地解決，但是計(jì)算量偏大，也不能較好地解決多輪廓線拓?fù)渲貥?gòu)問(wèn)題。而基于體素的面繪制算法則包括立方體算法、移動(dòng)立方體算法（Marching Cube）[20]、剖分立方體算法等，移動(dòng)立方體算法（MC）應(yīng)用較為廣

84、泛，它能夠較好地解決多輪廓線拓?fù)渲貥?gòu)問(wèn)題，但是由于移動(dòng)立方體算法需要設(shè)置小立方體逐個(gè)對(duì)體素進(jìn)行遍歷，因而執(zhí)行效率較低，而且生成大量零散的小面片，對(duì)存儲(chǔ)空間要求較高。而且在體間距較大的時(shí)候，移動(dòng)立方體算法（MC）將會(huì)造成較大的誤差。</p><p>　　3.2.3 OCT三維重建體繪制算法</p><p>　　OCT信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后，可獲得二維灰度圖像數(shù)組，而一組對(duì)齊的二維灰度圖像數(shù)組將會(huì)產(chǎn)生

85、不同的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，由三維數(shù)據(jù)場(chǎng)我們可以得到OCT成像的三維顯示圖像。</p><p>　　將所得三維數(shù)據(jù)場(chǎng)按照其位置和角度信息排列，并對(duì)其進(jìn)行規(guī)則化處理，即可得到三維空間中的均勻網(wǎng)格組成的數(shù)據(jù)場(chǎng)，這個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)反映所探測(cè)樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而反映其相應(yīng)的灰度、密度等特征。</p><p>　　體繪制算法包括光線投射法、二維紋理映射法、錯(cuò)切變形法等。其中，光線投射法基于圖像空間掃描而生成高質(zhì)量的圖

86、像，其基本思想為從某一圖像平面像素沿著視線的方向發(fā)射一條射線，該射線經(jīng)過(guò)體數(shù)據(jù)集，并按照一定的步長(zhǎng)進(jìn)行采樣，從內(nèi)部插值計(jì)算出采樣點(diǎn)的灰度值和不透明度大小，由前向后或者由后向前逐個(gè)計(jì)算出該點(diǎn)累計(jì)的灰度值和不透明度值，直至所射出的光線完全中間某個(gè)點(diǎn)吸收或穿過(guò)物體為止。對(duì)于該方法，能夠較好地反映出物質(zhì)邊界的變化，若使用Phong模型，從中引入鏡面反射、漫反射、環(huán)境反射等將得到很好的光照效果，從而將所測(cè)各組織器官的屬性、形狀及相互的層次表現(xiàn)出來(lái)

87、，大大地豐富了圖像的信息。</p><p>　　光線投射法體繪制包括合成法體繪制、最大密度法體繪制、表面輪廓法體繪制。其中，合成法體繪制對(duì)體素頂點(diǎn)以外的空間點(diǎn)進(jìn)行插值，而最大密度法體繪制則取體素定點(diǎn)的最大值作為空間點(diǎn)的取值。</p><p>　　3.3 OCT圖像存儲(chǔ)</p><p>　　在對(duì)OCT數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)后，我們須對(duì)其解調(diào)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。由于位圖圖像具有使用廣泛

88、、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，故我們將其存儲(chǔ)成.bmp位圖圖像格式的文件。</p><p>　　在Visual Studio 2012運(yùn)行環(huán)境中將灰度壓縮后的二維數(shù)組存儲(chǔ)成.bmp格式的文件，需要對(duì)位圖圖像的四個(gè)部分進(jìn)行寫(xiě)入，即位圖圖像文件實(shí)際上是由四個(gè)部分組成:包括位圖文件頭、位圖信息頭、彩色表以及定義位圖的字節(jié)陣列。</p><p>　　位圖文件頭包含了文件的類型、大小、存儲(chǔ)位置等信息，用BITM

89、APFILEHEADER結(jié)構(gòu)體來(lái)定義，其中該結(jié)構(gòu)體中btType的值設(shè)為0x4D42（即.bmp位圖格式文件），而bfSize以及bfOffBits則分別表示文件的大小以及文件頭到實(shí)際圖像數(shù)據(jù)之間字節(jié)偏移量的大小。位圖信息則由BITMAPINFO結(jié)構(gòu)體定義，它的實(shí)際組成有兩部分，包括位圖信息頭以及顏色表，其中，位圖信息頭是由BITMAPINFOHEADER結(jié)構(gòu)體定義的，而顏色表則是由GRBQUAD結(jié)構(gòu)體定義的。</p>&

90、lt;p>　　在圖像存儲(chǔ)的過(guò)程中，在該線程中讀入信息流，對(duì)信息流的位圖文件頭、信息頭進(jìn)行定義，隨后將數(shù)組大小映射到RGB顏色表，隨后將位圖文件頭、信息頭以及RGB顏色表寫(xiě)入生成的.bmp文件。</p><p>　　4 OCT成像軟件開(kāi)發(fā)</p><p>　　4.1軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)所運(yùn)行的環(huán)境為Visual Studio 2012

91、,數(shù)據(jù)解調(diào)使用的是Intel MKL（Math Kernel Library）高性能數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重排和快速傅里葉變換，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行LOG灰度級(jí)壓縮后，使用VTK（TheVisualization Toolkit）對(duì)二維解調(diào)結(jié)果進(jìn)行三維立體顯示和重建。</p><p>　　4.1.1 Intel MKL數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫(kù)</p><p>　　Intel MKL數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫(kù)封裝了許

92、多高度優(yōu)化的數(shù)學(xué)例程和函數(shù)，主要面向需要大量計(jì)算的科學(xué)、工程、財(cái)務(wù)應(yīng)用。其主要工具庫(kù)包括線性代數(shù)庫(kù)LAPACK（Linear Algebra Package）、離散傅里葉變換庫(kù)DFTs(Discrete Fourier Transforms)、矢量數(shù)學(xué)庫(kù)VML（Vector Math Library），矢量統(tǒng)計(jì)庫(kù)（Vector Statistical Library）等。</p><p>　　其中，本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要

93、將Intel MKL數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫(kù)用于數(shù)據(jù)重排所使用的樣條插值算法以及快速傅里葉變換。對(duì)于數(shù)據(jù)重排，使用MKL中的插值函數(shù)，其中封裝了不少高度優(yōu)化的插值算法，包括線性插值、近鄰插值、不同邊界條件的三次樣條插值等，其主要封裝的運(yùn)算包括：插值構(gòu)造、插值位置導(dǎo)數(shù)計(jì)算與迭代、以及對(duì)插值位點(diǎn)的匹配與遍歷等，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成可允許單精度或雙精度的數(shù)值運(yùn)算，并提供C/Fortran接口以供調(diào)用。對(duì)于快速傅里葉變換，使用MKL中的離散傅里葉變換庫(kù)DFTs

94、，它封裝了同樣帶有C/Fortran接口的多維FFT（從一維到七維），提供了一系列的C語(yǔ)言例程，可模擬FFTW2.0或3.0接口，可支持用戶將MKL集成到相關(guān)應(yīng)用上去。</p><p>　　4.1.2 三維重建軟件平臺(tái)</p><p>　　主流的三維重建軟件平臺(tái)目前包括兩種類型，一類是封裝了多種三維重建算法的工具包，包括目前醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)可視化工具函式庫(kù)VTK（Visualizat

95、ion Toolkit）；另一類則為封裝了多種三維重建算法、具有較為友好的用戶交互界面的平臺(tái)，如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用的ImageJ 3D Viewer,3D Slicer, MITK(Medical Imaging Toolkit)等。由于VTK以及ImageJ 3D Viewer均有開(kāi)源算法庫(kù)以供調(diào)用，而其他軟件多為商業(yè)軟件，不便于進(jìn)行科研開(kāi)發(fā)，故而本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要使用數(shù)據(jù)可視化工具函式庫(kù)VTK的體繪制算法以及調(diào)用ImageJ 3D Viewe

96、r接口進(jìn)行三維重建，最后對(duì)兩者的成像性能以及效果進(jìn)行對(duì)比。</p><p>　　4.1.3 VTK（Visualization Toolkit）視覺(jué)化工具函式庫(kù)</p><p>　　VTK（Visualization Toolkit）是一款開(kāi)源、多語(yǔ)言、跨平臺(tái)、可支持并行處理的軟件開(kāi)發(fā)庫(kù)，主要用于計(jì)算機(jī)三維圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及可視化，其內(nèi)核由C++實(shí)現(xiàn)，是在面向?qū)ο蟮脑砗突A(chǔ)上設(shè)計(jì)

97、的，其中封裝了250000行代碼、2000多個(gè)類以供用戶調(diào)用，提供了強(qiáng)大的三維可視化功能，符合本畢業(yè)設(shè)計(jì)三維顯示的要求。VTK可用于多種編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)，提供了C++、Java、TCL/Tk、Python等多種語(yǔ)言的接口，可在Unix操作平臺(tái)或Windows系統(tǒng)中使用。</p><p>　　VTK具有強(qiáng)大的三維可視化功能，提供了多種體繪制算法以供調(diào)用，同時(shí)，也保留了傳統(tǒng)的面繪制算法，極大地改善了三維圖像的可視化效果

98、。VTK是基于OpenGL基礎(chǔ)上編寫(xiě)的，能夠支持其各種圖形圖像的渲染、繪制、著色功能，具有強(qiáng)大的可視化效果。并且，VTK具有較強(qiáng)的高速緩存能力，能夠快速高效地處理大批量數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，與所使用的設(shè)備并無(wú)必然聯(lián)系，代碼具有良好的可移植性。</p><p>　　VTK圖形模型是在基于面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，其對(duì)象類型主要分為圖形模型對(duì)象和可視化模型對(duì)象兩種。對(duì)于圖形模型對(duì)象，主要分為九類，如表4.1所示。</

99、p><p>　　表4.1 圖形模型對(duì)象 </p><p>　　對(duì)于可視化模型，主要包括數(shù)據(jù)對(duì)象和過(guò)程對(duì)象兩類，數(shù)據(jù)對(duì)象包括多邊形數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)點(diǎn)數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)點(diǎn)數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、數(shù)據(jù)對(duì)象繼承關(guān)系；而過(guò)程對(duì)象則包括數(shù)據(jù)源(Source)、映射（Mappers）、過(guò)濾器(Filter)、數(shù)據(jù)流水線（Data pipeline）等，其主要作用如表4.2所示。</p><p>　　

100、表4.2 可視化模型對(duì)象</p><p>　　4.1.4 ImageJ 3D Viewer</p><p>　　ImageJ由National Institute of Health開(kāi)發(fā)，是一款基于Java的開(kāi)源、多平臺(tái)圖像處理軟件，它能夠?qū)Σ煌粩?shù)的圖片進(jìn)行顯示、分析、處理、編輯、保存和打印，它可以支持JPEG, BMP, TIFF, PNG, GIF, DICOM, FITS等多種格式

101、圖片的處理，符合OCT圖像解調(diào)后二維圖像的重建要求。</p><p>　　ImageJ能夠在一個(gè)窗口里以多線程的方法堆疊多張圖像，對(duì)它們進(jìn)行并行處理。在內(nèi)存允許的情況下，ImageJ能打開(kāi)任意多的圖像進(jìn)行處理。ImageJ是一個(gè)開(kāi)放源碼的軟件，用戶可自定義插件和宏對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)。同時(shí)，ImageJ自帶編輯器界面，并且嵌入了Java的編譯器，可直接使用ImageJ進(jìn)行圖像的三維重建和處理。</p>&l

102、t;p>　　ImageJ 3D Viewer提供了基于Java的可對(duì)堆圖像進(jìn)行三維顯示和重建的插件，可對(duì)一系列的二維圖像進(jìn)行重建、渲染、三維立體顯示，封裝了面繪制、體繪制等多種三維重建的類和算法，在程序中對(duì)其進(jìn)行調(diào)用，可以獲得三維重建的結(jié)果圖像。</p><p>　　4.2 軟件系統(tǒng)構(gòu)成</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)所開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)可分為二部分，一為數(shù)據(jù)解調(diào)單元，數(shù)據(jù)解調(diào)單元又可分

103、為數(shù)據(jù)重排、傅里葉變換、LOG灰度級(jí)壓縮與圖像存儲(chǔ)單元；二為三維重建單元，分成兩種方法對(duì)其進(jìn)行重建，一為基于VTK的體繪制算法，調(diào)用VTK視覺(jué)化工具函式庫(kù)對(duì)二維解調(diào)結(jié)果進(jìn)行重建，二為基于Imagej 3D Viewer的三維重建方法，調(diào)用Java接口的3D Viewer插件對(duì)二維解調(diào)結(jié)果進(jìn)行重建，其構(gòu)成如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 OCT軟件系統(tǒng)</p><p>　　對(duì)于

104、數(shù)據(jù)重排，采用三次樣條插值方法進(jìn)行波長(zhǎng)域到波數(shù)域的變換，其中樣條插值方法包括自然插值、Akima插值、Bessel插值三種，其主要步驟如圖4.2所示,包括參數(shù)設(shè)置、任務(wù)建立、任務(wù)參數(shù)設(shè)置、構(gòu)造樣條插值以及最終的插值幾個(gè)部分。</p><p>　　圖4.2 數(shù)據(jù)重排過(guò)程</p><p>　　對(duì)于傅里葉變換，其Intel MKL主要程序步驟如下圖4.3所示，其主體包括構(gòu)造描述器、賦值、編輯描述

105、器、傅里葉變換、釋放內(nèi)存五個(gè)步驟：</p><p>　　圖4.3 傅里葉變換過(guò)程</p><p>　　對(duì)于軟件系統(tǒng)的解調(diào)部分，將數(shù)據(jù)重排、傅里葉變換以及LOG灰度級(jí)壓縮使用三個(gè)線程并行處理，從而將裸數(shù)據(jù)直接生成一系列的二維數(shù)組陣列以供后續(xù)的存儲(chǔ)、三維重建和顯示調(diào)用。</p><p>　　對(duì)于VTK三維重建體繪制過(guò)程，其主要程序步驟則如圖4.4所示:</p>

106、;<p>　　圖4.4 VTK三維重建體繪制過(guò)程</p><p>　　對(duì)于本成像系統(tǒng)軟件，其解調(diào)部分由C語(yǔ)言編寫(xiě)，且基于Intel MKL數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫(kù)，其余部分則基于MFC框架，由C++編譯成應(yīng)用程序，而將解調(diào)部分編譯成程序包以供MFC應(yīng)用程序調(diào)用，包括數(shù)據(jù)保存、基于VTK視覺(jué)化工具函式庫(kù)的三維重建、ImageJ 3D Viewer相關(guān)接口的調(diào)用等操作。</p><p>　

107、　圖4.5為本軟件MFC主界面，其中解調(diào)與保存位于主菜單欄“查看”的選項(xiàng)卡中，而基于VTK的三維重建與ImageJ 3D Viewer接口的調(diào)用則位于主菜單欄“三維重建”的選項(xiàng)卡中。圖4.5左下方的窗口演示了調(diào)用ImageJ 3D Viewer對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建的過(guò)程，而右下方的窗口則演示了基于VTK體繪制光線投射法進(jìn)行體繪制的過(guò)程。</p><p>　　圖4.5 MFC主界面&