CN102578993B - 一种内窥oct成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内窥OCT成像装置。该装置包括：扫频光源；光环形器，其a端口通过光纤与所述扫频光源连接；内窥探头，包括透镜、二维扫描微镜及探头玻璃窗，透镜汇聚的光经二维扫描微镜反射并通过探头玻璃窗照射至样品；所述透镜的入射面通过光纤与所述光环形器的b端口连接，透镜入射面与该光纤的连接端面和该光纤的垂直切面间呈8°倾角；差分探测器，其输入端通过光纤与所述光环形器的c端口连接；计算控制单元，其输入端与所述差分探测器的输出端连接。进一步地，所述二维扫描微镜为MEMS二维扫描微镜。本发明还公开了一种内窥OCT成像方法。相比现有技术，本发明结构简单，不需要光程差补偿***，也不需要进行光程匹配。

Description

一种内窥OCT成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及一种内窥OCT成像装置及成像方法，属于光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)技术领域。

背景技术

医学内窥镜是目前医学上常用的无创或微创医疗仪器，可以通过它直接观察人体内部器官的组织病变。传统的内窥镜只能观察内部器官表面，而超声技术的引入则使得内窥镜可以对器官断层的组织形态进行观察，但由于其分辨率较低，往往难以达到准确诊断所需的分辨率水平。

光学相干层析成像技术与内窥镜的结合，使得对内部器官断层进行高分辨率观察成为可能。临床实验表明OCT提供的高分辨率可用于多种疾病无创检测，如：眼科，皮肤科，口腔，呼吸科，消化内科等。还可结合多普勒技术测定血液流速等功能信息。在人体内器官早期癌症检测，及肿瘤切除上具有无可比拟的优势。

在现有内窥OCT***里，一般将内窥探头传光光纤置于干涉结构的样品臂上。由于体内器官的内腔结构很不规则，进入其内的光纤不可避免的发生弯曲和扭曲现象， 导致光纤传输光束偏振态的变化，并由此引起的色散影响，从而使成像质量下降。因此，必须在参考臂中对上述因素进行精确匹配，导致***的构成和调节变得异常复杂。且探头的每次更换，都必须进行大行程的光程匹配、色散补偿和偏振态调节等复杂操作。

为解决上述问题，一篇中国发明专利（申请号为200710070102.0，申请日为2007-07-20，授权日为2009-04-22）公开了一种“硬管式共路型内窥OCT并行成像方法及***”。该***将格林棒透镜的端面反射光作为参考光，和来自样品的信号光构成一个共路的传感干涉仪，参考光和信号光之间的光程差由另一共路干涉仪进行补偿。该发明由于采用了共路干涉结构，成像质量几乎不受环境（例如温度变化、振动器件色散等）影响；且无需对***进行复杂调节。

但上述“硬管式共路型内窥OCT并行成像方法及***”仍存在以下缺陷：

1、该方案中采用宽带光源，其相干长度只有几个微米，因此参考光和信号光之间的光程差需要由另一共路干涉仪进行补偿，提高了***的结构复杂度，增加了成本；且在操作时需要进行光程匹配。

2、该方案中，反射镜由步进电机驱动电控平移台带动反射镜轴向移动，实现扫描；结构复杂，难以实现微型化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的不足，提供一种内窥OCT成像装置及成像方法，该装置结构简单，不需要光程差补偿***，也不需要进行光程匹配。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题。

一种内窥OCT成像装置，包括：

扫频光源；

光环形器，其a端口通过光纤与所述扫频光源连接；

内窥探头，包括透镜、二维扫描微镜及探头玻璃窗，透镜汇聚的光经二维扫描微镜反射并通过探头玻璃窗照射至样品；所述透镜的入射面通过光纤与所述光环形器的b端口连接，透镜入射面与该光纤的连接端面和该光纤的垂直切面间呈8°倾角；

差分探测器，其输入端通过光纤与所述光环形器的c端口连接；

计算控制单元，其输入端与所述差分探测器的输出端连接。

    进一步地，本发明可利用探头玻璃窗上、下表面或透镜出射面的反射光作为参考光，只需要参考光与样品反射光的光程差小于光源的相干长度即可，亦即下述三种光程差之一小于所述扫频光源的相干长度：

光到达样品表面并经样品表面反射回探头玻璃窗上表面的光与探头玻璃窗上表面反射光的光程差；

光到达样品表面并经样品表面反射回探头玻璃窗下表面的光与探头玻璃窗下表面反射光的光程差；

光到达样品表面反射回透镜出射面的光与透镜出射面反射光的光程差。

更进一步地，所述二维扫描微镜为MEMS二维扫描微镜，包括微镜以及用于驱动所述微镜进行二维运动的MEMS驱动装置，MEMS驱动装置的控制端与所述计算控制单元的输出端连接。

一种内窥OCT成像方法，采用如上所述内窥OCT成像装置；具体包括以下步骤：

步骤1、扫频光源产生扫频入射光，依次经过光环形器和内窥探头投射在样品表面；

步骤2、样品表面反射的光与以下三种反射光之一产生干涉：

探头玻璃窗上表面的反射光；

探头玻璃窗下表面的反射光；

透镜出射面的反射光；

步骤3、差分探测器采集干涉信号，并输入计算控制单元；

步骤4、计算控制单元对采集到的干涉信号进行一维傅立叶逆变换，得到样品沿深度方向的图像；

步骤5、计算控制单元制MEMS二维扫描微镜进行二维扫描，并在每个扫描点重复步骤1-步骤4，得到样品表面各点沿深度方向的图像；

步骤6、根据样品表面各点沿深度方向的图像重建样品表面三维图像。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明不需要光程差补偿***，结构复杂度低；宽带光源相干长度只有几个微米，而本发明使用的扫频光源相干长度达到十几个毫米，只要两相干光束的光程差小于光源相干长度就能产生干涉现象，十几个毫米的光程长相比于几微米的光程差容易很多，所以不需要光程差补偿装置。

2、本发明采用MEMS微镜扫描结构，驱动装置微小，所需驱动电压小于5伏，具有结构微型化、使用安全的特点；探头直径可以小至两点几毫米，从而更易进入各种器官进行成像。

3、本发明的能量利用率高，仅使用了一个光环形器，其与MEMS微镜所消耗的能量微乎其微。

附图说明

图1为本发明内窥OCT成像装置的结构示意图；

图2为本发明内窥OCT成像装置的共光路相干原理示意图；

图3为本发明的内窥探头结构示意图；

图4为MEMS二维扫描微镜的扫描示意图；

图中各标号含义：1、扫频光源 ，2、环行器，3、传像光纤、4、格林透镜、5、MEMS

二维扫描微镜，6、样品，7、差分探测器，8、格林透镜出射端面，9、探头套管，

10、探头玻璃窗上下两表面。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是利用扫频光源极大的相干长度，对现有共路型内窥OCT***进行

改进，从而不需光程差补偿装置，简化***结构；并进一步采用MEMS二维扫描微镜实现探头的微小化。扫频光源是指输出波长随时间变化的光源，其相干长度达到十几毫米，扫频频率达到50KHz。本发明的内窥OCT成像装置，如图1所示，包括：扫频光源1、光环形器2、传像光纤3、差分探测器7、计算控制单元（图中未示出）及内窥探头；其中内窥探头如图所示，包括格林透镜4、MEMS二维扫描微镜5、探头套管9以及探头玻璃窗。扫频光源1通过光纤与光环形器2的a端口连接，光环形器2的b端口通过传像光纤3与格林透镜4连接。使用格林透镜4对传像光纤3输出光束会聚时，格林透镜入射端面反射光在探测器像面形成成像干扰信号，必须使其偏出像面，故需使格林透镜4的入射面与传像光纤3的连接端面和传像光纤3的垂直切面间呈8°倾角。

扫频光源1发出的光进入光环行器2的端口a，再由环行器2的端口b出射，通过传像光纤3，传输至格林透镜4的出射端面时，光束被分成后向反射光和透射光。透射光被格林透镜4聚焦后经MEMS二维扫描微镜5反射到样品6上。本具体实施方式中采用侧向式内窥探头，其结构如图3所示，即经MEMS二维扫描微镜5反射的光经过安装在探头套管9侧面的探头玻璃窗（图中10为探头玻璃窗的上、下表面）照射在样品6上。由样品6反射或后向散射的光，和探头玻璃窗口10的上、下表面反射的光，或被格林透镜4的出射端面8反射的光，形成干涉光沿原路返回到光环行器2后，再由端口c传输给差分探测器7。

本具体实施方式中，光环形器2与扫频光源1、差分探测器4、格林透镜4间的连接光纤均采用单模光纤。

本发明所采用的MEMS二维扫描微镜为现有技术，其为微机电***（Micro-electro-mechanical systems,简称MEMS)在光学领域的典型应用。MEMS微镜通常包括微镜以及用于驱动所述微镜进行二维运动的MEMS驱动装置，其原理是利用微机电***中的三种驱动方式：静电力、电磁力、电热，来驱动微镜运动。因此可分为静电式MEMS二维扫描微镜、电磁式MEMS二维扫描微镜以及电热式MEMS二维扫描微镜。本具体实施方式中采用电热式MEMS二维扫描微镜，其扫描原理如图4所示，MEMS微镜因为悬臂梁的通电加热产生形变而产生X、Y方向的角度偏转，实现X、Y方向的扫描。

本具体实施方式中，计算控制单元包括计算机以及分别与计算机连接的采集卡、MEMS驱动电路；采集卡与差分探测器的输出端连接，用以采集差分探测器探测到的干涉信号，并将干涉信号传输至计算机；MEMS驱动电路与MEMS二维扫描微镜的驱动装置连接，用以根据计算机的控制信号产生驱动电压，驱动微镜运动；计算机对接收到的干涉信号进行数据处理及显示，并输出MEMS驱动电路的控制信号。

本发明的相干原理如图2所示， 格林透镜4出射端面8的后向反射光作为参考光R，或者是探头玻璃窗上或下表面10的反射光作为参考光R，其光程为LR，格林透镜4出射端面8的透射光经MEMS反射至样品6上再反射回格林透镜4出射端面8或探头玻璃窗上、下表面10，作为样品反射光S，两者的光程差为ΔL=2（LR-LS），参考光R与样品反射光S形成干涉的条件是ΔL小于光源1的相干长度。

采用上述装置进行内窥OCT成像，按照以下步骤：

步骤1、扫频光源1产生扫频入射光，依次经过光环形器2和内窥探头投射在样品6表面；

步骤2、样品6表面反射的光与以下三种反射光之一产生干涉：

探头玻璃窗上表面的反射光；

探头玻璃窗下表面的反射光；

格林透镜4出射面的反射光；

如图2所示，三种干涉的光程差分别为：2（△L+L1）、2（L1-L2）、2（L1-L3）；

步骤3、差分探测器7采集干涉信号，即光强关于波数的信号分布，并将干涉信号输入计算控制单元；

步骤4、计算控制单元对采集到的干涉信号进行一维傅立叶逆变换，得到光强关于位置Z的信号分布，即得到样品6沿深度Z方向的图像；

步骤5、计算控制单元控制MEMS二维扫描微镜进行X、Y方向的二维扫描，并在每个扫描点重复步骤1—步骤4，得到样品6表面各点沿深度Z方向的图像；

步骤6、根据样品6表面各点沿深度Z方向的图像重建样品表面三维图像。

Claims (6)

1.一种内窥OCT成像装置，其特征在于，包括：

扫频光源；

光环形器，其a端口通过光纤与所述扫频光源连接；

内窥探头，包括透镜、二维扫描微镜及探头玻璃窗，透镜汇聚的光经二维扫描微镜反射并通过探头玻璃窗照射至样品；所述透镜的入射面通过光纤与所述光环形器的b端口连接，透镜入射面与该光纤的连接端面和该光纤的垂直切面间呈8°倾角；

差分探测器，其输入端通过光纤与所述光环形器的c端口连接；

计算控制单元，其输入端与所述差分探测器的输出端连接；

下述三种光程差之一小于所述扫频光源的相干长度：

光到达样品表面并经样品表面反射回探头玻璃窗上表面的光与探头玻璃窗上表面反射光的光程差；

光到达样品表面并经样品表面反射回探头玻璃窗下表面的光与探头玻璃窗下表面反射光的光程差；

光到达样品表面反射回透镜出射面的光与透镜出射面反射光的光程差。

2.如权利要求1所述内窥OCT成像装置，其特征在于，所述二维扫描微镜为MEMS二维扫描微镜，包括微镜以及用于驱动所述微镜进行二维运动的MEMS驱动装置，MEMS驱动装置的控制端与所述计算控制单元的输出端连接。

3.如权利要求2所述内窥OCT成像装置，其特征在于，所述MEMS二维扫描微镜为静电式MEMS二维扫描微镜、电磁式MEMS二维扫描微镜或电热式MEMS二维扫描微镜。

4.如权利要求1-3任一项所述内窥OCT成像装置，其特征在于，所述透镜为格林透镜。

5.如权利要求1-3任一项所述内窥OCT成像装置，其特征在于，所述光纤均为单模光纤。

6.一种内窥OCT成像方法，其特征在于，采用权利要求1所述内窥OCT成像装置；具体包括以下步骤：

步骤1、扫频光源产生扫频入射光，依次经过光环形器和内窥探头投射在样品表面；

步骤2、样品表面反射的光与以下三种反射光之一产生干涉：

探头玻璃窗上表面的反射光；

探头玻璃窗下表面的反射光；

透镜出射面的反射光；

步骤3、差分探测器采集干涉信号，并输入计算控制单元；

步骤4、计算控制单元对采集到的干涉信号进行一维傅立叶逆变换，得到样品沿深度方向的图像；

步骤5、计算控制单元制MEMS二维扫描微镜进行二维扫描，并在每个扫描点重复步骤1—步骤4，得到样品表面各点沿深度方向的图像；

步骤6、根据样品表面各点沿深度方向的图像重建样品表面三维图像。

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