CN106821323A - 像面形态可调的光学相干层析方法及*** - Google Patents

像面形态可调的光学相干层析方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种像面形态可调的光学相干层析方法及其***。***在样品臂采用衍射器件实现光谱译码，使光信号在垂轴方向的不同位置获得不同的译码波长；在参考臂采用色散控制器件对不同译码波长的参考光进行独立的色散控制，实现光学相干层析像面形态的调节。本发明提供的技术方案克服了现有光学层析成像技术存在的像面形态单一和三维视场形态受限的缺陷，能在光学相干层析中实现像面形态的设定与视场调适，硬件开销低，不增加成像***在生物组织中内窥部分的尺寸和体积，特别适用于精细腔道内部和侧旁生物样品断层信息的采集要求；同时，还兼备色散精确匹配的能力，有利于保证光学相干层析的纵向分辨率。

Description

像面形态可调的光学相干层析方法及***
技术领域
本发明涉及一种光学相干层析方法及其成像***，特别涉及一种基于光谱译码及色散控制技术，实现像面形态可调的光学相干层析方法及其***。
背景技术
时域光学相干层析（optical coherence tomography,OCT）技术是一种基于光的低相干特性对生物组织的内部微观结构进行高分辨率断层成像的技术。时域光学相干层析采用迈克尔逊干涉原理完成相干选通，基于低相干干涉原理获得深度方向的层析能力，通过扫描重构生物组织或材料内部结构的二维或三维图像，获得样品内部的形态特征和功能特性。经过数十年的发展，光学相干层析的分辨率和轴向扫描速率等关键指标不断提升，这提高了其在生物医学成像、工业生产、珠宝鉴定等领域的应用能力。
光学相干层析成像技术基于光学干涉的基本原理，在成像***中构筑样品臂和参考臂，利用样品的后向散射光与参考光发生弱相干以获得样品的轴向信息，获得的像面是样品臂与参考臂构筑的等光程差面。在现有技术中，垂轴方向不同空间位置处的干涉光信号的中心波长是一致的（参见文献：F. I. Feldchtein, G. V. Gelikonov, V. M.Gelikonov, R. V. Kuranov, A. M. Sergeev. Endoscopic applications of opticalcoherence tomography. OPTICS EXPRESS, 3(6), 257-270，1998），利用干涉原理构筑的像面为与深度方向垂直的平面，如附图1所示，它是现有光学相干层析技术中平面形态的像面示意图。光学相干层析的所有横断像面只能是与光轴垂直的平面，这使其三位视场范围局限为形态规则的立方体。现有光学相干层析方法在横断像面和三维视场两方面的上述局限，给生物医学成像应用带来诸多不便。例如，许多待检部位位于人体腔道周围浅表，传统的光学相干层析内窥成像***进入腔道后，成像深度方向与腔道方向一致，垂直于深度方向的三维视场难以覆盖腔道周围的待检区域，为此改变探头的位置及方向又易给脆弱的器官和腔道带来损伤。又如，人体的解剖学结构复杂，器官构型一般需由曲率方程描述，单一平面形态的横断像面难以与生物样品表面和浅表纹理相切合，不利于人体的结构和功能信息的采集及提取。综上，光学层析成像像面形态的调节技术是光学层析成像技术自身发展及应用提升的迫切需求。
发明内容
本发明针对现有光学层析成像技术存在的像面形态单一和三维视场形态受限的缺陷，提供一种像面形态可调的光学相干层析方法及***。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是提供一种像面形态可调的光学相干层析方法，包括如下步骤：
1、将相干光源发出的光信号经耦合器分路后，分别作用于样品臂和参考臂，为样品臂提供照明，在参考臂构建参考光信号；
2、在样品臂，将样品放置于物镜的物方焦平面上，由样品发出的光信号经物镜准直后平行出射至衍射器件，进行光谱译码；得到的光谱译码信号由聚焦镜头聚焦至相位调制器上，经相位调制后输出至耦合器；
3、在参考臂，参考光信号经快速扫描延迟线实现相延迟与群延迟的分离，再经聚焦镜头聚焦至色散控制器件；依据像面形态的种类和参数，采用色散控制器件对分离的相、群延迟信号及各阶色散进行色散控制；再经相位控制器件的相位调制，与样品臂的信号达成相位匹配后输出至耦合器；
4、耦合器对来自样品臂和参考臂的光信号进行干涉处理，将得到的干涉信号输入光谱探测器，经处理，得到各个像面的层析图像。
所述像面形态的种类包括抛物面、球面或椭球面。
实现本发明目的的技术方案还涉及提供一种像面形态可调的光学相干层析***，包括相干光源、耦合器、样品臂、参考臂、光谱探测器，相干光源发射的光信号经耦合器处理后，向样品臂提供照明光，在参考臂构建参考光信号；所述的样品臂包括：物镜、衍射器件、聚焦镜头、相位调制器；样品置于物镜的物方焦平面处，由样品发出的光信号经物镜准直后得到的平行光束出射至衍射器件进行光谱译码；经光谱译码后的光信号由样品臂中所述的聚焦镜头聚焦至样品臂的相位调制器，调制处理后的信号输入至耦合器；所述的参考臂包括：快速扫描延迟线、聚焦镜头、相位调制器和色散控制器件；所述的快速扫描延迟线对参考光信号实施相延迟与群延迟的分离，分离后的光信号由参考臂中所述的聚焦镜头聚焦于参考臂的相位调制器进行相位调制，再经色散控制器对参考光信号实施色散调制后输入至耦合器；耦合器再对来自样品臂和参考臂的光信号进行干涉处理，将得到的干涉信号输入至光谱探测器。
本发明提供的像面形态可调的光学相干层析***中，所述的衍射器件为反射式的衍射光栅；所述的光谱探测器为采用光栅或棱镜进行分光的色散型光谱仪。
本发明技术方案的一个关键技术是：依据衍射场理论，在样品臂采用衍射器件实现光谱译码，使光信号在垂轴方向的不同位置获得不同的译码波长；本发明技术方案的另一个关键技术是在参考臂采用色散控制器件对不同译码波长的参考光进行独立的色散控制，其原理是：在光学相干层析成像中采用光谱译码后，以角频率译码的像点的纵向深度可以被表征为以中央角频率为中心的泰勒级数，即由式（1）所示：
（1）
式（1）中，右侧展开式中的第二项中的一阶微分形式为横断像面相对参考像面的斜率，第二项中的二阶微分形式为横断像面相对参考像面的二阶抛物斜率（更高阶项未予标出）。采用光谱译码后，样品一维空间方向光谱调制信息的角频率值是不同的，这为各个角频率处各阶微分项的调控提供了条件，而对其微分项的调控即为对光谱译码一维空间方向特定坐标位置对应横断像面的形态调控。
另一方面，任意像点对应的样品臂和参考臂的光谱相位差可以被表征为如式（2）所示的泰勒级数：
（2）
考虑到任何像点的纵向深度与光谱相位差具有如式（3）所示的关系：
（3）
将(1)、(2)两式分别代入(3)式可得(4)式。(4)式左侧的三项分别对应群延迟、群速色散和三阶色散，依据(4)式两侧各项的物理含义和对应关系可知，横断像面的形态参数可由光学相干层析成像***群延迟和各阶色散的控制得以调控。
（4）
由于上述技术方案的采用，本发明在光学相干层析中引入光谱译码机制后，样品一维空间方向的各个位置获得各自不同的译码波长（频率），在此基础上，在光谱维各个波长区间内的色散控制与横断像面的形态调控形成了对应关系。在参考臂采用快速扫描延迟线使相延迟与群延迟分离，这为群延迟色散和各阶色散的独立控制提供了可能。在低阶色散控制的基础上，基于快速扫描延迟线和色散控制器件的联合调节，进一步的控制***高阶色散，可以实现横断像面高阶形态参数的调控。
与现有技术相比，本发明提供的光学相干层析方法，综合采用光谱译码与色散控制手段，实现光学相干层析像面形态的调节；它能在光学相干层析中实现像面形态的设定与视场调适，硬件开销低，不增加成像***在生物组织中内窥部分的尺寸和体积，特别适用于精细腔道内部和侧旁生物样品断层信息的采集要求；同时，还兼备色散精确匹配的能力，有利于保证光学相干层析的纵向分辨率；因此，具有如下优点及广阔的应用前景：
1、通过对像面形态的调控，可实现球面、二次曲面等横断像面的调控，上述调控能使影像切合体内管束和纤维的走势，更有针对性的获得高覆盖度影像，对人体血管、神经、腺管等微细器官组织的微损成像起到促进作用。
2、通过像面形态的调控，能在不改变成像***探头位置的条件下，实现光学相干层析成像视场的调节及拓展。人体耳道、鼻道等狭窄的腔道难以为内窥装置所进入、迂回和调适，上述视场拓展性的调节功能能有效解决听小骨、鼻窦等的耳鼻腔道周边器官的层析成像问题。
3、基于像面形态调控的技术，能简化内窥成像扫描机制，减少扫描时间，缓解病人不适感，这一优点使其特别适用于肠、胃等消化器官的无损光学造影，视场调节的功能可减免内窥探头的移动和调节，缓解影像获取过程中病人的不适感，对消化***病变、癌症等常见病的病理研究和诊断具有推动作用。
4、本发明提供的光学相干层析***能在人体体表对皮肤进行非接触式的层析成像，横断像面曲率的调节能使其贴合皮肤纹理，获得更佳的结构和功能信息，这能为皮肤病、烧伤病等病例的定位、定量、定性分析提供了更为有效依据。
5、除应用于医学成像外，本发明技术方案还特别适用于对细窄管道进行安检及珍贵珠宝的检测等领域。
附图说明
图1是现有光学相干层析技术中平面形态的像面示意图；
图2是本发明实施例提供的一种像面形态可调的光学相干层析***的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的***在参考臂对光信号进行光谱编码的原理和结果示意图；
图4是利用本发明实施例提供的方法和***得到二次抛物面形态的像面示意图；
图中：1、样品 ；2、物镜 ；3、衍射器件； 4、样品臂的聚焦镜头； 5、样品臂的相位调制器；6、耦合器； 7、快速扫描延迟线； 8、参考臂的聚焦镜头； 9、色散控制器件； 10、参考臂的相位调制器； 11、光谱仪 ；12、相干光源 ；13、样品臂 ；14、参考臂。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步描述。
实施例1
本实施例提供一种像面形态可调的光学相干层析方法及***。
参见附图2，它是本实施例提供的一种像面形态可调的光学相干层析***的结构示意图；***主要包括：耦合器6，光谱仪11，相干光源12，样品臂13和参考臂14。相干光源12发出的光信号输入耦合器6后，一部分进入样品臂13实施相干照明，另一部分进入样品臂14构建参考光信号。
在样品臂13，样品1被置于物镜2物方焦平面位置，由样品1发出的光信号经物镜2准直后，平行入射至衍射器件3（本实施例选用反射式的衍射光栅），实现光谱译码。经光谱译码后的光信号，经样品臂的聚焦镜头4输入至位于聚焦镜头物方焦点处的相位调制器5中完成相位调制，再被输入耦合器6。
在参考臂14,平行入射的参考光信号经快速扫描延迟线7实现相延迟与群延迟的分离，分离后的相延迟、群延迟光信号平行出射至参考臂的聚焦镜头8，再输入至位于聚焦镜头物方焦点处的色散控制器件9，基于像面形态的种类和参数，实现群延迟及各阶色散的控制；经色散控制的光信号再经相位调制器10完成与样品臂光信号相匹配的相位调制，最后被输入耦合器6。来自样品臂和参考臂的光信号在耦合器6中发生干涉，干涉信号由光谱仪11采集，经光学相干层析数据常用的数据处理方法处理，可得到各个横断像面的图像数据，进而完成光学相干层析三维成像数据的重建。
参见附图3，它是本实施例中在***样品臂对光信号进行光谱编码的原理与结果示意图。样品1位于物镜2的物方焦平面处，由样品1发出的光信号经物镜准直后入射至衍射器件3，在衍射器件3的作用下完成色散并出射至聚焦镜头4，最后被聚焦镜头4会聚于聚焦镜头4的像方焦平面（图中虚线所示）。本实施例中，光谱译码过程使不同位置的参考光信号被赋予不同的译码波长，为不同波长处独立的色散控制提供了可能，也为横断像面形态参数的设定创造了条件。
采用本实施例提供的光学相干层析***进行成像，其方法包括如下步骤：
1、将相干光源发出的光信号经耦合器分路后，分别作用于样品臂和参考臂，为样品臂提供照明，在参考臂构建参考光信号；
2、在样品臂，将样品放置于物镜的物方焦平面上，由样品发出的光信号经物镜准直后平行出射至衍射器件，进行光谱译码；得到的光谱译码信号由聚焦镜头聚焦至相位调制器上，经相位调制后输出至耦合器；
3、在参考臂，参考光信号经快速扫描延迟线实现相延迟与群延迟的分离，再经聚焦镜头聚焦至色散控制器件，采用色散控制器件对分离的相、群延迟信号及各阶色散进行色散控制，本实施例中，将像面形态设置为二次抛物面，具体的色散控制措施为:用群延迟控制横断像面深度值，用与群延迟成正比的群延迟色散控制抛物面的一阶斜率，将三阶色散设置成由像面形态参数确定的常数，匹配抛物面的二阶斜率，最后将三阶以上的高阶色散设置成零；之后再经相位控制器件的相位调制，使其与样品臂信号达成相位匹配，最后被输出至耦合器；
4、对自样品臂和参考臂的光信号进行干涉处理，将得到的干涉信号输入光谱探测器，经处理，得到各个像面的层析图像。
参见附图4，它是利用本实施例提供的方法和***得到二次抛物面形态的像面示意图。

Claims (5)

1.一种像面形态可调的光学相干层析方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将相干光源发出的光信号经耦合器分路后，分别作用于样品臂和参考臂，为样品臂提供照明，在参考臂构建参考光信号；
（2）在样品臂，将样品放置于物镜的物方焦平面上，由样品发出的光信号经物镜准直后平行出射至衍射器件，进行光谱译码；得到的光谱译码信号由聚焦镜头聚焦至相位调制器上，经相位调制后输出至耦合器；
（3）在参考臂，参考光信号经快速扫描延迟线实现相延迟与群延迟的分离，再经聚焦镜头聚焦至色散控制器件；依据像面形态的种类和参数，采用色散控制器件对分离的相、群延迟信号及各阶色散进行色散控制；再经相位控制器件的相位调制，与样品臂的信号达成相位匹配后输出至耦合器；
（4）耦合器对来自样品臂和参考臂的光信号进行干涉处理，将得到的干涉信号输入光谱探测器，经处理，得到各个像面的层析图像。
2.根据权利要求1所述的一种像面形态可调的光学相干层析方法，其特征在于：所述像面形态的种类包括抛物面、球面或椭球面。
3.一种像面形态可调的光学相干层析***，包括相干光源、耦合器、样品臂、参考臂、光谱探测器，相干光源发射的光信号经耦合器处理后，向样品臂提供照明光，在参考臂构建参考光信号；其特征在于：所述的样品臂包括：物镜、衍射器件、聚焦镜头、相位调制器；样品置于物镜的物方焦平面处，由样品发出的光信号经物镜准直后得到的平行光束出射至衍射器件进行光谱译码；经光谱译码后的光信号由样品臂中所述的聚焦镜头聚焦至样品臂的相位调制器，调制处理后的信号输入至耦合器；所述的参考臂包括：快速扫描延迟线、聚焦镜头、相位调制器和色散控制器件；所述的快速扫描延迟线对参考光信号实施相延迟与群延迟的分离，分离后的光信号由参考臂中所述的聚焦镜头聚焦于参考臂的相位调制器进行相位调制，再经色散控制器对参考光信号实施色散调制后输入至耦合器；耦合器再对来自样品臂和参考臂的光信号进行干涉处理，将得到的干涉信号输入至光谱探测器。
4.根据权利要求3所述的一种像面形态可调的光学相干层析***，其特征在于：所述的衍射器件为反射式的衍射光栅。
5.根据权利要求3所述的一种像面形态可调的光学相干层析***，其特征在于：所述的光谱探测器为采用光栅或棱镜进行分光的色散型光谱仪。
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