CN111436910B - 一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置及方法，在获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的第一复数信号序列组和作用后的第二复数信号序列组后；根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。可见本发明提供的光学相干层析多模态成像方法能够构建活体组织的结构图像、弹性图像和血流图像中多种图像组合，进而能够同时测量活体组织的结构、弹性分布和血流分布相应信息，提高对活体组织的疾病诊断的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，更为具体地说，涉及一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置及方法。
背景技术
生物组织的弹性力学特性差异来源于生物分子、细胞和组织水平的成分、结构与相互作用的不同，生物组织的弹性测量对于评估组织的生理功能具有重要意义，可以用于眼球、心血管、乳腺、肝脏等部位疾病的诊断。血流对维持机体正常生理功能具有重要意义，血流分布可以提示生物组织的状态，血流造影可以用于肿瘤、血管异常疾病的诊断、脑功能的研究。而生物组织的结构能够直观体现生物结构异常与否。现在急需一种同时获取生物组织的结构图像、弹性图像和血流图像的多模态成像技术，便于对生物组织疾病的精确诊断。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种活体组织的光学相干层析(Optical coherencetomography，OCT)多模态成像装置及方法，有效解决了现有技术存在的技术问题，提高了对活体组织的疾病诊断的精确性。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种活体组织的光学相干层析多模态成像方法，包括步骤：
S1、将预定波段内不同波长的弱相干光束分成参考光束和探测光束，控制所述探测光束照射至所述活体组织表面的探测位置生成反馈光束，控制所述参考光束照射至反射镜生成反射光束，且控制所述反馈光束和所述反射光束干涉生成干涉光束，提取所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组；
S2、产生声辐射力作用至所述活体组织的固定接收位置，且按照步骤S1方式获得所述探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组；
S3、重复所述步骤S1和S2直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组；
S4、根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。
相应的，本发明还提供了一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置，包括：光学相干层析成像单元和声辐射力激发单元；
所述声辐射力激发单元用于生成声辐射力作用至所述活体组织的固定接收位置；
所述光学相干层析成像单元用于在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置前，将预定波段内不同波长的弱相干光束分成参考光束和探测光束，控制所述探测光束照射至所述活体组织表面的探测位置生成反馈光束，控制所述参考光束照射至反射镜生成反射光束，且控制所述反馈光束和所述反射光束干涉生成干涉光束，提取所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组；及在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置后，按照上述方式获得一组探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组；重复上述过程直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组；根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或和第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种活体组织的光学相干层析多模态成像方法，包括步骤：S1、将预定波段内不同波长的弱相干光束分成参考光束和探测光束，控制所述探测光束照射至所述活体组织表面的探测位置生成反馈光束，控制所述参考光束照射至反射镜生成反射光束，且控制所述反馈光束和所述反射光束干涉生成干涉光束，提取所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组；S2、产生声辐射力作用至所述活体组织的固定接收位置，且按照步骤S1方式获得所述探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组；S3、重复所述步骤S1和S2直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组；S4、根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。可见本发明提供的光学相干层析多模态成像方法能够构建活体组织的结构图像、弹性图像和血流图像中多种图像组合，进而能够同时测量活体组织的结构、弹性和血流分布相应信息，提高对活体组织的疾病诊断的精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种活体组织的光学相干层析多模态成像方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种探测光束和活体组织的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的干涉信号序列和复数信号序列的变换示意图；
图7为本发明实施例提供的一种结构成像的不同扫描方式的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种声辐射力作用前血流图像及其投影图；
图9为本发明实施例提供的一种声辐射力作用后四维(x,y,z,t)信号获取及振动图像构建示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，生物组织的弹性力学特性差异来源于生物分子、细胞和组织水平的成分、结构与相互作用的不同，生物组织的弹性测量对于评估组织的生理功能具有重要意义，可以用于眼球、心血管、乳腺、肝脏等部位疾病的诊断。血流对维持机体正常生理功能具有重要意义，血流分布可以提示生物组织的状态，血流造影可以用于肿瘤、血管异常疾病的诊断、脑功能的研究。而生物组织的结构能够直观体现生物结构异常与否。现在急需一种同时获取生物组织的结构图像、弹性图像和血流图像的多模态成像技术，便于对生物组织疾病的精确诊断。
举例说明，目前眼底疾病的诊断主要依赖于眼底结构和血管的成像，针对老年性黄斑变性(Age-related macular degeneration，AMD)疾病来说，临床上年龄相关性黄斑变性的诊断方法主要基于眼底血管造影成像，包括荧光素眼底血管造影(Fundusfluorescein angiography，FFA)，脉络膜吲哚青绿造影(Indocyanine greenangiography，ICGA)和光学相干层析成像(Optical coherence tomography，OCT)。FFA造影时，通过静脉注射荧光素钠溶液，然后利用眼底相机拍摄眼底血管图像，观察眼底血管结构的异常。但是，由于脉络膜血管被视网膜色素上皮层阻挡，FFA很难对脉络膜血管进行清晰成像。为了实现更清晰的脉络膜血管造影，ICGA技术逐渐发展起来。ICGA利用吲哚青绿(Indocyanine green，ICG)为染料，使用近红外光作为激发光源，通过近红外眼底相机或激光扫描眼底镜，记录脉络膜血管中血流动态图像。FFA和ICGA均为有创操作，存在着一定感染和过敏的风险，而且造影剂过敏及肾功能不全是FFA和ICGA的禁忌症。故而，目前急需一种非侵入、无标记的高分辨三维医学成像技术，同时获取活体组织的结构图像、弹性图像和血流图像的多模态成像技术，便于对生物组织疾病的精确诊断。
基于此，本发明提供了一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置及方法，有效解决了现有技术存在的技术问题，提高了对活体组织的疾病诊断的精确性。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下，具体结合图1至图9对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，为本发明实施例提供的一种活体组织的光学相干层析多模态成像方法的流程图，包括步骤：
S1、将预定波段内不同波长的弱相干光束分成参考光束和探测光束，控制所述探测光束照射至所述活体组织表面的探测位置生成反馈光束，控制所述参考光束照射至反射镜生成反射光束，且控制所述反馈光束和所述反射光束干涉生成干涉光束，提取所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组。
S2、产生声辐射力作用至所述活体组织的固定接收位置，且按照步骤S1方式获得所述探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组。S3、重复所述步骤S1和S2直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组。其中，一探测位置相应一第一复数信号序列组，且一探测位置相应一第二复数信号序列组。以及，在一第一复数信号序列组中，时间点与第一复数信号序列一一对应；及，在一第二复数信号序列组中，时间点与第二复数信号序列一一对应。可以理解的，一复数信号序列中的每个数值表示某一深度的复数信号，一复数信号序列可以认定为同一时间点获取的；而一复数信号序列组中的多个复数信号序列为多个时间点中各自相应时间点获取的。
S4、根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。
在本发明一实施例中，本发明根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合，包括：
根据所有探测位置在所述辐射力作用前第一预定时段相应的第一复数信号序列组，和/或在所述辐射力作用后第二预定时段相应的第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。
可以理解的，本发明提供的技术方案可以截取声辐射力作用前的一时段的复数信号序列和声辐射力作用后一时段的复数信号序列进行分析，以达到构建活体组织相应图像的目的。亦即，本发明对所有探测位置进行数据采集的多个时间点为固定时间点。其中，第一复数信号序列组相应的多个时间点均处于第一预定时段，而第二复数信号序列组相应的多个时间点均处于第二预定时段。具体的，在同一探测位置处，可以获取声辐射力作用前至少2个时间点的随深度改变的第一复数信号序列，以及获取声辐射力作用后至少2个时间点的随深度改变的第二复数信号序列，进而能够根据获得的多组不同时间点的复数信号序列，通过分析不同时间点的复数信号序列的变化，分析活体组织的血流和/或振动情况。
在本发明一实施例中，本发明可以构建活体组织在任意一时间点的结构图像，还可以构建活体组织在不同时间点的结构图像。其中，本发明具体构建活体组织的结构图像方式包括：根据所有探测位置在相同时间点相应的第一复数信号序列，或根据所有探测位置在相同时间点相应的第二复数信号序列，构建所述活体组织在相同时间点的结构图像。
和/或，根据所有探测位置在不同时间点相应的第一复数信号序列，或根据所有探测位置在不同时间点相应的第二复数信号序列，构建所述活体组织在不同时间点的结构图像。
可以理解的，本发明实施例能够根据探测位置在任意一时间点的随深度改变的复数信号序列(第一复数信号序列或第二复数信号序列)，确定该探测位置在任意一时间点的随深度改变的结构数据。进而，能够根据所有探测位置在相同时间点相应的随深度改变的结构数据，来构建活体组织在相同时间点的结构图像。或者，能够根据所有探测位置在不同时间点相应的随深度改变的结构数据，来构建活体组织在不同时间点的结构图像。
本发明实施例具体提供了探测位置相应结构数据的确定方法，即根据探测位置相应的第一复数信号序列和第二复数信号序列中任意一复数信号序列，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的结构数据包括：
根据探测位置在任意一时间点随深度改变复数信号序列中复数信号的幅度，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的结构数据，其中，根据所有探测位置相应的结构数据构建所述活体组织的结构图像。
在本发明一实施例中，本发明提供了一种构建血流图像的方法，即根据同一探测位置在不同时间点相应的第一复数信号序列，确定所述探测位置在不同时间点随深度改变的血流数据；及根据所有探测位置在不同时间点随深度改变的血流数据，构建所述活体组织在不同时间点的血流图像。
可以理解的，本发明实施例能够根据探测位置任意一时间点的随深度位置改变的第一复数信号序列，确定该探测位置在任意一时间点的随深度改变的血流数据。进而，根据所有探测位置在不同时间点相应的随深度改变的血流数据，构建活体组织在不同时间点的血流图像。
本发明实施例具体提供了探测位置相应血流数据的确定方法，即根据探测位置相应的第一复数信号序列，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的血流数据，包括：
根据探测位置在任意一时间点的第一复数信号序列中复数信号的幅度和/或相位，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的血流数据。
在本发明一实施例中，本发明提供了一种构建弹性图像的方法，即根据同一探测位置在不同时间点相应的第二复数信号序列，确定所述探测位置在不同时间点随深度改变的振动数据；及根据所有探测位置在不同时间点随深度改变的振动数据，确定所述活体组织在不同时间点的振动分布图像；并根据所述活体组织在不同时间点的振动分布图像，构建所述活体组织的弹性图像。
可以理解的，本发明实施例能够根据探测位置任意一时间点的随深度位置改变的第二复数信号序列，确定该探测位置在任意一时间点的随深度改变的振动数据。进而，根据所有探测位置在不同时间点相应的随深度改变的振动数据，确定活体组织在不同时间点的振动分布图像，最后根据该振动分布图像构建活体组织的弹性图像。
本发明实施例具体提供了探测位置相应振动数据的确定方法，即根据探测位置相应的第二复数信号序列，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的振动数据，包括：
根据探测位置在任意一时间点的第二复数信号序列中复数信号的幅度和/或相位，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的振动数据。
及本发明实施例具体提供了根据振动分布图像构建弹性图像的方法，即根据所述活体组织在不同时间点的振动分布图像，构建所述活体组织的弹性图像，包括：
根据所述活体组织在不同时间点的振动分布图像，计算所述活体组织的弹性数据，所述弹性数据包括所述活体组织在不同空间位置的最大振幅、共振频率、弹性波速度中至少一种；
根据所述弹性数据构建所述活体组织的弹性图像。
在本发明上述任意一实施例中，本发明提供的所述活体组织为眼底组织(眼底组织包括视网膜、脉络膜、巩膜等)、脑皮层组织和皮肤组织，对此本发明不做具体限制。
参考图2所示，为本发明实施例提供的一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置的结构示意图，其中，光学相干层析多模态成像装置包括：光学相干层析成像单元100和声辐射力激发单元200。
所述声辐射力激发单元100用于生成声辐射力作用至所述活体组织300的固定接收位置。
所述光学相干层析成像单元200用于在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置前，将预定波段内不同波长的弱相干光束分成参考光束和探测光束，控制所述探测光束照射至所述活体组织表面的探测位置生成反馈光束，控制所述参考光束照射至反射镜生成反射光束，且控制所述反馈光束和所述反射光束干涉生成干涉光束，提取所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组；及在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置后，按照上述方式获得一组探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组；重复上述过程直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组；根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或和第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。
具体如本发明实施例提供的装置及方法实现血流图像和弹性图像的双模态成像，或结构图像、弹性图像和血流图像的三模态成像等多模态成像，提供更多的组织结构和功能信息，而更利于疾病的诊断。
在本发明一实施例中，本发明实施例提供的光学相干层析多模态成像装置可以为扫频OCT成像结构。参考图3所示，为本发明实施例提供的另一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置的结构示意图，其中，本发明实施例提供的所述光学相干层析成像单元100包括：扫频光源101、第一光纤耦合器102、第一光纤环形器103、第二光纤环形器113，第二光纤耦合器104、第一反射镜105、光电探测器106和上位机107。其中，本发明实施例提供的第一光纤耦合器102可以为99/1、90/10或80/20分光比的光纤耦合器，第二光纤耦合器可以为50/50分光比的光纤耦合器。
所述扫频光源101用于输出扫频弱相干激光为预定波段内不同波长的弱相干光束。
所述第一光纤耦合器102用于将所述扫频弱相干激光分光为所述参考光束和所述探测光束。
所述第一光纤环形器103用于将所述参考光束传输至所述第一反射镜105，且将所述第一反射镜105反射的反射光束传输至所述第二光纤耦合器104；以及所述第二光纤环形器113用于将所述探测光束传输至所述活体组织300表面的探测位置生成反馈光束，且将所述反馈光束传输至所述第二光纤耦合器104。
所述第二光纤耦合器104用于将所述反射光束和所述反馈光束干涉生成干涉光束。
以及，所述光电探测器106用于探测所述干涉光束并转换为电信号后传输至所述上位机107，所述上位机107用于提取在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置前的所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组；及在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置后，按照上述方式获得探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组。重复上述过程直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组。最后，根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。
进一步的，为了提高光学相干层析多模态成像装置的性能，如图3所示，本发明实施例提供的所述光学相干层析成像单元100还包括：第一准直镜108、第一聚焦透镜109、第二准直镜110、第一扫描振镜111和扫描透镜112。
所述第一准直镜108和所述第一聚焦透镜109设置于所述第一光纤环形器103至所述第一反射镜105之间的光路，且所述第一聚焦透镜109设置于所述第一准直镜108至所述第一反射镜105之间的光路。
以及，所述第二准直镜110、所述第一扫描振镜111和所述扫描透镜112设置于所述第二光纤环形器113至所述活体组织300之间的光路，且所述第一扫描振镜111设置于所述第二准直镜110至所述扫描透镜112之间的光路，所述扫描透镜112设置于所述第一扫描振镜111至所述活体组织300之间的光路。
可以理解的，本发明实施例提供的扫频OCT成像结构，扫频光源输出的扫频弱相干激光通过第一光纤耦合器分光后为参考光束和探测光束后，参考光束进入参考支路，而探测光束进入组织支路。其中，参考光束经过第一光纤环形器、第一准直镜和第一聚焦透镜后进入第一反射镜反射，反射的反射光束按原光路逆向传输至第一光纤环形器，由第一光纤环形器传输至第二光纤耦合器。探测光束经过第二光纤环形器、第二准直镜、第一扫描振镜和扫描透镜后进入活体组织表面的探测位置而生成反馈光束，反馈光束按照探测光束的进入光路逆向传输至第二光纤环形器，由光纤环形器传输至第二光纤耦合器。第二光纤耦合器将参考光束和反馈光束干涉生成干涉光束，且双平衡放大的光电探测器探测转换为电信号后传输至上位机。上位机根据对电信号进行处理而获取的声辐射力作用前的第一复数信号序列组和/或声辐射力作用后的第二复数信号序列组进行处理构建结构图像、弹性图像和血流图像中多种图像组合。
在本发明一实施例中，本发明实施例提供的光学相干层析多模态成像装置可以为光谱域OCT成像结构。参考图4所示，为本发明实施例提供的又一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置的结构示意图，其中，本发明实施例提供的所述光学相干层析成像单元100包括：连续光谱光源121、第三光纤耦合器122、第二反射镜123、光栅124、相机125和上位机126。其中，本发明实施例提供的第三光纤耦合器可以为90/10，80/20分光比的光纤耦合器。
所述连续光谱光源121用于输出连续光谱弱相干光为预定波段内不同波长的弱相干光束。
所述第三光纤耦合器122用于将所述连续光谱弱相干光束分光为所述参考光束和所述探测光束；所述第二反射镜123用于接收所述参考光束后反射为反射光束，且所述活体组织的探测位置接收所述探测光束后生成反馈光束；以及，所述第三光纤耦合器122用于将所述第二反射镜123反射的所述反射光束和所述反馈光束干涉生成干涉光束。
以及，所述光栅124用于对所述干涉光束进行分光后传输至所述相机125，所述相机125用于进行光电转换后传输至所述上位机126，所述上位机126用于提取在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置前的所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组；及在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置后，按照上述方式获得探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组。重复上述过程直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组。最后，根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。
进一步的，为了提高光学相干层析多模态成像装置的性能，如图4所示，本发明实施例提供的所述光学相干层析成像单元100还包括：单向光传输的隔离器127、第三准直镜128、衰减器129、第一透镜130、第四准直镜131、第二扫描振镜132、第二透镜133、第五准直镜134、第三透镜135和第四透镜136。
所述隔离器127设置于所述连续光谱光源121至所述第三光纤耦合器122之间的光路。
所述第三准直镜128、所述衰减器129和所述第一透镜130设置于所述第三光纤耦合器122至所述第二反射镜123之间的光路，且所述衰减器129设置于所述第三准直镜128至所述第一透镜130之间的光路，所述第一透镜130设置于所述述衰减器129至所述第二反射镜123之间的光路。
所述第四准直镜131、所述第二扫描振镜132和所述第二透镜133设置于所述第三光纤耦合器122至所述活体组织300之间的光路，且所述第二扫描振镜132设置于所述第四准直镜131至所述第二透镜133之间的光路，所述第二透镜133设置于所述第二扫描振镜132至所述活体组织300之间的光路。
所述第五准直镜134和所述第三透镜135设置于所述第三光纤耦合器122至所述光栅124之间的光路，且所述第三透镜135设置于所述第五准直镜134至所述光栅124之间的光路。
以及，所述第四透镜136设置于所述光栅124至所述相机125之间的光路。
可以理解的，本发明实施例提供的光谱域OCT成像结构，连续光谱光源输出的连续光谱弱相干光经过隔离器后，通过第三光纤耦合器分束为参考光束和探测光束，其中，参考光束进入参考支路，而探测光束进入组织支路。参考光束经过第三准直镜、衰减器和第一透镜后进入第二反射镜，反射的反射光束按原光路逆向传输至第三光纤耦合器。探测光束经过第四准直镜、第二扫描振镜和第二透镜后进入活体组织生成反馈光束，反馈光束按照探测光束的进入光路逆向传输至第三光纤耦合器。第三光纤耦合器将反射光束和反馈光束干涉生成干涉光束，干涉光束通过第五准直镜和第三透镜后进入光栅进行分光，将不同波长的干涉光在空间上分开；而后经过第四透镜后在相机上进行光电转换，上位机根据对电信号进行处理而获取的声辐射力作用前的第一复数信号序列组和/或声辐射力作用后的第二复数信号序列组进行处理构建结构图像、弹性图像和血流图像中多种图像组合。
结合图3和图4所示，本发明实施例提供的所述声辐射力激发单元200包括：信号源210、放大器220和超声换能器230。
所述信号源210用于产生高频周期信号；
所述放大器220用于对所述高频周期信号进行放大；
以及，所述超声换能器230用于接收所述高频周期信号后生成所述声辐射力作用至所述活体组织300的固定接收位置。
在本发明一实施例中，本发明提供的所述信号源210包括波形发生器，所述波形发生器用于产生高频的正弦波、方波或三角波的所述检测信号。
可以理解的，本发明实施例提供的声辐射力激发单元中，波形发生器产生高频正弦波、方波或三角波，经过放大器放大后来驱动超声换能器，实现活体组织的远程力学激励。如活体组织为眼底组织时，波形发生器产生高频正弦波、方波或三角波，经过放大器放大后来驱动超声换能器，实现眼底组织的远程力学激励；具体的，超声换能器经过超声耦合材料(水或超声胶)进入眼球，在眼底形成声辐射力场，诱导眼底组织的微小振动；超声能够透过角膜、晶状体等眼组织，直接聚焦在眼底上，产生声辐射力，具有无创、非接触和聚焦精确等优点。
下面对本发明实施例提供的技术方案的信号处理过程进行更为详细的描述。结合图5和图6所示，图5为本发明实施例提供的一种探测光束和活体组织的结构示意图，图6为本发明实施例提供的干涉信号序列和复数信号序列的变换示意图。其中，本发明实施例提供的上位机采集到某一侧向位置(x,y)在时间t随波长λ变化的干涉信号序列Γx，y，t(λ)，通过滤波消除噪声，然后进行傅立叶变换转换到频域，可得到在位置(x,y)和时间t随深度z改变的复数信号序列Fx，y，t(Z)(第一复数信号序列或第二复数信号序列)。因此，在时间t时，空间位置(x,y,z)的复数信号可以表示为包含幅度Ax，y，z，t部分和相位/>部分。其中(x,y)表示与探测光束垂直平面的坐标，z表示探测光束方向(深度方向)的坐标，如图5所示。图6中，/>表示位置(x,y)时间t1随波长λ改变的干涉信号序列；/>表示位置(x,y)时间t2随波长λ改变的干涉信号序列；/>表示位置(x,y)时间t1随深度z改变的复数信号序列；/>表示位置(x,y)时间t2随深度z改变的复数信号序列。
以此，得到复数信号序列中复数信号的幅度和相位后，能够根据复数信号的幅度确定结构数据，根据复数信号的幅度和/相位确定血流数据，及根据复数信号的幅度和/或相位确定振动数据。
本发明实施例提供的关于活体组织的结构成像，参考图7所示，为发明实施例提供的一种结构成像的不同扫描方式的结构示意图，在进行活体组织的结构成像时，提取复数信号序列中复数信号的幅度信息即可，A扫描得到沿深度方向的一维图像，B扫描可以得到二维截面图像，C扫描可以得到三维图像。
本发明实施例提供的关于活体组织的血流造影成像，基于OCT的血流造影成像利用血流中红细胞运动引起的光散射变化，无标记地获取活体组织中的血流信息和高分辨血流网络图像。利用复数信号的幅度信息和/或相位信息，通过计算时序信号的差异获取血流图像。下面分析中，利用Ft和Ft+1表示时刻t和时刻t+1在相同三维空间位置(x,y,z)的复数信号，血流造影成像包括如下成像方法：
1、多普勒相位分析
复数信号的相位变化，可以用来计算活体组织中光散射颗粒的振动速度和位移。活体组织中散射颗粒在时间间隔ΔT内的速度V与复数信号的相位变化的关系如下所示：
其中，n表示活体组织的光学折射率,λ表示探测光束在真空中的中心波长,θ表示粒子运动方向与探测光束的夹角，V×cos(θ)表示光散射颗粒沿探测光束方向的速度分量。相位变化可以通过复数信号计算，如下所示：
其中，Im表示计算复数的实部，Re表示计算复数的虚部，Ft和Et+1分别表示在不同时间(t和t+1时刻)且相同空间位置的复数信号，t和t+1时刻的时间间隔为ΔT。
2、多普勒强度方差
Iflow表征流速，M表示在同一空间位置的采样次数。
3、振幅去相关
4、多普勒相位方差
5、散斑方差
6、强度相对标准差
7、强度相减
8、复数信号相减
图8为本发明实施例提供的一种利用上述多普勒强度方差方法分析的血流图像及其投影图。在声辐射力作用前，根据所有探测位置(x,y)在相同时间点随深度z改变的血流数据，构建所述活体组织在相同时间点的三维血流图像及其投影图像。
本发明实施例提供的关于活体组织的弹性成像，弹性用于描述活体组织在应力的作用下产生的非永久形变的性质。通过弹性形变过程中应力-应变曲线的斜率计算活体组织的弹性模量，包括杨氏模量、剪切模量、体积模量和压缩模量等。在生物医学应用中，通常测量杨氏模量和剪切模量以评估软组织的弹性性质。同时，为简化组织生物力学性质，通常假定组织在小区域中是机械均匀和不可压缩的材料。负荷应力和小变形应变的比率在不可压缩弹性组织的小均匀区域中保持恒定，其在各向同性组织中是方向无关的并且在各向异性组织中是方向依赖性的。
从活体组织的振动测量到弹性性能的估计，本发明实施例提供的三种方法包括最大振动幅度的比较、共振频率的测量和弹性波速度的计算。当相同的压强施加到不同的组织时，可以直接比较最大振动幅度以定性评估弹性性质，较软的组织将呈现较大的振动幅度。谐振频率与杨氏模量的平方根成近似线性关系，通过测量组织的共振频率，并对照标定的曲线，可以计算组织的杨氏模量。还可以测量弹性波传播速度，基于波速和弹性模量之间的量化关系，计算弹性模量。用这三种方法计算弹性属性时，都需要首先使用OCT检测到组织的微小振动，检测微小振动的方法与上述血流造影算法一致。三种方法具体为：
1、最大振动幅度的比较
通过多普勒相位分析OCT方法检测振动幅度时，施加的声辐射力通常平行于或倾斜于探测光束。杨氏模量E作为生物医学应用中弹性性质表征的重要参数，是应力σ与应变ε的比值，可以描述为：
其中F是施加的力，S是施加力的面积，Δz是沿力作用方向的组织厚度变化，z0是沿力作用方向的组织原始厚度。当外作用力在一定范围内均匀时，组织上单位面积所受到的力F/S大致相同。由于外力引起小的物***移，使得应变足够小(Δz/z0小于0.1％)，可以认为振动时，z0保持不变，因而，可以用Δz近似评估相对杨氏模量。
为了计算Δz，OCT方法可以测量时间间隔ΔT内的振动速度Vt，如下所示：
然后，从时间t1到t2平行于探测光束方向的振动幅度Δz可以通过以下等式确定：
通过振动幅度Δz，可以评估相对杨氏模量的差异，Δz越大，杨氏模量越小。
2、共振频率检测
当忽略粘度并且变形相对较小(Δz/z0小于0.1％)时，作为弹性材料的软组织可以通过弹性弹簧建模。施加的力F与Δz×k成比例，其中Δz是从原始位置的位移，k是弹性常数。杨氏模量E也可以通过以下式来描述：
其中，f为组织的共振频率，M为组织的质量，z0是沿力作用方向的组织原始厚度，S是施加力的面积。因此，组织的共振频率f与杨氏模量E的平方根成线性关系，并可用于量化杨氏模量。为了测量组织的共振频率，可以调制外力作用的频率，测量不同外力频率时，组织的振幅。组织最大振幅对应的外力频率即为组织的共振频率，也就是组织的特征频率。
3、弹性波速度计算
当外作用力在一个位置激发组织时，可以产生弹性波，从激励位置传播到组织内部或表面附近。使用OCT对弹性波的传播进行成像，并测量波速，可以计算组织的弹性属性。在厚组织内部传播的弹性波称为体波，包括压缩波和剪切波。以大约一个波长的深度靠近表面行进的弹性波是表面瑞利波。
剪切波最常用于弹性测量。剪切波是横波，其传播方向垂直于所施加力的方向(即振动方向)。在外作用力激发之后，剪切波存在于组织内部。剪切模量通过使用以下方法来计算：
其中ρ是组织的密度，Vs是剪切波的波速。基于剪切模量μ和杨氏模量E之间的关系，即E＝2μ(1+v)，均匀各向同性组织的杨氏模量可以通过下式确定：
其中v是样本的泊松比。对于生物组织，泊松比约为0.5，因为它们在小应变下可被视为不可压缩材料，杨氏模量E等于3ρ×Vs 2。
压缩波是在可压缩介质中沿力方向(即振动方向)传播的纵波。均匀各向同性组织中压缩波的速度Vc与体积模量K，剪切模量μ和组织密度ρ有关，可通过以下公式确定：
由于压缩波的高速传播和当前OCT***的相对低的采样速率，压缩波的速度难以被OCT***测量。
表面瑞利波在组织表面附近传播。瑞利波可以在大约一个波长的深度检测到。当外作用力激发位置靠近组织表面时，检测到的沿组织表面传播的弹性波应被视为瑞利波。对于均匀的各向同性组织，杨氏模量E可以基于瑞利波速度VR计算，公式如下：
其中v是泊松比，ρ是样本的密度。
图9为本发明实施例提供的一种声辐射力作用后四维(x,y,z,t)信号获取及振动图像构建示意图。产生声辐射力作用至所述活体组织的固定接收位置后，获得声辐射力作用后探测位置(x1,y1)在不同时间点t的随深度z改变的第二复数信号序列；然后移动OCT探测位置至(x2,y1)，再次产生声辐射力作用至所述活体组织的固定接收位置，获得声辐射力作用后探测位置(x2,y1)在不同时间点t的随深度z改变的第二复数信号序列；重复上述步骤，完成探测位置(x3,y1)和(x4,y1)的数据获取后，改变y坐标，获取(x1,y2)、(x2,y2)、(x3,y2)和(x4,y2)的数据，从而完成声辐射力作用后四维(x,y,z,t)数据获取，构建随时间t改变的空间(x,y,z)振动图像。
本发明提供了一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置及方法，
包括步骤：S1、将预定波段内不同波长的弱相干光束分成参考光束和探测光束，控制所述探测光束照射至所述活体组织表面的探测位置生成反馈光束，控制所述参考光束照射至反射镜生成反射光束，且控制所述反馈光束和所述反射光束干涉生成干涉光束，提取所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组；S2、产生声辐射力作用至所述活体组织的固定接收位置，且按照步骤S1方式获得所述探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组；S3、重复所述步骤S1和S2直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组；S4、根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。可见本发明提供的光学相干层析多模态成像方法能够构建活体组织的结构图像、弹性图像和血流图像中多种图像组合，进而能够同时测量活体组织的结构、弹性和血流分布相应信息，提高对活体组织的疾病诊断的精确性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种活体组织的光学相干层析多模态成像方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将预定波段内不同波长的弱相干光束分成参考光束和探测光束，控制所述探测光束照射至所述活体组织表面的探测位置生成反馈光束，控制所述参考光束照射至反射镜生成反射光束，且控制所述反馈光束和所述反射光束干涉生成干涉光束，提取所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组；
S2、产生声辐射力作用至所述活体组织的固定接收位置，且按照步骤S1方式获得所述探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组；
S3、重复所述步骤S1和S2直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组；
S4、根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合；其中，根据同一探测位置在不同时间点相应的第二复数信号序列，确定所述探测位置在不同时间点随深度改变的振动数据；及根据所有探测位置在不同时间点随深度改变的振动数据，确定所述活体组织在不同时间点的振动分布图像；并根据所述活体组织在不同时间点的振动分布图像，构建所述活体组织的弹性图像。
2.根据权利要求1所述的活体组织的光学相干层析多模态成像方法，其特征在于，根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合，包括：
根据所有探测位置在所述辐射力作用前第一预定时段相应的第一复数信号序列组，和/或在所述辐射力作用后第二预定时段相应的第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合。
3.根据权利要求1所述的活体组织的光学相干层析多模态成像方法，其特征在于，根据所有探测位置在相同时间点相应的第一复数信号序列，或根据所有探测位置在相同时间点相应的第二复数信号序列，构建所述活体组织在相同时间点的结构图像；
和/或，根据所有探测位置在不同时间点相应的第一复数信号序列，或根据所有探测位置在不同时间点相应的第二复数信号序列，构建所述活体组织在不同时间点的结构图像。
4.根据权利要求3所述的活体组织的光学相干层析多模态成像方法，其特征在于，根据探测位置相应的第一复数信号序列和第二复数信号序列中任意一复数信号序列，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的结构数据包括：
根据探测位置在任意一时间点随深度改变复数信号序列中复数信号的幅度，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的结构数据，其中，根据所有探测位置相应的结构数据构建所述活体组织的结构图像。
5.根据权利要求1所述的活体组织的光学相干层析多模态成像方法，其特征在于，根据同一探测位置在不同时间点相应的第一复数信号序列，确定所述探测位置在不同时间点随深度改变的血流数据；及根据所有探测位置在不同时间点随深度改变的血流数据，构建所述活体组织在不同时间点的血流图像。
6.根据权利要求5所述的活体组织的光学相干层析多模态成像方法，其特征在于，根据探测位置相应的第一复数信号序列，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的血流数据，包括：
根据探测位置在任意一时间点的第一复数信号序列中复数信号的幅度和/或相位，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的血流数据。
7.根据权利要求1所述的活体组织的光学相干层析多模态成像方法，其特征在于，根据探测位置相应的第二复数信号序列，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的振动数据，包括：
根据探测位置在任意一时间点的第二复数信号序列中复数信号的幅度和/或相位，确定所述探测位置在任意一时间点随深度改变的振动数据。
8.根据权利要求1所述的活体组织的光学相干层析多模态成像方法，其特征在于，根据所述活体组织在不同时间点的振动分布图像，构建所述活体组织的弹性图像，包括：
根据所述活体组织在不同时间点的振动分布图像，计算所述活体组织的弹性数据，所述弹性数据包括所述活体组织在不同空间位置的最大振幅、共振频率、弹性波速度中至少一种；
根据所述弹性数据构建所述活体组织的弹性图像。
9.一种活体组织的光学相干层析多模态成像装置，其特征在于，包括：光学相干层析成像单元和声辐射力激发单元；
所述声辐射力激发单元用于生成声辐射力作用至所述活体组织的固定接收位置；
所述光学相干层析成像单元用于在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置前，将预定波段内不同波长的弱相干光束分成参考光束和探测光束，控制所述探测光束照射至所述活体组织表面的探测位置生成反馈光束，控制所述参考光束照射至反射镜生成反射光束，且控制所述反馈光束和所述反射光束干涉生成干涉光束，提取所述干涉光束中相应随波长改变的干涉信号序列，并进行傅立叶变换得到所述探测位置随深度改变的第一复数信号序列，以此获取包括多个时间点相应随深度改变的多个第一复数信号序列的第一复数信号序列组；及在声辐射力作用至活体组织的固定接收位置后，按照上述方式获得一组探测位置在所述声辐射力作用后，包括多个时间点相应随深度改变的多个第二复数信号序列的第二复数序列组；重复上述过程直至完成所述探测光束在所述活体组织表面的所有探测位置的扫描，获得所述活体组织的所有探测位置在所述声辐射力作用前的所有第一复数信号序列组和作用后的所有第二复数信号序列组；根据所有探测位置相应的第一复数信号序列组和/或和第二复数信号序列组，构建所述活体组织的结构图像、所述活体组织的弹性图像和所述活体组织的血流图像中多种图像组合；其中，根据同一探测位置在不同时间点相应的第二复数信号序列，确定所述探测位置在不同时间点随深度改变的振动数据；及根据所有探测位置在不同时间点随深度改变的振动数据，确定所述活体组织在不同时间点的振动分布图像；并根据所述活体组织在不同时间点的振动分布图像，构建所述活体组织的弹性图像。
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