CN111829985A - 一种双模态全场光学相干层析成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

一种双模态全场光学相干层析成像装置，包括低相干光源，所述的低相干光源的输出端连接有光束分离器BS，所述的光束分离器BS的一端通过成像透镜Lens连接有面阵CCD探测器，所述的光束分离器BS的另一端通过物镜MO连接有压电陶瓷PZT，物镜MO为参考镜，所述的物镜MO设置在参考臂上，参考臂的输出端设置有样品臂，样品臂上安置有样品。本发明保持参考臂和样品臂的相位差不变，连续采集相干图像并经过标准差计算获得弱散射特性结构的相干图像，然后融合到全场光学相干层析成像图像中，可实时对样品中强散射特性和弱散射特性结构进行亚微米量级相干成像，且无需对样品进行切片、染色、荧光标记等处理，具有广泛的临床应用前景。

Description

一种双模态全场光学相干层析成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及光学相干层析成像技术领域，尤其是一种双模态全场光学相干层析成像装置及成像方法。

背景技术

全场光学相干层析成像技术(Full Field Optical Coherence Tomography，简称FFOCT)最早在1998年由Dubois A，Vabre L，Bocara AC等人提出，是一种非侵入性和非破坏性的微米量级光学断层层析成像技术，可观察生物组织内部的微结构，相比于传统的光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)技术，全场光学相干层析成像技术具有更高的分辨率和更快速成像的特点，在生物医学领域有巨大的应用前景。

全场光学相干层析成像技术对生物组织内部强散射特性的胶原质和纤维具有良好的光学相干层析成像效果，然而，对于在病理诊断中提供同样重要信息的弱散射特性结构，如细胞内的动态变化却很难观察到。

所以，为了弥补现有的全场光学相干层析成像技术无法对弱散射特性的结构进行成像的缺陷，就需设计一种双模态全场光学相干层析成像装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可实时对样品中强散射特性和弱散射特性结构进行亚微米量级相干成像的双模态全场光学相干层析成像装置及应用其的成像方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种双模态全场光学相干层析成像装置，包括低相干光源，所述的低相干光源的输出端连接有光束分离器BS，所述的光束分离器BS的一端通过成像透镜Lens连接有面阵CCD探测器，所述的光束分离器BS的另一端通过物镜MO连接有压电陶瓷PZT，所述的物镜MO为参考镜，所述的物镜MO设置在参考臂上，所述的参考臂的输出端设置有样品臂，所述的样品臂上安置有样品。

一种双模态全场光学相干层析成像方法，包括以下步骤：

第一步，驱动压电陶瓷PZT，对参考镜进行移相，面阵CCD探测器同步采集四幅相干图像，利用四步移相算法解算获得样品轴向深度位置D处的静态全场光学相干层析图像I_S；

第二步，设置压电陶瓷PZT的驱动电压为零，使参考臂和样品臂的相位差保持不变，面阵CCD探测器在时间T内连续采集获得N幅相干图像I_t1，I_t2……I_tN；

第三步，利用标准差算法计算获得样品轴向深度位置D处的弱散射结构的动态变化成像I_D；

第四步，将动态变化成像I_D标记成绿色，并叠加到静态全场光学相干层析图像I_S中，得到样品轴向深度位置D处的双模态全场相干层析成像。

优选的，所述的第一步中的四步移项算法的计算过程为：

首先取相干相位差Φ值为0、

π和

根据选取的相干相位差进行采集，获得四幅相干光强图像，分别为I(x,y；0)、

I(x,y；π)和

其中：x为相干光强图像像素点的横坐标，y为相干光强图像像素点的纵坐标，然后依次扫描相干光强图像的每个像素位置并根据公式

计算得到静态全场光学相干层析图像I_S。

优选的，所述的第三步中标准差算法的计算公式为

其中，D(x,y)为在像素点(x,y)处的动态信号强度，<S(x,y)>为由一个小样本量的M帧图像计算获得的干涉信号强度均值，S(x,y,t_i)为像素点(x,y)在N幅相干图像处的信号强度。

本发明的优点和积极效果是：

本发明保持参考臂和样品臂的相位差不变，连续采集相干图像并经过标准差计算获得弱散射特性结构的相干图像，然后融合到全场光学相干层析成像图像中，可实时对样品中强散射特性和弱散射特性结构进行亚微米量级相干成像，且无需对样品进行切片、染色、荧光标记等处理，可取代制片复杂及分辨率低等缺点的冰冻切片及石蜡切片，具有广泛的临床应用前景。

附图说明

图1是本发明的双模态全场光学相干层析成像装置的结构示意图；

图2是本发明的双模态全场光学相干层析成像方法的步骤示意图。

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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

如图1所示，本发明所述的一种双模态全场光学相干层析成像装置，包括低相干光源，所述的低相干光源的输出端连接有光束分离器BS，所述的光束分离器BS的一端通过成像透镜Lens连接有面阵CCD探测器，所述的光束分离器BS的另一端通过物镜MO连接有压电陶瓷PZT，所述的物镜MO为参考镜，所述的物镜MO设置在参考臂上，所述的参考臂的输出端设置有样品臂，所述的样品臂上安置有样品。

如图2所示，本发明所述的一种双模态全场光学相干层析成像方法，包括以下步骤：

第一步，驱动压电陶瓷PZT，对参考镜进行移相，面阵CCD探测器同步采集四幅相干图像，利用四步移相算法解算获得样品轴向深度位置D处的静态全场光学相干层析图像I_S，四步移项算法的计算过程如下：

首先取相干相位差Φ值为0、

π和

根据选取的相干相位差进行采集，获得四幅相干光强图像，分别为I(x,y；0)、

I(x,y；π)和

其中：x为相干光强图像像素点的横坐标，y为相干光强图像像素点的纵坐标，然后依次扫描相干光强图像的每个像素位置并根据公式

计算得到静态全场光学相干层析图像I_S；

第二步，设置压电陶瓷PZT的驱动电压为零，使参考臂和样品臂的相位差保持不变，面阵CCD探测器在时间T内连续采集获得N幅相干图像I_t1，I_t2……I_tN；

第三步，利用标准差算法计算获得样品轴向深度位置D处的弱散射结构的动态变化成像I_D，所述的标准差算法公式为：

其中，D(x,y)为在像素点(x,y)处的动态信号强度，<S(x,y)>为由一个小样本量的M帧图像计算获得的干涉信号强度均值，S(x,y,t_i)为像素点(x,y)在N幅相干图像处的信号强度；

第四步，将动态变化成像I_D标记成绿色，并叠加到静态全场光学相干层析图像I_S中，得到样品轴向深度位置D处的双模态全场相干层析成像。

进一步，所述的物镜MO采用奥林巴斯(Olympus)公司的umplan FLN型号，双模态全场光学相干层析成像装置***中所用的I/O驱动控制卡采用NI公司的NI6233板卡，所述的压电陶瓷PZT采用Piezomechanik公司的PST150/7/20VS12型号。

进一步，面阵CCD探测器是一种硅基多通道阵列探测器，可以探测紫外、可见和近红外光。由于它是高感光度半导体器件，适合分析微弱的拉曼信号，再加之CCD探测器允许进行多通道操作(可以在一次采集中探测到整段光谱)，所以很适合用来检测拉曼信号。CCD探测器的应用很广泛，数码相机中CCD探测器可以用作传感器，而在科学光谱仪中使用更高级别的CCD探测器以获得更好的灵敏度、均一性和噪音特性。CCD探测器一般是一维(线状)或二维(面状)的阵列，阵列由成千上万个独立的探测器元素组成(也称为像元)。每个元素受到光的作用产生电荷光越强，作用时间越长，产生的电荷越多。最终读出电子元件把电荷从像元中引出，从而每个电荷都被读出测量。在普通的拉曼光谱仪中，拉曼散射首先通过衍射光栅色散，然后投射到CCD阵列的长轴上，第一个像元探测到光谱低波数起始信号，第二个像元探测到下一个光谱位置的信号，依此类推，最后一个像元将探测到光谱高波数终端信号。CCD探测器需要冷却到较低温度以采集高质量光谱，冷却方式通常有两种，一种是半导体制冷，可达到的最低温度为-90摄氏度，另一种是液氮低温制冷，最低温度达到－196摄氏度。

进一步，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷具有压电特性，与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是：构成压电陶瓷的主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒，由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的.为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向，经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质。

具体实施时，通过白光低相干干涉原理，采用压电陶瓷PZT对参考镜进行移相，改变参考镜和样品镜之间的光程，使用面阵CCD探测器接收干涉信号，由计算机处理得到样品某一深度位置的强散射特性静态二维层析图像，通过控制压电陶瓷PZT使相位保持不变，面阵CCD探测器连续采集干涉信号，由计算机处理得到样品同一深度位置的弱散射特性动态二维层析图像。

本发明保持参考臂和样品臂的相位差不变，连续采集相干图像并经过标准差计算获得弱散射特性结构的相干图像，然后融合到全场光学相干层析成像图像中，可实时对样品中强散射特性和弱散射特性结构进行亚微米量级相干成像，且无需对样品进行切片、染色、荧光标记等处理，可取代制片复杂及分辨率低等缺点的冰冻切片及石蜡切片，具有广泛的临床应用前景。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种双模态全场光学相干层析成像装置，其特征在于：包括低相干光源，所述的低相干光源的输出端连接有光束分离器BS，所述的光束分离器BS的一端通过成像透镜Lens连接有面阵CCD探测器，所述的光束分离器BS的另一端通过物镜MO连接有压电陶瓷PZT，所述的物镜MO为参考镜，所述的物镜MO设置在参考臂上，所述的参考臂的输出端设置有样品臂，所述的样品臂上安置有样品。

2.一种双模态全场光学相干层析成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，驱动压电陶瓷PZT，对参考镜进行移相，面阵CCD探测器同步采集四幅相干图像，利用四步移相算法解算获得样品轴向深度位置D处的静态全场光学相干层析图像I_S；

第二步，设置压电陶瓷PZT的驱动电压为零，使参考臂和样品臂的相位差保持不变，面阵CCD探测器在时间T内连续采集获得N幅相干图像I_t1，I_t2……I_tN；

第三步，利用标准差算法计算获得样品轴向深度位置D处的弱散射结构的动态变化成像I_D；

第四步，将动态变化成像I_D标记成绿色，并叠加到静态全场光学相干层析图像I_S中，得到样品轴向深度位置D处的双模态全场相干层析成像。

3.根据权利要求2所述的一种双模态全场光学相干层析成像方法，其特征在于：所述的第一步中的四步移项算法的计算过程为：

首先取相干相位差Φ值为0、

π和

根据选取的相干相位差进行采集，获得四幅相干光强图像，分别为I(x,y；0)、

I(x,y；π)和

其中：x为相干光强图像像素点的横坐标，y为相干光强图像像素点的纵坐标，然后依次扫描相干光强图像的每个像素位置并根据公式

计算得到静态全场光学相干层析图像I_S。

4.根据权利要求2所述的一种双模态全场光学相干层析成像方法，其特征在于：所述的第三步中标准差算法的计算公式为

其中，D(x,y)为在像素点(x,y)处的动态信号强度，<S(x,y)>为由一个小样本量的M帧图像计算获得的干涉信号强度均值，S(x,y,t_i)为像素点(x,y)在N幅相干图像处的信号强度。

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