CN112168144B - 一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***，包括光学相干层析成像仪和计算机控制***，其光学相干成像仪获取目标区烧伤皮肤坏死组织的干涉信号，由计算机控制***经图像分析处理，得到目标区域的烧伤深度和烧伤面积，并合成目标区域的三维图像显示，在数据处理上无需进行光谱插值或校准，更简单高效；在样品臂处，通过可变焦透镜实现灵活的光学聚焦。在参考臂处添加色散补偿透镜，补偿光路色散，提高轴向分辨率，在数据处理上无需进行色散补偿，更简单高效，在信号采集上可高保真的获取波数空间的干涉信号。
Description
技术领域
本发明涉及光学相干层析成像领域，具体涉及一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***。
背景技术
光学相干层析扫描技术(OCT)是一种新兴的非侵入式光学检测技术，在烧伤皮肤诊断领域能够提供皮肤组织的高分辨率三维图像。OCT的基本结构是低相干干涉仪，即把宽带光源分成参考光和样品光两部分，当反射回来的参考光和经过样品的不同层面而反向散射的样品光两者的光程差符合宽带光源的相干长度时，发生光学干涉，从而得到光学干涉图像。OCT***采用光源的的相干长度通常很小，约为10μm，因此能提供高分辨率的生物组织信息。OCT成像技术可大致分为两种：时域OCT(TDOCT)和傅里叶域OCT(FDOCT)。时域OCT是第一代OCT***，通过移动参考臂实现OCT线扫描，然而时域OCT***的线成像速率比较慢；而傅里叶域OCT***具有更高的成像速率和灵敏度，可实现皮肤组织深度信息的可视化，其线扫描速度可达几十kHz甚至MHz量级，具有非常广阔的应用前景。
自上世纪60年代以来，在烧伤创面诊断领域出现了多种烧伤深度诊断技术。荧光检测技术是通过静脉注射荧光物质，根据创面在不同的激发光照射下激发产生的荧光强度、峰值大小和时相特点来对创面深度进行评价；红外热成像技术是通过探测不同烧伤皮肤的热辐射来对创面的烧伤深度进行评价；基于超声成像，研究人员使用B超来评价烧伤深度，主要原理是观察烧伤组织的边界，根据正常皮肤和不同烧伤组织的回声图谱进行判断；激光多普勒技术利用多普勒频移来探测创面组织微血管中的血细胞流动情况，根据相对流速区分烧伤程度；光谱技术利用不同光谱被创面中的血液吸收后的不同衰减，来对烧伤深度进行评价；反射共聚焦成像技术，利用二极管激光器的近红外光聚焦在显微镜下的烧伤皮肤，根据不同折射率的细胞结构，对烧伤程度进行评价；光声显微成像技术通过成像血液中血管***热损伤边界聚集的血红蛋白的总浓度，来确定急性热烧伤的深度
本专利涉及的现有相关技术涉及以下参考文献：
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目前烧伤诊断的“金标准”仍为组织病理活检，但无法实际应用于临床，原因有以下几点：1、取活检对机体有创，患者可能无法接受；2、烧伤的组织病理改变在一定时间内是动态持续发生的，对于早期进行单一的切片检查来评估损伤程度，可能无法准确地预测结果；3、需要一个经验丰富地病理学专家，但如果依赖有限的经验医护人员进行初期的视觉诊断，其烧伤面积和烧伤程度的判断准确率分别只有60％和51％，这种依靠医护人员的肉眼观察是一种局限于皮肤表面的、非常主观、低准确率的皮肤诊断***，其学习成本及医患风险巨大。荧光检测技术则需要静脉注射荧光物质；红外成像技术需要在恒定环境温度及严格的检测条件下才能保证测量的客观性；B超扫描分辨率较低且需要接触创面；激光多普勒技术及光谱成像技术也只能获取较为粗糙的二维图像信息，从而导致上述同类技术难以客观全面的评估烧伤皮肤的状况。现阶段，光学相干层析成像技术也已开始用以皮肤成像，然后基于传统频谱技术的光学相干层析***，其光谱线性度及分辨率不佳，轴向方向的分辨率及信噪比衰减较大，而扫频光学相干层析成像***需要昂贵的光源及光电检测器件，其成本及技术难度都较大。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本发明提供一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***，包括光学相干层析成像仪和计算机控制***，具有无创、三维、实时动态的成像优点，并且***简洁紧凑、性能优异且成本较低。其光学相干成像仪获取目标区烧伤皮肤坏死组织的干涉信号，由计算机控制***经图像分析处理，得到目标区域的烧伤深度和烧伤面积，并合成目标区域的三维图像显示。该***可以指明在皮肤烧伤前后由于组织蛋白质变性而导致其空间结构发生的变化，从而提供有关正常皮肤组织和坏死组织界限和烧伤皮肤坏死深度的微米级信息，并达到可视化，从而有利支持临床诊断、治疗和预后判断。
本发明的目的是针对上述问题，提供一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***，具体包括：光源、光纤耦合器、第一准直透镜和第二准直透镜、色散补偿模块、平面反射镜、变焦透镜、扫描振镜、聚焦透镜、被测样品、光探测模块和计算机***。光纤耦合器通过光纤和宽带光源、参考臂第一准直透镜、样品臂、第二准直透镜和光探测模块连接；参考臂中，第一准直透镜、色散补偿模块与平面反射镜共光轴；样品臂中，变焦透镜与扫描振镜存在夹角，扫描振镜与聚焦透镜存在夹角，第二准直透镜、变焦透镜和聚焦透镜共光轴。
进一步的，所述光源发出光束进入光纤耦合器，所述光纤耦合器将光束分为两束；一束进入参考臂，先后通过第一准直透镜和色散补偿模块后，投射到平面反射镜，平面反射镜可进行三维调节，将光束反射并沿原光路回到光纤耦合器；另一束进入样品臂，通过第二准直透镜和变焦透镜后投射到扫描振镜，扫描振镜有角度地将光束反射到聚焦透镜，聚焦透镜使光束聚集到被测样品上，被测样品的后向散射光沿原光路返回到光纤耦合器。
进一步的，光纤耦合器中反射回来的参考光与被测样品的后向散射光发生干涉，干涉光进入光探测模块，光探测模块将干涉光信号进行多次处理，最终转换为电信号，所述电信号被传至计算机***，通过软件编程处理得到三维、结构和血流图像。
进一步的，所述光源采用中心波长为1300nm，带宽为80nm的宽带光源。色散补偿模块采用色散补偿器，以减少现伪影的可能性，其中所述色散补偿器的增透膜波段为800nm-1400nm，通光直径为22.8mm。
进一步的，变焦透镜采用的是可变焦液体透镜，用于成像前的对焦微调整，实现灵活的光学聚焦，其中所述可变焦液体透镜具有20屈光度动态范围，1.6mm的数值孔径。
进一步的，光探测模块采用线性波数光谱仪，以在对干涉光处理中进行光谱的线性波数采样。开始成像前，计算机***通过Labview平台提供成像区域内的深度成像预览，通过扫描振镜扫描成像区域。
进一步的，计算机***通过Labview平台模拟输出数据，从而由PCI函数发生卡控制扫描振镜的驱动电路，以改变扫描振镜的扫描角度，采集被测样品的不同位置信息，每条A线信号的采集由PCIe数据采集卡进行采集。被测样品为未知烧伤等级的皮肤烧伤样品，被固定于深度方向为10cm移动范围的升降装置。
进一步的，所述计算机***通过Labview平台对所采集的被测样品的多项信息以“.oct”为后缀的文件形式存储形成文件，文件包括：振镜扫描范围，总采集线数，总采集帧数，每条A线重复采集次数，采集帧速率，采集线速率。成像采集后，计算机***可通过Labview对成像过程进行回放。计算机***通过Matlab软件对所述的“.oct”为后缀的文件进行信息提取，经过背景噪声处理，傅里叶变换，同时提取OCT幅值和相位信号，阈值自动化调整等，最终得到所述皮肤烧伤样品的多帧结构和血流信息以及三维图像，其中所述多帧结构和血流信息以“.dcm”为后缀的文件形式存储。
进一步的，通过对所采集的干涉光信号进行逆傅里叶变换，可获取样品组织的深度散射信息，逆傅里叶变换如下式表示：
其中F-1{f(a)}(x)表示函数f(a)关于变量x的逆傅里叶变换，IOCT(k)表示在k空间中检测到的原始光谱信号，rR表示参考臂场的反射率，
表示n个同时检测到的后向散射事件，即n个散射截面，rS(zj)表示从深度为zj探测到的第j个背散射的样品臂场反射率，γ[2(z-zj)]是归一化的时间自相关函数，其中γ是归一化的自相关函数函数名，exp[-i2k0(z-zj)]是源于深度zj的第j个背散射事件相关的相位项，I0为光照强度，z表示深度，i表示复数单位，k0表示波数。
进一步的，对检测到的k谱进行傅里叶逆变换，经过傅里叶变换的OCT信号包含幅值和相位信息，
而得到的深度z编码的复OCT函数的复数OCT信息，其幅值信息可用于表示结构OCT图像，A(z)表示幅值，
表示相位。
进一步的，在血流信号动态提取方面，通过在同一位置重复N次的B扫描，对相邻B扫描的OCT复数信息进行差分运算，可获取具有动态信息特征的生物样品血流信号，具体运算如下：
其中Si(z)表示第i幅B扫描所得的复数OCT信息，由于使用了重复的B扫描，而重复的B扫描之间存在时间间隔，相邻的B扫描时间间隔应足够长从而可观察到组织血流的动态变化，并且该差分算法同时利用了OCT的幅值和相位信息，拥有更好的血流灵敏度。
本发明的有益效果为：本发明公开了一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***，使用线性波数光谱仪接收光信号，用于实现对光谱的线性波数采样，在数据处理上无需进行光谱插值或校准，更简单高效；在样品臂处，通过可变焦透镜实现灵活的光学聚焦。在参考臂处添加色散补偿透镜，补偿光路色散，提高轴向分辨率，在数据处理上无需进行色散补偿，更简单高效；通过对信号进行傅里叶变化及动态信息提取，获取烧伤皮肤组织的结构图像和血流图像；采用线性波数光谱仪，可在轴向方向保持较高的信号灵敏度及图像分辨率；样品臂的可变焦透镜，在检测凹凸不平的烧伤创面时能够灵活地调整对焦，提高***的寻焦效率，并可进行较大的光学视场成像，从而获取高清晰、高保真的皮肤结构和血流图像；采用线性波数光谱仪，并在参考臂添加色散补偿器，在信号采集上可高保真的获取波数空间的干涉信号，不需要对数据进行插值或转换等预处理，可直接将该信号进行傅里叶变换，重建出样品组织的三维图像，在数据处理上更简单高效；该成像***可同时获取皮肤组织的三维结构图像和血流图像，能够直观地显示皮肤烧伤结构变化，也能获取其功能性血流信息，可以更全面准确的评估皮肤的烧伤等级。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：
图1所示为一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***结构图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1所示为一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***结构图，下面结合图1来阐述根据本发明的实施方式的***。
本发明提出一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***，具体包括：光源1、光纤耦合器2、准直透镜3和准直透镜6，第一准直透镜为准直透镜3，第二准直透镜为准直透镜6、色散补偿模块4、平面反射镜5、变焦透镜7、扫描振镜8、聚焦透镜9、被测样品10、光探测模块11和计算机***12。光纤耦合器2通过光纤和宽带光源1、参考臂准直透镜3、样品臂准直透镜6和光探测模块11连接；参考臂中，准直透镜3、色散补偿模块4与平面反射镜5共光轴；样品臂中，变焦透镜7与扫描振镜8存在夹角，扫描振镜8与聚焦透镜9存在夹角，准直透镜6、变焦透镜7和聚焦透镜9共光轴。
光源1发出光束进入光纤耦合器2，光纤耦合器2将光束分为两束。一束进入参考臂，先后通过准直透镜3和色散补偿模块4后，投射到平面反射镜5，平面反射镜5可进行三维调节，将光束反射并沿原光路回到光纤耦合器2；另一束进入样品臂，通过准直透镜6和变焦透镜7后投射到扫描振镜8，扫描振镜8有角度地将光束反射到聚焦透镜9，聚焦透镜9使光束聚集到被测样品10上，被测样品10的后向散射光沿原光路返回到光纤耦合器2。光纤耦合器2中反射回来的参考光与被测样品10的后向散射光发生干涉，干涉光进入光探测模块11，光探测模块11将干涉光信号进行多次处理，最终转换为电信号，所述电信号被传至计算机***12，通过软件编程处理得到三维、结构和血流图像。
其中，光源1采用中心波长为1300nm，带宽为80nm的宽带光源。色散补偿模块4采用色散补偿器，以减少现伪影的可能性，其中所述色散补偿器的增透膜波段为800nm-1400nm，通光直径为22.8mm。变焦透镜7采用的是可变焦液体透镜，用于成像前的对焦微调整，实现灵活的光学聚焦，其中所述可变焦液体透镜具有20屈光度动态范围，1.6mm的数值孔径。光探测模块11采用线性波数光谱仪，以在对干涉光处理中进行光谱的线性波数采样。开始成像前，计算机***12通过Labview平台提供成像区域内的深度成像预览，包括扫描振镜8扫描。计算机***12通过Labview平台模拟输出数据，从而由PCI函数发生卡控制扫描振镜8的驱动电路，以改变扫描振镜8的扫描角度，采集被测样品10的不同位置信息，每条A线信号的采集由PCIe数据采集卡进行采集。被测样品10为未知烧伤等级的皮肤烧伤样品，被固定于深度方向为10cm移动范围的升降装置。计算机***12通过Labview平台对所采集的所述皮肤烧伤样品的多项信息以“.oct”为后缀的文件形式存储，包括：振镜扫描范围，总采集线数，总采集帧数，每条A线重复采集次数，采集帧速率，采集线速率。成像采集后，计算机***12可通过Labview对成像过程进行回放。计算机***12通过Matlab软件对所述的“.oct”为后缀的文件进行信息提取，经过背景噪声处理，傅里叶变换，同时提取OCT幅值和相位信号，阈值自动化调整等，最终得到所述皮肤烧伤样品的多帧结构和血流信息以及三维图像，其中所述多帧结构和血流信息以“.dcm”为后缀的文件形式存储。
进一步的，通过对所采集的干涉光信号进行逆傅里叶变换，可获取样品组织的深度散射信息，逆傅里叶变换如下式表示：
其中F-1{f(a)}(x)表示函数f(a)关于变量x的逆傅里叶变换，IOCT(k)表示在k空间中检测到的原始光谱信号，rR表示参考臂场的反射率，
表示n个同时检测到的后向散射事件，即n个散射截面，rS(zj)表示从深度为zj探测到的第j个背散射的样品臂场反射率，γ[2(z-zj)]是归一化的时间自相关函数，其中γ是归一化的自相关函数函数名，exp[-i2k0(z-zj)]是源于深度zj的第j个背散射事件相关的相位项，I0为光照强度，z表示深度，i表示复数单位，k0表示波数。
进一步的，对检测到的k谱进行傅里叶逆变换，经过傅里叶变换的OCT信号包含幅值和相位信息，
而得到的深度z编码的复OCT函数的复数OCT信息，其幅值信息可用于表示结构OCT图像，A(z)表示幅值，
表示相位。
进一步的，在血流信号动态提取方面，通过在同一位置重复N次的B扫描，对相邻B扫描的OCT复数信息进行差分运算，可获取具有动态信息特征的生物样品血流信号，具体运算如下：
其中Si(z)表示第i幅B扫描所得的复数OCT信息，由于使用了重复的B扫描，而重复的B扫描之间存在时间间隔，相邻的B扫描时间间隔应足够长从而可观察到组织血流的动态变化，并且该差分算法同时利用了OCT的幅值和相位信息，拥有更好的血流灵敏度。
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。
Claims (3)
1.一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***，其特征在于，所述***包括：光源、光纤耦合器、第一准直透镜和第二准直透镜、色散补偿模块、平面反射镜、变焦透镜、扫描振镜、聚焦透镜、被测样品、光探测模块和计算机***；光纤耦合器通过光纤和宽带光源、参考臂、第一准直透镜、样品臂、第二准直透镜和光探测模块连接；参考臂中，第一准直透镜、色散补偿模块与平面反射镜共光轴；样品臂中，变焦透镜与扫描振镜存在夹角，扫描振镜与聚焦透镜存在夹角，第二准直透镜、变焦透镜和聚焦透镜共光轴；
所述光源发出光束进入光纤耦合器，所述光纤耦合器将光束分为两束；一束进入参考臂，先后通过第一准直透镜和色散补偿模块后，投射到平面反射镜，平面反射镜可进行三维调节，将光束反射并沿原光路回到光纤耦合器；另一束进入样品臂，通过第二准直透镜和变焦透镜后投射到扫描振镜，扫描振镜有角度地将光束反射到聚焦透镜，聚焦透镜使光束聚集到被测样品上，被测样品的后向散射光沿原光路返回到光纤耦合器；
光纤耦合器中反射回来的参考光与被测样品的后向散射光发生干涉，干涉光进入光探测模块，光探测模块将干涉光信号进行多次处理，最终转换为电信号，所述电信号被传至计算机***，通过软件编程处理得到三维结构和血流图像；
所述光源采用中心波长为1300nm，带宽为80nm的宽带光源；所述色散补偿模块采用色散补偿器，其中所述色散补偿器的增透膜波段为800nm-1400nm，通光直径为22.8mm；
变焦透镜采用的是可变焦液体透镜，用于成像前的对焦微调整，实现灵活的光学聚焦，其中所述可变焦液体透镜具有20屈光度动态范围，1.6mm的数值孔径；
光探测模块采用线性波数光谱仪，以在对干涉光处理中进行光谱的线性波数采样；开始成像前，计算机***通过Labview平台提供成像区域内的深度成像预览，通过扫描振镜扫描成像区域；
通过对所采集的干涉光信号进行逆傅里叶变换，可获取样品组织的深度散射信息，逆傅里叶变换如下式表示：
其中F-1{f(a)}(x)表示函数f(a)关于变量x的逆傅里叶变换，IOCT(k)表示在k空间中检测到的原始光谱信号，rR表示参考臂场的反射率，
表示n个同时检测到的后向散射事件，后向散射事件即散射截面，rS(zj)表示从深度为zj探测到的第j个背散射的样品臂场反射率，γ[2(z-zj)]是归一化的时间自相关函数，
其中γ是归一化的自相关函数；exp[-i2k0(z-zj)]是源于深度zj的第j个背散射事件相关的相位项，I0为光照强度，z表示深度，i表示复数单位，k0表示波数；
对检测到的k谱进行傅里叶逆变换，经过傅里叶变换的OCT信号包含幅值和相位信息，
而得到的深度z编码的复OCT函数的复数OCT信息，其幅值信息可用于表示结构OCT图像，A(z)表示幅值，
表示相位；
在血流信号动态提取方面，通过在同一位置重复N次的B扫描，对相邻B扫描的OCT复数信息进行差分运算，可获取具有动态信息特征的生物样品血流信号，具体运算如下：
其中Si(z)表示第i幅B扫描所得的复数OCT信息，由于使用了重复的B扫描，而重复的B扫描之间存在时间间隔，相邻的B扫描时间间隔应足够长从而可观察到组织血流的动态变化，并且该差分运算同时利用了OCT的幅值和相位信息，拥有更好的血流灵敏度。
2.根据权利要求1所述的一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***，其特征在于，计算机***通过Labview平台模拟输出数据，从而由PCI函数发生卡控制扫描振镜的驱动电路，以改变扫描振镜的扫描角度，采集被测样品的不同位置信息，每条A线信号的采集由PCIe数据采集卡进行采集；被测样品为未知烧伤等级的皮肤烧伤样品，被固定于深度方向为10cm移动范围的升降装置。
3.根据权利要求1所述的一种用于烧伤皮肤的光学相干层析成像***，其特征在于，所述计算机***通过Labview平台对所采集的被测样品的多项信息以“.oct”为后缀的文件形式存储形成文件，文件包括：振镜扫描范围，总采集线数，总采集帧数，每条A线重复采集次数，采集帧速率，采集线速率；成像采集后，计算机***可通过Labview对成像过程进行回放；计算机***通过Matlab软件对所述的“.oct”为后缀的文件进行信息提取，经过背景噪声处理、傅里叶变换，同时提取OCT幅值和相位信号，最终得到所述被测样品的多帧结构和血流信息以及三维图像，其中所述多帧结构和血流信息以“.dcm”为后缀的文件形式存储。
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