連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀的製作方法

2023-09-18 04:51:15 2

連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀的製作方法
【專利摘要】連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀，包括：掃頻光源、第一和第二光纖耦合器、第一至第六透鏡、第一和第二可變光闌、第一和第二軸錐鏡、第一和第二平移臺、分光片、垂直和水平掃描器、色散補償片、第一和第二偏振控制器、平衡探測器、第一至第七單模光纖、函數發生卡、數據採集卡和計算機等。該儀器基於掃頻OCT技術來實現視網膜的縱向高分辨層析成像；採用一對錐頂相對安裝的軸錐鏡對來形成大小和厚度可連續調節的環帶照明光束，以實現暗視場照明；並採用一可變光闌來濾除照明光信號及其後向反射光信號，而只探測來自視網膜的暗視場光信號。本發明具有環帶照明連續可調和圖像具有高解析度、高對比度、和強立體感的特點。
【專利說明】連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及活體人眼視網膜的暗視場光學相干層析成像(OCT)儀器，尤其是涉及一種採用軸錐鏡對實現連續可調環帶照明和基於掃頻OCT技術的視網膜成像儀器。
【背景技術】
[0002]很多眼部疾病和非眼部疾病，如老年性黃斑變性、青光眼、和糖尿病等，都會反映在視網膜上，及時發現和跟蹤視網膜的形貌變化將有助於上述疾病的早期診斷和預防，因此眼底視網膜檢查已成為眼科常規檢查中的必要項目。人們一直在不斷探索視網膜成像的新技術和改善現有技術的成像效果，但要獲得高解析度、高對比度的視網膜圖像仍然十分困難，這是由於:首先，視網膜是半透明組織，上皮細胞吸收了大部分的入射光能量，而被反射的光信號非常微弱。由於活體人眼成像時有安全曝光劑量的限制，靠提高照明光強來改善成像質量的方法並不可取。其次，在大瞳孔成像時人眼存在著複雜、動態變化的像差，採用增大照明光束數值孔徑來提高橫向解析度的方法也受到了制約。
[0003]視網膜成像方法很多，主要包括:眼底相機、檢眼鏡、螢光造影術、共焦掃描雷射檢眼鏡、和OCT成像儀等。在所有方法中，OCT技術是發展最快和最具應用前景的技術，並已有商用化的OCT儀器被應用於臨床實踐，成為醫生進行疾病診斷的有力工具。OCT技術利用低相干光幹涉原理進行縱向層析成像，能夠對生物組織的內部結構進行非侵入式的實時高分辨「光學切片」觀察。OCT技術分為時域和頻域0CT，頻域OCT又包括譜域和掃頻OCT技術，它們具有更高的探測靈敏度和更快的成像速度。隨著自適應光學(AO)技術被引入到人眼成像中來，如AO技術與OCT技術相結合形成的AO-OCT技術，才實現了視網膜的高解析度成像。但AO技術具有的高成本、長製作周期、大體積、和動態像差矯正導致的成像穩定性差等特點，制約了它的廣泛應用。
[0004]暗視場成像技術 是觀察半透明組織的有效方法，其獲得的圖像具有較高的對比度和很強的立體感，非常適合於視網膜成像。由於光路上所有的光學器件和角膜界面均存在著後向反射光信號、以及照明光束入射視網膜時存在著鏡面反射光信號，它們會形成很強的背景信號，從而佔用了探測器的動態範圍，使得樣品結構微小變化部分的光信號不能被探測到。而在暗視場成像時，可以把有用的暗視場光信號與照明光信號及其後向反射光信號相分離，而只探測來自樣品的暗視場光信號，就可實現探測器在低背景信號下的大動態範圍成像，從而可觀察到組織結構的微小變化和更深層的結構信息。現有的暗視場成像技術，大多採用中心擋光的方式來形成暗視場照明，和在探測端進行邊緣遮擋來濾除照明光束的後向反射光信號、而只接收處於中心區域的暗視場光信號。由於照明光束的能量分布大多為高斯型，其總能量的86.5%會分布在光束中心32%的區域內，可見中心遮擋會使系統的光能利用率極低。
[0005]軸錐鏡是實現暗視場照明的最佳器件。平行光束通過軸錐鏡後成為圓錐環帶光束，再繼續經過光學系統傳輸後可在入射樣品時成為環帶光束，形成暗視場照明，且無光束遮擋導致的能量損失問題。高斯光束在通過軸錐鏡後，能量較高的中心區域光線被轉換到環帶的外側，而能量較低的邊緣區域光線則被轉換到環帶的內側，這一反轉的能量分布比高斯光束更能充分利用照明物鏡的數值孔徑，再加上環帶照明方式本身具有的超分辨效果，就可在同等條件下獲得更高的橫向解析度。由於不同人眼、以及同一人眼在病變前後存在著很大的差異，要獲得每一觀察對象的最佳成像效果，要求照明環帶的大小和厚度必須可調，這是單一軸錐鏡系統無法實現的功能。而採用一對錐頂相對安裝的軸錐鏡對則能方便地實現上述功能:通過調節兩錐頂之間的距離可調節環帶的大小，而調節入射軸錐鏡對的光束大小則可調節環帶的厚度。
[0006]目前還未見視網膜暗視場層析成像技術的相關報導。鑑於OCT技術具有的獨特優點、和已經在眼科成像與診斷領域取得的巨大成就，暗視場高解析度OCT技術將為視網膜的實時活體成像提供一種最佳的手段。

【發明內容】

[0007]本發明技術解決問題:克服現有技術的不足，提供一種活體視網膜的暗視場高解析度實時OCT成像儀器，基於掃頻OCT技術來實現視網膜的縱向高分辨層析成像，採用一對錐頂相對安裝的軸錐鏡對來形成大小和厚度可連續調節的環帶照明光束，實現暗視場照明成像；本發明具有環帶照明連續可調，和圖像具有高解析度、高對比度、和強立體感的特點。
[0008]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
[0009]包括:掃頻光源、第一光纖耦合器、第一透鏡、第一可變光闌、第一軸錐鏡、第二軸錐鏡、第一平移臺、分光片、垂直掃描器、水平掃描器、第二透鏡、第三透鏡、第二可變光闌、第四透鏡、第五透鏡、第二平移臺、色散補償片、第六透鏡、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第二光纖耦合器、平衡探測器、第一單模光纖、第二單模光纖、第三單模光纖、第四單模光纖、第五單模光纖、第六單模光纖、第七單模光纖、函數發生卡、數據採集卡和計算機；
[0010]掃頻光源發出的光信號由第一單模光纖傳輸至第一光纖耦合器後被分成兩路，分別由第二和第三單模光纖傳輸至樣品臂和參考臂；在樣品臂中，從第二單模光纖輸出的光束，被第一透鏡準直和經過第一可變光闌後、平行入射固定在第一平移臺上的第一軸錐鏡；從第一軸錐鏡出射的光束為圓錐環帶光束，通過第二軸錐鏡後成為圓柱環帶光束；圓柱環帶光束依次經過分光片、垂直和水平掃描器、第二和第三透鏡後，被人眼屈光系統聚焦在視網膜上；被視網膜後向反射或散射的樣品光信號，沿原路返回至分光片時，部分樣品光信號被分光片反射；反射後的樣品光信號的邊緣部分被第二可變光闌遮擋，透過第二可變光闌的樣品光信號，被第四透鏡耦合進第四單模光纖中傳輸至第二光纖耦合器；
[0011]在參考臂中，從第三單模光纖輸出的參考光信號，被固定在第二平移臺上的第五透鏡準直、和經過色散補償片後，被第六透鏡耦合進第五單模光纖中傳輸至第二光纖耦合器，色散補償片用於補償樣品臂中各透射器件引起的色散；分別由第四和第五單模光纖傳輸的樣品光和參考光信號，經過第二光纖耦合器後各自分成兩路，並分別由第六和第七單模光纖傳輸至平衡探測器；第一和第二偏振控制器分別安裝在第四和第五單模光纖上，用於平衡樣品光和參考光之間的偏振態；
[0012]掃頻光源進行 波長掃描的同時發出採樣觸發信號，去控制數據採集卡同步採集由平衡探測器接收到的幹涉光譜信號；由函數發生卡提供的掃描驅動信號與掃頻光源發出的採樣觸發信號同步，分別控制垂直和水平掃描器進行掃描；數據採集卡採集到的信號傳輸至計算機進行處理。
[0013]所述的掃頻光源為近紅外波段寬光譜光源。
[0014]所述的第一和第二軸錐鏡為一對相同的軸錐鏡，它們的錐頂相對安裝；通過第一平移臺帶著第一軸錐鏡做軸向移動，可調節照明環帶的大小；通過調節第一可變光闌的孔徑，可調節照明環帶的厚度。
[0015]所述的分光片具有高於70/30的反射/透射比，從視網膜返回的樣品光信號中的大部分被分光片反射。
[0016]所述的第二透鏡的前焦點與第三透鏡的後焦點重合，二者構成一個擴束/縮束系統。
[0017]所述的第二可變光闌，用於遮擋從視網膜返回樣品光信號中對應照明環帶部分的光信號。
[0018]所述的第二平移臺帶著第五參考鏡移動，直至由視網膜返回的樣品光和從第三單模光纖來的參考光之間形成幹涉條紋。
[0019]所述的第二光纖稱合器具有50:50的分光比。
[0020]本發明與現有技術相比的有益效果是:
[0021](I)本發明首次提出了視網膜的暗視場OCT成像方式，能夠獲得高對比度和強立體感的視網膜圖像，實現用 簡單易行和低成本的方法解決視網膜成像效果不理想的難題。由於光路上所有的光學器件和角膜界面均存在著後向反射光信號、以及照明光束入射視網膜時存在著鏡面反射光信號，它們形成了很強的背景信號，佔用了探測器的動態範圍，使得視網膜結構微小變化的光信號不能被探測到。本發明採用可變光闌來濾除照明光束形成的背景信號，而只接收來自視網膜的暗視場光信號，從而釋放了探測器的動態範圍，使得視網膜結構的微小變化以及更深層結構的信息均能被探測到。
[0022](2)本發明提出的成像方式具有超分辨效果，在同等條件下可獲得更高橫向解析度的視網膜圖像，原因有:a、環帶光束照明方式本身就具有超分辨成像效果；b、軸錐鏡對使能量較高的中心區域光線轉換到環帶光束的外側，而能量較低的邊緣區域光線轉換到環帶光束的內側，這一反轉的能量分布比高斯光束更能充分利用照明物鏡的數值孔徑；C、接收樣品光信號的單模光纖的芯徑小於10 μ m，起著共焦針孔的作用，可濾除焦點區域之外的雜散光信號和環帶照明產生的旁瓣信號。
[0023](3)本發明採用軸錐鏡對來形成連續可調環帶照明光束，實現暗視場照明，克服了通常採用的中心遮擋方式導致的光能損失過大的問題。雖然採用對入射軸錐鏡對的光束進行邊緣遮擋來調節環帶照明光束的厚度，但入射軸錐鏡對的光束為高斯能量分布，其邊緣光線的能量極低，因此不會造成太大的光能損失。
[0024](4)本發明能便利地調節環帶照明光束的大小和厚度，從而滿足不同人眼、以及同一人眼在病變前後存在著極大差異時的成像要求，以獲得每一觀察對象的最佳成像效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的系統結構示意圖；
[0026]圖2是本發明的控制系統示意圖；
[0027]圖3是環帶照明光束形成原理與調節示意圖。[0028]圖中:1.掃頻光源,2.第一光纖1禹合器,3.第一透鏡,4.第一可變光闌，5-6.第一和第二軸錐鏡，7.第一平移臺，8.分光片，9-10.垂直和水平掃描器，11-12.第二和第三透鏡，13.人眼屈光系統，14.視網膜，15.第二可變光闌，16-17.第四和第五透鏡，18.第二平移臺，19.色散補償片，20.第六透鏡,21-22.第一和第二偏振控制器,23.第二光纖稱合器，24.平衡探測器，25-31.第一至第七單模光纖，32.函數發生卡，33.數據採集卡，34.計算機。
【具體實施方式】
[0029]本發明提出的連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀的系統結構如圖1所不，包括:掃頻光源1、第一光纖1禹合器2、第一透鏡3、第一可變光闌4、第一和第二軸錐鏡5-6、第一平移臺7、分光片8、垂直和水平掃描器9-10、第二和第三透鏡11-12、第二可變光闌15、第四和第五透鏡16-17、第二平移臺18、色散補償片19、第六透鏡20、第一和第二偏振控制器21-22、第二光纖耦合器23、平衡探測器24、第一至第七單模光纖25-31、函數發生卡32、數據採集卡33和計算機34。
[0030]掃頻光源I為近紅外波段寬光譜光源，由其發出的光信號由第一單模光纖25傳輸至第一光纖稱合器2後被分成兩路,分別由第二和第三單模光纖26-27傳輸至樣品臂和參考臂。
[0031]在樣品臂中，從第二單模光纖26輸出的光束，被第一透鏡3準直和經過第一可變光闌4後、平行入射固定在第一平移臺7上的第一軸錐鏡5 ;從第一軸錐鏡5出射的光束為圓錐環帶光束，通過第二軸錐鏡6後成為圓柱環帶光束；圓柱環帶光束依次經過分光片8、垂直和水平掃描器9-10、第二和第三透鏡11-12後，被人眼屈光系統13聚焦在視網膜14上。第一和第二軸錐鏡5-6為一對相同的軸錐鏡，它們的錐頂相對安裝；通過第一平移臺7帶著第一軸錐鏡5做軸向移動，可調節照明環帶的大小；通過調節第一可變光闌4的孔徑，可調節照明環帶的厚度。第二透鏡11的前焦點與第三透鏡12的後焦點重合，二者構成一個擴束/縮束系統。
[0032]被視網膜14後向反射或散射的樣品光信號，沿原路返回至分光片8。分光片8具有較高的反射/透射比，比如高於70/30，從而使從視網膜14返回的樣品光信號中的大部分被分光片8反射；反射後的樣品光信號的邊緣部分被第二可變光闌15遮擋，透過第二可變光闌15的樣品光信號，被第四透鏡16耦合進第四單模光纖28中傳輸至第二光纖耦合器23。第二可變光闌15用於遮擋從視網膜14返回樣品光信號中對應照明環帶部分的光信號。
[0033]在參考臂中，從第三單模光纖27輸出的參考光信號，被固定在第二平移臺18上的第五透鏡17準直、和經過色散補償片19後，被第六透鏡20耦合進第五單模光纖29中傳輸至第二光纖耦合器23。色散補償片19用於補償樣品臂中各透射器件引起的色散；第二光纖耦合器23具有50:50的分光比。
[0034]分別由第四和第五單模光纖28-29傳輸的樣品光信號和參考光信號,經過第二光纖耦合器23後各自分成兩路，並分別由第六和第七單模光纖30-31傳輸至平衡探測器24。第一和第二偏振控制器21-22分別安裝在第四和第五單模光纖28-29上，用於平衡樣品光和參考光之間的偏振態。第二平移臺18帶著第五參考鏡17移動，直至由視網膜14返回的樣品光信號和從第三單模光纖27來的參考光信號之間形成幹涉條紋。[0035]本發明的控制系統如圖2所示。掃頻光源I進行波長掃描的同時發出採樣觸發信號，去控制數據採集卡33同步採集由平衡探測器24接收到的幹涉光譜信號。由函數發生卡32提供的掃描驅動信號與掃頻光源I發出的採樣觸發信號同步，分別控制垂直和水平掃描器9-10進行掃描。數據採集卡33採集到的信號傳輸至計算機34進行處理。
[0036]圖3是用於說明環帶照明光束形成原理與調節的示意圖。第一和第二軸錐鏡5和6為一對相同的軸錐鏡，設它們的折射率為η、錐面底角為Θ、兩錐頂之間的距離為1，可變光闌4的孔徑為Cl1，這些參數均為已知。平行入射光束經過第一軸錐鏡5後形成圓錐環帶光束，其與光軸的夾角β，可根據Snell定律求得:β = sirT1 (nsin θ )-Θ。圓錐環帶光束經過第二軸錐鏡6後，就形成了圓柱環帶光束，其外徑d3與內徑d2，可根據幾何關係求得:
[0037]d3 = 2.I.sin β.cos Θ cos ( β + θ )
[0038]d2 = 2.I.tg β (1-tg θ.tg β ) -(I1
[0039]通過第一平移臺7帶著第一軸錐鏡5作軸向移動，可調節兩錐頂之間的距離1，從而可調節環帶的外徑d3，也即實現了環帶大小的調節；通過調節可變光闌4的孔徑Cl1，可調節環帶的內徑d2，從而實現了對環帶厚度的調節。人眼像差的存在，制約著成像系統的橫向解析度，但通過對環帶大小和厚度的調節，可方便地平衡人眼像差和橫向解析度的矛盾，以獲得最佳的成像效果。入射軸錐鏡對前的光束通常為高斯型能量分布，如左側的光強I分布所示。通過軸錐鏡對後，能量較高的中心區域光線被轉換到環帶的外側，而能量較低的邊緣區域光線則被轉換到環帶的內側，如右側的光強I分布所示。這一光線轉換的具體過程如下:把平行入射光束的中心部分標記為光線a，邊緣部分標記為光線b ;平行入射光束經過第一軸錐鏡5後形成圓錐環帶光束，光線a轉換為圓錐環帶光束外側的光線a'，光線b轉換為內側的光線b';圓錐環帶光束經過第二軸錐鏡6後形成圓柱環帶光束，光線a'轉換為圓柱環帶光束外側的光線a"，光線b'轉換為內側的光線b"。這一反轉的能量分布比高斯能量分布光束更能充分利用照明物鏡的數值孔徑，再加上環帶照明方式本身具有的超分辨效果，就可在同等條件下獲得更高`的橫向解析度。
[0040]上述【具體實施方式】用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制。在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀，其特徵在於:包括掃頻光源(I)、第一光纖稱合器(2)、第一透鏡(3)、第一可變光闌(4)、第一軸錐鏡(5)、第二軸錐鏡(5-6)、第一平移臺(7)、分光片(8)、垂直掃描器(9)、水平掃描器(10)、第二透鏡(11)、第三透鏡(12)、第二可變光闌(15)、第四透鏡(16)、第五透鏡(17)、第二平移臺(18)、色散補償片(19)、第六透鏡(20)、第一偏振控制器(21)、第二偏振控制器(22)、第二光纖稱合器(23)、平衡探測器(24)、第一單模光纖(25)、第二單模光纖(26)、第三單模光纖(27)、第四單模光纖(28)、第五單模光纖(29)、第六單模光纖(30)、第七單模光纖(31)、函數發生卡(32)、數據採集卡(33)和計算機(34)； 掃頻光源(I)發出的光信號由第一單模光纖(25)傳輸至第一光纖耦合器(2)後被分成兩路，分別由第二單模光纖(26)和第三單模光纖(27)傳輸至樣品臂和參考臂；在樣品臂中，從第二單模光纖(26)輸出的光束，被第一透鏡(3)準直和經過第一可變光闌(4)後平行入射固定在第一平移臺(7)上的第一軸錐鏡(5);從第一軸錐鏡(5)出射的光束為圓錐環帶光束，通過第二軸錐鏡(6)後成為圓柱環帶光束；圓柱環帶光束依次經過分光片(8)、垂直掃描器(9)、水平掃描器(10)、第二透鏡(11)和第三透鏡(12)後，被人眼屈光系統(13)聚焦在視網膜(14)上；被視網膜(14)後向反射或散射的樣品光信號，沿原路返回至分光片(8)時，部分樣品光信號被分光片(8)反射；反射後的樣品光信號的邊緣部分被第二可變光闌(15)遮擋，透過第二可變光闌(15)的樣品光信號，被第四透鏡(16)耦合進第四單模光纖(28)中傳輸至第二光纖耦合器(23)； 在參考臂中，從第三單模光纖(27)輸出的參考光信號，被固定在第二平移臺(18)上的第五透鏡(17)準直，然後 經過色散補償片(19)後，被第六透鏡(20)耦合進第五單模光纖(29)中傳輸至第二光纖耦合器(23)，色散補償片(19)用於補償樣品臂中各透射器件引起的色散；分別由第四單模光纖(28)、第五單模光纖(29)傳輸的樣品光和參考光信號，經過第二光纖耦合器(23)後各自分成兩路，並分別由第六單模光纖(30)和第七單模光纖(31)傳輸至平衡探測器(24);第一偏振控制器(21)和第二偏振控制器(22)分別安裝在第四單模光纖(28)、第五單模光纖(29)上,用於平衡樣品光和參考光之間的偏振態； 掃頻光源(I)進行波長掃描的同時發出採樣觸發信號，去控制數據採集卡(33)同步採集由平衡探測器(24)接收到的幹涉光譜信號；由函數發生卡(32)提供的掃描驅動信號與掃頻光源(I)發出的採樣觸發信號同步，分別控制垂直和水平掃描器(9-10)進行掃描；數據採集卡(33)採集到的信號傳輸至計算機(34)進行處理。
2.根據權利要求1所述的連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀，其特徵在於:所述的掃頻光源(I)為近紅外波段寬光譜光源。
3.根據權利要求1所述的連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀，其特徵在於:所述的第一和第二軸錐鏡(5-6)為一對相同的軸錐鏡，它們的錐頂相對安裝；通過第一平移臺(7)帶著第一軸錐鏡(5)做軸向移動，能夠調節照明環帶的大小；通過調節第一可變光闌(4)的孔徑，能夠調節照明環帶的厚度。
4.根據權利要求1所述的連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀，其特徵在於:所述的分光片(8)具有高於70/30的反射/透射比，從視網膜(14)返回的樣品光信號中的大部分被分光片(8)反射。
5.根據權利要求1所述的連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀，其特徵在於:所述的第二透鏡(11)的前焦點與第三透鏡(12)的後焦點重合，二者構成一個擴束/縮束系統。
6.根據權利要求1所述的連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀，其特徵在於:所述的第二可變光闌(15)，用於遮擋從視網膜(14)返回樣品光信號中對應照明環帶部分的光信號。
7.根據權利要求1所述的連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀，其特徵在於:所述的第二平移臺(18)帶著第五參考鏡(17)移動，直至由視網膜(14)返回的樣品光和從第三單模光纖(27)來的參考光之間形成幹涉條紋。
8.根據權利要求1所述的連續可調環帶照明視網膜暗視場光學相干層析成像儀，其特徵在於:所述的第二光纖稱合器(23)具`有50:50的分光比。
【文檔編號】A61B3/12GK103815867SQ201410066927
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2014年2月26日
【發明者】楊亞良, 張雨東, 饒學軍, 王成 申請人:中國科學院光電技術研究所