一種基於位相復用的全量程掃頻oct成像系統的製作方法

2023-09-19 07:35:50 5

專利名稱：一種基於位相復用的全量程掃頻oct成像系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學相干層析成像(OCT)技術和掃頻光學相干層析成像技術，尤其涉及一種基於位相復用的全量程掃頻OCT成像系統。
背景技術：
光學相干層析(Optical Coherence Tomography，簡稱OCT)成像技術是一種有前景的光學成像技術，能夠非侵入、非接觸、高解析度地對被測活體生物樣品組織內部的結構與生理功能進行在體成像，在疾病的早期診斷和在體活檢領域有著廣泛應用前景。掃頻光學相干層析系統屬於一種傅立葉域光學相干層析成像系統。傅立葉域光學相干層析系統有兩種實現形式，分別是基於寬帶光源和快速多通道光譜儀的譜域OCT系統，以及基於快速可調諧雷射器和點探測器的掃頻OCT系統。傅立葉域光學相干層析系統無需進行機械式軸向掃描，通過快速採集幹涉光譜信號，對幹涉光譜信號進行基於快速傅立葉變換的信號處理以獲得樣品的軸向深度信息，與時域OCT系統相比具有高速和高靈敏度的優點。但是傅立葉域光學相干層析成像也存在其固有缺點，在採集攜帶樣品深度信息的幹涉信號的同時，也採集到樣品各層之間的互幹涉信號、樣品各層本身的自相干幹涉信號、參考光本身的自相干幹涉信號等相干噪聲。並且由於採集到的是幹涉光譜信號的實部， 而不是複數幹涉光譜信號，對此實幹涉光譜信號進行快速傅立葉變換得到的結果是厄米共軛的，導致了在圖像中產生了疊加在樣品實際像上關於零光程位置完全對稱的共軛鏡像。為了避免傅立葉域光學相干層析圖像中的共軛鏡像等相干噪聲與樣品像重疊，通常需要調節樣品臂和參考臂之間的光程差使零光程面移到被測樣品表面以外，這樣可以使實際像和共軛像在圖像上不重疊，但由於零光程面附近的條紋可見度最高，即圖像靈敏度最高，對光源中各個光譜成分引入同樣的光程差，導致樣品圖像信噪比隨著遠離零光程面而迅速下降。採用移開零光程面的辦法導致高靈敏度的圖像區域無法得到利用，並且由於零光程面位於樣品之外，導致了傅立葉域光學相干層析系統的成像深度僅僅利用了一半。 消除傅立葉域OCT的共軛像鏡，可以更好的利用零光程附近的高靈敏度區域，並且使成像深度拓展一倍，國外很多科研機構都開展了這方面的研究。MWojtkowski等人提出利用壓電陶瓷驅動器步進參考臂中的反射鏡的方法即移相法，加州大學Irving分校的Zhongping Chen小組提出採用電光相位調製器的方法，杜克大學Izatt小組提出採用3 X 3光纖耦合器的方法，通過在相鄰的軸向幹涉光譜信號間引入固定的附加相位，採用複數幹涉光譜恢復算法重建出幹涉光譜信號的複數形式，再進行傅立葉逆變換，從而消除復共軛像。美國哈佛大學醫學院G J. Tearney小組提出採用聲光移頻器對幹涉光譜信號進行載頻的方法和偏振編碼的方法去除復共軛像。Hofer等人提出採用色散材料提供色散並且用複雜的迭代算法消除復共軛像的方法，S. Witte等人對也採用色散材料進行色散編碼並提出簡化的消除尖峰算法去除復共軛像。羅切斯特大學的J. P. Rolland等人提出利用雙平衡探測器分別探測存在90度相位差的兩路幹涉信號用以構建複數幹涉光譜信號從而消除復共軛鏡像。 上述這些方法，都存在其固有缺點，如利用壓電陶瓷驅動器進行多步移相方法需要對同一個位置進行多次測量，降低了成像速度，且對相位的穩定性要求高，容易受到各種環境擾動對相位的影響；利用電光相位調製器和聲光移頻器的方法需要引入比較複雜且昂貴的儀器設備，且對系統數據採集速度提出了苛刻的要求；利用3X3光纖耦合器的方法容易受到溫度對耦合係數的影響而造成恢復複數幹涉光譜的不準確，影響整體的復共軛抑制率；現有提出的利用色散的消鏡像方法需要依賴複雜的迭代算法，對算法的簡化也降低了復共軛抑制率；利用雙平衡探測的方法增加了系統複雜度，且引入的相位差對環境穩定性有較高的要求，不適用於光纖型系統。因此有必要研究易於實現、且復共軛抑制率高的消鏡像方法。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種基於位相復用的全量程掃頻OCT成像方法及系統。在掃頻OCT成像系統的參考臂中設置電光調製器，通過幹涉光譜位相復用採集來消除圖像中的共軛鏡像，獲得高靈敏度區域的全量程OCT圖像。本實用新型的目的是通過如下技術方案實現的一、一種基於位相復用的全量程掃頻OCT成像方法在掃頻光學相干層析成像系統的參考臂中設置電光調製器，在參考光中引入附加相位，實現幹涉光譜信號的高速相位調製；通過數據採集卡與電光調製器之間的同步觸發， 使相鄰幹涉光譜採樣點之間存在預設的相位變化，實現單次掃頻周期內幹涉光譜的位相復用採集；將採集到的幹涉光譜數據按其所對應的附加相位進行分組，得到若干組對應於同一附加相位的幹涉光譜數據子集，然後分別將每組時間域採集的對應於同一附加相位的幹涉光譜數據子集映射到預設等波數間隔坐標的波數空間，即利用這些等波數間隔分布的相移幹涉光譜數據子集構建復幹涉光譜數據；根據復幹涉光譜數據，重建感興趣深度區域的高靈敏度全量程掃頻OCT成像；該方法的具體步驟如下1)調節函數發生器，產生一路相位調製驅動信號，輸入到參考臂中的電光調製器， 對參考光引入附加相位，參考光與樣品光匯合之後形成的幹涉光譜的相位即受此附加相位調製；2)設置系統各部分硬體同步工作，使掃頻光源輸出的觸發信號同時觸發函數發生器產生波形和數據採集卡採集數據，並且數據採集卡採集頻率設置為函數發生器產生的相位調製信號頻率的3 5倍，使採集到的相鄰數據點之間存在預設的相位變化；3)由數據採集卡採集到的幹涉光譜信號，由於相鄰數據點間具有預設的附加相位變化，將具有同一附加相位的數據點分為一組，可形成3 5組對應於不同附加相位的幹涉光譜數據子集，分別將每組時間域採集的對應於同一附加相位的幹涉光譜數據子集映射到預設等波數間隔坐標的波數空間，利用這些等波數間隔分布的相移幹涉光譜信號子集構建復幹涉光譜信號，重建感興趣區域的高靈敏度全量程掃頻OCT成像。二、一種基於位相復用的全量程掃頻OCT成像系統包括光源、寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和OCT幹涉光譜信號探測裝置，從光源發出的低相干光進入寬帶光纖耦合器，經分光後分別進入參考臂和樣品臂，產生的幹涉光譜信號進入OCT幹涉光譜信號探測裝置進行採集；其特徵在於所述光源為掃描光源發出的低相干光，進入第一寬帶光纖耦合器的第一端；第一寬帶光纖耦合器的第二端的光經過樣品臂環行器投射在樣品上；第一寬帶光纖耦合器的第三端的光進入參考臂的電光相位調製器，在第二寬帶光纖耦合器與經樣品臂返回的樣品光匯合後形成OCT幹涉光譜信號， 通過第二寬帶光纖耦合器第三端和第四端經平衡探測器進行探測，最後經計算機中的數據採集卡進行採集；掃描光源輸出的觸發信號分為兩路，一路與函數發生器連接，產生相位調製信號與電光調製器連接，實現對參考光引入附加相位；另一路直接與數據採集卡進行連接，用於採集幹涉光譜數據；數據採集卡採集到的數據輸入給計算機進行數據處理和圖像重建；數據採集卡產生一路振鏡驅動信號與樣品臂掃描振鏡連接，實現對樣品的橫向掃描。 所述的樣品臂包括樣品臂環行器，樣品臂準直鏡，樣品臂掃描振鏡和樣品7臂聚焦透鏡；第一寬帶光纖耦合器的第二端的光經過樣品臂環行器，樣品臂準直鏡，樣品臂掃描振鏡，樣品臂聚焦透鏡投射在樣品上，反射光原路返回至第二寬帶光纖耦合器。與背景技術相比，本實用新型具有的有益效果是1、通過在一個掃頻周期中引入不同的附加相位實現幹涉光譜信號的位相復用採集。與多步移相的方法相比，無需在同一個橫向掃描位置處停留幾個軸向掃描的時間，在一個橫向位置實現單次掃頻周期內幹涉光譜的位相復用採集，就可以重建高靈敏度區域的無鏡像圖像，成像速度快。2、本方法採用在一個掃頻周期內引入不同附加相位的方案。由於軸向掃描的時間周期很短，相對於多步移相方法需要在不同掃頻周期之間引入不同附加相位的方法，本方法的各個幹涉光譜信號子集之間的位相穩定性較高，復共軛抑制比較高，可實現高復共軛抑制比的無鏡像成像。3、通過電光調製器可以弓丨入與各個光譜成分對應的準確的附加相位。相比於步進參考平面鏡引入附加相位的方法，可以具有匹配由於各個光譜成分移相量不準導致的移相色差的能力，實現無色散的移相，進一步提高復共軛抑制比，確保高速、高靈敏度全量程成像。

圖1是本實用新型的掃頻光學相干層析成像系統示意圖；圖2是本實用新型的基於階梯波調製位相復用方法採集的幹涉光譜信號示意圖；圖中1、掃頻光源，2、寬帶光纖耦合器，3、樣品臂環行器，4、樣品臂準直鏡，5、樣品臂掃描振鏡，6、樣品臂聚焦透鏡，7、樣品，8、電光調製器，9、平衡探測器，10、計算機，11、數據採集卡，12、函數發生器。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。如圖1所示，本實用新型包括光源、寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和OCT幹涉光譜信號探測裝置，從光源發出的低相干光進入寬帶光纖耦合器，經分光後分別進入參考臂和樣品臂，產生的幹涉光譜信號進入OCT幹涉光譜信號探測裝置進行採集；所述光源為掃描光源1發出的低相干光，進入第一寬帶光纖耦合器2的第一端；第一寬帶光纖耦合器2 的第二端的光經過樣品臂環行器3投射在樣品7上；第一寬帶光纖耦合器2的第三端的光進入參考臂的電光相位調製器8，在第二寬帶光纖耦合器2與經樣品臂返回的樣品光匯合後形成OCT幹涉光譜信號，通過第二寬帶光纖耦合器2第三端和第四端經平衡探測器9進行探測，最後經計算機10中的數據採集卡11進行採集；掃描光源1輸出的觸發信號分為兩路，一路與函數發生器12連接，產生相位調製信號與電光調製器8連接，實現對參考光引入附加相位；另一路直接與數據採集卡11進行連接，用於採集幹涉光譜數據；數據採集卡11採集到的數據輸入給計算機10進行數據處理和圖像重建；數據採集卡11產生一路振鏡驅動信號與樣品臂掃描振鏡5連接，實現對樣品的橫向掃描。圖中，電光調製器8採用 Uniphase公司生產的高速寬帶電光相位調製器，能夠通過輸入其中的電壓對參考光信號引入一個附加相位，與樣品光匯合後能夠實現幹涉光譜信號的相位調製；圖中連線規定為 帶箭頭的折線為電信號連接，不帶箭頭的曲線為光纖連接。所述的樣品臂包括樣品臂環行器3，樣品臂準直鏡4，樣品臂掃描振鏡5和樣品臂聚焦透鏡6 ；第一寬帶光纖耦合器的第二端的光經過樣品臂環行器3，樣品臂準直鏡4，樣品臂掃描振鏡5，樣品臂聚焦透鏡6投射在樣品7上，反射光原路返回至第二寬帶光纖耦合器。圖2所示為本實用新型的基於階梯波調製位相復用方法採集的幹涉光譜信號示意圖。下面對圖2中的曲線進行說明。
權利要求1.一種基於位相復用的全量程掃頻OCT成像系統，包括光源、寬帶光纖耦合器、樣品臂、參考臂和OCT幹涉光譜信號探測裝置，從光源發出的低相干光進入寬帶光纖耦合器，經分光後分別進入參考臂和樣品臂，產生的幹涉光譜信號進入OCT幹涉光譜信號探測裝置進行採集；其特徵在於所述光源為掃描光源(1)發出的低相干光，進入第一寬帶光纖耦合器的第一端；第一寬帶光纖耦合器的第二端的光經過樣品臂環行器C3)投射在樣品(7)上； 第一寬帶光纖耦合器的第三端的光進入參考臂的電光相位調製器(8)，在第二寬帶光纖耦合器與經樣品臂返回的樣品光匯合後形成OCT幹涉光譜信號，通過第二寬帶光纖耦合器第三端和第四端經平衡探測器(9)進行探測，最後經計算機(10)中的數據採集卡(11)進行採集；掃描光源(1)輸出的觸發信號分為兩路，一路與函數發生器(1 連接，產生相位調製信號與電光調製器(8)連接，實現對參考光引入附加相位；另一路直接與數據採集卡(11) 進行連接，用於採集幹涉光譜數據；數據採集卡(11)採集到的數據輸入給計算機(10)進行數據處理和圖像重建；數據採集卡(11)產生一路振鏡驅動信號與樣品臂掃描振鏡(5)連接，實現對樣品的橫向掃描。
2.根據權利要求1所述的一種基於位相復用的全量程掃頻OCT成像系統，其特徵在於 所述的樣品臂包括樣品臂環行器(3)，樣品臂準直鏡G)，樣品臂掃描振鏡(5)和樣品臂聚焦透鏡(6)；第一寬帶光纖耦合器的第二端的光經過樣品臂環行器(3)，樣品臂準直鏡0)， 樣品臂掃描振鏡(5)，樣品臂聚焦透鏡(6)投射在樣品(7)上，反射光原路返回至第二寬帶光纖耦合器。
專利摘要本實用新型公開了一種基於位相復用的全量程掃頻OCT成像系統。在掃頻OCT系統的參考臂中設置電光調製器，實現幹涉光譜的高速相位調製。通過數據採集卡與電光調製器間的觸發同步，使採集到的幹涉光譜相鄰採樣點之間保持預設的相位變化，實現單次掃頻周期內幹涉光譜的位相復用採集，將採集到的幹涉光譜數據採樣點按其所對應的附加相位進行分組，然後分別映射到對應同一等間隔採樣點的波數空間，形成波數空間的相移幹涉光譜數據子集。利用相移幹涉光譜數據子集可構建復幹涉光譜數據，重建全量程掃頻OCT圖像。基於電光調製的單次掃頻周期內幹涉光譜的位相調製與復用，相移速度快、精度高，鏡像抑制率高，可實現感興趣深度區域的高靈敏度成像。
文檔編號A61B5/00GK202096197SQ201120175108
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月26日 優先權日2011年5月26日
發明者丁志華, 吳彤, 王保勇, 王川, 陳明惠, 黃良敏 申請人:浙江大學