微流控晶片立體流場流速矢量的測量方法及系統的製作方法

2023-10-05 01:11:59 1

專利名稱：微流控晶片立體流場流速矢量的測量方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及譜域光學相干層析成像(SD-OCT)和都卜勒技術，尤其是涉及一種微流控晶片立體流場流速矢量的測量方法及系統。

背景技術：
微流控晶片是現代分析科學的前沿技術，是微全分析系統(uTAS)的主要研究方向，將對生命科學、環境科學、醫學和化學等領域帶來革命性的影響。自從1995年加州大學伯克利分校在微流控晶片上實現高速DNA測序以來，它已經成功應用於胺基酸、蛋白質、細胞、藥物、微量元素的檢測，顯示出了巨大的應用潛力。
微流控晶片流場的精確控制是微流控晶片設計的關鍵。現行的設計算法中所能包含的模擬參數非常有限，而空間受限通道中的微流體由於受到表面效應、靜電效應、化學效應、細胞動力學效應、非均勻邊界介質等諸多因數的影響，實際的流場與理論模型會有一定的差距。因此，發展相應的測量方法是十分必要的。目前用於流體動態觀測的方法主要是粒子成像測速技術，精度和可靠性受成像CCD解析度的制約。傳統的成像技術如都卜勒US、功能MRI等，空間解析度都比較低。由於缺乏觀測微流控晶片中流體運動特性的有效手段，目前微流控晶片應用水平已領先於對微流控晶片中流體流動機理的認識，這種狀況的持續將制約微流控晶片技術的進一步發展。而發展中的光學都卜勒層析成像(Optical Doppler Tomography，ODT)技術則是潛在的流場速度測量手段。
譜域光學相干層析成像(Spectral-Domain Optical Coherence Tomography，簡稱SD-OCT)是一種目前處於熱點研究中的光學成像技術，相對於傳統的臨床成像手段來說，具有解析度高、成像速度快、無輻射損傷、價格適中、結構緊湊等優點，是基礎醫學研究和臨床診斷應用的重要潛在工具。特別是譜域OCT通過增加幹涉光譜的並行探測維度來實現深度信息的即時提取，成像速度得到極大地提高。基於都卜勒效應和光學相干層析成像技術的ODT能夠實現三維空間高分辨的速度成像要求，而基於相位分辨技術的ODT方法則能夠滿足高速度高靈敏度的測量要求。但將現行ODT技術拓展為大範圍立體流場矢量速度的快速測量，仍是一個需要面對的技術挑戰。目前的矢量速度測量主要依據血管網的空間取向來實施，空間解析度不高，也無法移植到微流控晶片流場的測量中。最近Yeh-Chan Ahn等人提出的基於三層光學延遲片的矢量速度測量方法，則犧牲了太多的成像深度，這對譜域OCT來說是一大制約因素。


發明內容
本發明的目的在於提供一種微流控晶片立體流場流速矢量的測量方法及系統，通過插入適當形式的窄帶相位片，提取窄帶方向的都卜勒展寬，解決了都卜勒信息在不同探測光方向上的編碼問題，從而實現三維空間的速度矢量的測量。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的 一、一種實現微流控晶片立體流場流速矢量測量的方法 在光學相干層析系統成像探頭的準直鏡和聚焦透鏡之間插入窄帶相位片，獲取窄帶方向的都卜勒展寬，解決了都卜勒信息在不同探測光方向上的編碼問題，從而實現三維空間的速度矢量的測量，具體步驟如下 1)從光纖耦合器樣品臂埠發出的光先由準直鏡準直，然後通過窄帶相位片，此時光分為兩部分，一部分因為經過了窄帶相位片而產生一定的光程差，再由探測物鏡聚焦於樣品，另一部分直接由探測物鏡聚焦於樣品； 2)從樣品返回的反射光和散射光經由探測物鏡收集，再次通過窄帶相位片和準直鏡，然後返回光纖耦合器，與來自參考臂的參考光匯合併發生幹涉；此時根據光程差的不同會形成三幅都卜勒OCT流場的都卜勒展寬圖像，分別對應探測光兩次通過、只有一次通過和沒有通過窄帶相位片的情況；最後結合都卜勒頻移圖像，確定都卜勒夾角α，方向角φ和流速V大小，即三維空間的速度矢量。
都卜勒夾角α和流速V大小由都卜勒頻移fd和都卜勒展寬fb得到 V＝λfd/2cosα(2) NAeff為探測光束的有效數值孔徑，b為非速度因素導致的都卜勒展寬常數，λ為光源的中心波長。
根據公式(1)、(2)不能確定流速V投影在與光軸垂直面上分量的方向角φ，因而不能確定一個未知的空間速度矢量；但在測量物鏡的前面加入窄帶相位片後，因為光程差的不同會形成三幅都卜勒OCT流場的都卜勒展寬圖像，其中對應探測光進入並返回兩次通過窄帶相位片的圖像得到窄帶相位片方向上的都卜勒展寬BX，而窄帶方向是事先設定的；對應於光只有一次通過和沒有通過窄帶相位片的兩幅都卜勒展寬圖像得到流速V投影在與光軸垂直面上的速度分量V⊥對應的都卜勒展寬B⊥； 由此得到方向角φ φ＝cos-1(BX/B⊥)(3) 二、一種實現微流控晶片立體流場流速矢量測量的系統 包括光纖幹涉儀、成像探頭和探測單元，其特徵在於所述的成像探頭依次由準直鏡、窄帶相位片、振鏡和聚焦透鏡依光路組合而成；通過成像探頭內部的振鏡在X方向上的轉動實現成像探頭在X方向上的掃描成像；通過成像探頭外部的精密步進電機驅動實現成像探頭在Y方向上的掃描成像，由此重建三維的OCT圖像。
本發明的原理為準直光束經窄帶相位片後，由振鏡反射，再由探測物鏡聚焦於樣品，樣品返回的光束又一次經過窄帶相位片，與參考光在光程匹配處發生幹涉。幹涉圖案因窄帶相位片的加入而發生變化，最終形成三組幹涉數據。提取窄帶方向對應的幹涉數據得到設定方向的速度分量，再結合都卜勒頻移法得到的縱向速度分量和都卜勒展寬法得到的橫向速度分量，確定了三維空間的速度矢量。
與背景技術相比，本發明具有的有益效果是 1)該方法簡單易行，成本低廉。只需在常規OCT樣品臂的準直鏡和探測物鏡之間插入合適的窄帶相位片，即可得到對應三種不同光程差的幹涉數據。採用成熟的玻璃加工技術和薄膜技術製作窄帶相位片，可以得到很高的精度和較低的成本。
2)該方法可以適用於光纖型的OCT系統，且犧牲了較少的成像深度，幾乎是現有的矢量測速OCT系統犧牲成像深度的一半。這是在譜域OCT中實施矢量速度測量的重要優勢。
3)能實現對微流控晶片立體流場的高解析度、高速度、高靈敏度的速度矢量成像。解析度為2-10微米，單點的成像速度為幾十KHz，靈敏度100dB左右。
4)初步實驗表明，通過上述方法可以實現測量精度高達95％的矢量速度測量。
本發明是一種經濟簡易的新型矢量測速技術，可促進實現OCT系統在臨床醫學上的進一步推廣。



圖1是本發明的譜域OCT矢量測速系統結構示意圖。
圖2是本發明的譜域OCT矢量測速系統的成像探頭結構示意圖。
圖3是本發明的利用窄帶相位片測矢量速度的原理圖。
圖中1、光纖幹涉儀，2、成像探頭，3、探測單元，4、寬帶光源，5、偏振控制器，6、隔離器，7、寬帶光纖耦合器，8、第二準直鏡，9、衍射光柵，10、雙膠合透鏡，11、快速線陣CCD，12、第一準直鏡，13、色散補償器，14、中性濾波片，15、反射鏡，16、第三準直鏡，17、窄帶相位片，18、振鏡，19、聚焦透鏡，20、微流控晶片(樣品)，21、精密步進電機
具體實施例方式 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
圖1所示為譜域OCT矢量測速系統結構示意圖，寬帶光源4發出的低相干光，經第一偏振控制器5和隔離器6後，進入寬帶光纖耦合器7，分光後分別經第二、第三偏振控制器5進入參考臂和樣品臂。從參考臂光纖出來的光經第一準直鏡12準直後，通過色散補償器13和中性濾光片14後入射到反射鏡15即參考面上，色散補償器13和中性濾光片14的作用分別是為了匹配兩個臂之間的色散和光強，以確保最佳成像質量，從反射鏡15返回的參考光再由原光路耦合回參考臂的光纖，返回寬帶光纖耦合器7。樣品臂的光被引入成像探頭2，入射到微流控晶片20，晶片的上表層是對光透射的。精密步進電機21帶動成像探頭實現在Y方向上的掃描。由微流控晶片20返回的光再由原光路耦合回樣品臂的光纖，在寬帶光纖耦合器7處與參考光匯合併發生幹涉，產生的幹涉信號經第四偏振控制器5進入探測單元3，從光纖出來的光經第二準直鏡8後入射到衍射光柵9，經衍射分光後不同波長的光再通過雙膠合消色差透鏡10聚焦在快速線陣CCD 11的不同像素上，被快速線陣CCD 11探測，由不同波長得到的信息即可實現樣品深度方向即Z方向的掃描。
圖2所示為譜域OCT矢量測速系統的成像探頭結構示意圖，引入成像探頭2的光，先由第三準直鏡16準直後入射到窄帶相位片17，這時光束根據相位的不同分成了兩部分，即經過窄帶相位片後的光和沒有經過窄帶相位片的光。隨後光束又被在X方向振動的振鏡18反射，由聚焦透鏡19聚焦於微流控晶片20。經微流控晶片20反射和散射後的光由聚焦透鏡19收集，再經過振鏡18後，入射到窄帶相位片17，這時光束根據通過窄帶相位片的次數分成三部分光束，即沒有通過窄帶相位片，一次通過窄帶相位片和兩次通過窄帶相位片。這三部分光束經過準直鏡耦合回到光纖幹涉儀，然後在光程匹配處與來自參考臂的參考光匯合併發生幹涉。
如圖3所示，根據光程差的不同會得到三組數據，形成三組流場的結構圖像、都卜勒頻移圖像和都卜勒展寬圖像。其中一組都卜勒展寬圖像對應於探測光兩次通過窄帶相位片17，另外兩組都卜勒展寬圖像分別對應於探測光只有一次通過和沒有通過窄帶相位片17的情況。再結合各自對應的都卜勒頻移圖像，得到都卜勒夾角α，方向角φ和流速V大小，即三維空間的速度矢量。
根據都卜勒展寬圖像對應的數據計算得到 再根據都卜勒頻移圖像對應的數據計算得到 Vcosα＝λfd/2 (2) 綜合公式(1)和公式(2)得到 V＝λfd/2cosα (4) 對應於探測光兩次通過窄帶相位片的圖像可得到窄帶相位方向上即與速度分量VX對應的都卜勒展寬BX；另外兩幅圖像對應於光只有一次通過和沒有通過窄帶相位片的情況，這兩幅都卜勒展寬圖像的測量結果則可得到流速V投影在與光軸垂直面上的速度分量V⊥對應的都卜勒展寬B⊥。
由此可以得到方向角φ φ＝cos-1(BX/B⊥)(5) 理論和初步實驗表明上述方法和系統可以實現測量精度高達95％的矢量速度測量。
權利要求
1、一種微流控晶片立體流場流速矢量的測量方法，其特徵在於在光學相干層析系統成像探頭的準直鏡和聚焦透鏡之間插入窄帶相位片，獲取窄帶方向的都卜勒展寬，解決了都卜勒信息在不同探測光方向上的編碼問題，從而實現三維空間的速度矢量的測量，具體步驟如下
1)從光纖耦合器樣品臂埠發出的光先由準直鏡準直，然後通過窄帶相位片，此時光分為兩部分，一部分因為經過了窄帶相位片而產生一定的光程差，再由探測物鏡聚焦於樣品，另一部分直接由探測物鏡聚焦於樣品；
2)從樣品返回的反射光和散射光經由探測物鏡收集，再次通過窄帶相位片和準直鏡，然後返回光纖耦合器，與來自參考臂的參考光匯合併發生幹涉；此時根據光程差的不同會形成三幅都卜勒OCT流場的都卜勒展寬圖像，分別對應探測光兩次通過、只有一次通過和沒有通過窄帶相位片的情況；最後結合都卜勒頻移圖像，確定都卜勒夾角α，方向角φ和流速V大小，即三維空間的速度矢量。
2、根據權利要求1所述的一種實現微流控晶片立體流場流速矢量測量的方法，其特徵在於都卜勒夾角α和流速V大小由都卜勒頻移fd和都卜勒展寬fb得到
V＝λfd/2cosα (2)
NAeff為探測光束的有效數值孔徑，b為非速度因素導致的都卜勒展寬常數，λ為光源的中心波長。
3、根據權利要求1所述的一種實現微流控晶片立體流場流速矢量測量的方法，其特徵在於根據公式(1)、(2)不能確定流速V投影在與光軸垂直面上分量的方向角φ，因而不能確定一個未知的空間速度矢量；但在測量物鏡的前面加入窄帶相位片後，因為光程差的不同會形成三幅都卜勒OCT流場的都卜勒展寬圖像，其中對應探測光進入並返回兩次通過窄帶相位片的圖像得到窄帶相位片方向上的都卜勒展寬BX，而窄帶方向是事先設定的；對應於光只有一次通過和沒有通過窄帶相位片的兩幅都卜勒展寬圖像得到流速V投影在與光軸垂直面上的速度分量V⊥對應的都卜勒展寬B⊥；
由此得到方向角φ
φ＝cos-1(BX/B⊥)(3)
4、如權利要求1所述的一種實現微流控晶片立體流場流速矢量測量方法的系統，包括光纖幹涉儀、成像探頭和探測單元，其特徵在於所述的成像探頭依次由準直鏡、窄帶相位片、振鏡和聚焦透鏡依光路組合而成；通過成像探頭內部的振鏡在X方向上的轉動實現成像探頭在X方向上的掃描成像；通過成像探頭外部的精密步進電機驅動實現成像探頭在Y方向上的掃描成像，由此重建三維的OCT圖像。
全文摘要
本發明公開了微流控晶片立體流場流速矢量的測量方法及系統。將譜域光學相干層析技術(SD-OCT)和都卜勒效應相結合，並在此基礎上運用窄帶相位片。譜域OCT通過幹涉光譜的並行探測來實現對微流控晶片流場深度信息的提取，成像速度較常規的時域OCT大為提高。綜合利用都卜勒頻移和都卜勒展寬，並在成像探頭的準直鏡和聚焦透鏡之間插入窄帶相位片，實施都卜勒信息的空間編碼，實現空間高分辨三維速度矢量的成像要求，再結合基於相位分辨技術的都卜勒OCT方法則能夠滿足高速度高靈敏度的測量要求，最終實現對微流控晶片立體流場的高解析度、高速度、高靈敏度、大成像範圍的速度矢量成像。
文檔編號G01P5/00GK101334421SQ200810063438
公開日2008年12月31日 申請日期2008年8月5日 優先權日2008年8月5日
發明者丁志華, 瑛 朱, 婕 孟 申請人:浙江大學