用於使用頻域幹涉測量法進行光學成像的方法和設備的製作方法

2023-10-04 11:25:19

專利名稱：用於使用頻域幹涉測量法進行光學成像的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及光學成像，且更具體地，涉及用於使用頻域幹涉測量法進行光學成像的方法和設備。
背景技術：
如本領域中所公知的，光學幹涉測量反射測量法是一種有力的工具，其用於進行非入侵的、高解析度ΓΙΟ μ m)的生物學或其它樣品的橫截面成像，以使諸如反射、吸收、散射、衰減、雙折射和光譜分析的微結構的光學特性可視化。存在許多本領域中公知的幹涉測量成像技術。這些技術總體而言可劃分為兩個主要類別:(i)時域技術，和(ii)頻域技術。低相干幹涉測量法(「LCI」)是時域技術之一。此技術使用掃描系統來改變參考臂長度並且在檢測器處採集幹涉信號。然後，對條紋圖案解調以獲得源互相關函數的相干包絡。光學相干層析成像法(「0CT」)是一種用於使用LCI獲得二或三維圖像的技術。OCT在授予Swanson等人的美國專利N0.5，321，501中描述。已描述了 OCT技術的多個變形,但很多遭遇小於最佳的信噪比(「SNR」)，導致非最佳的解析度、低成像幀速率和不良的穿透深度。功率使用是這種成像技術中的一個因素。例如在眼科應用中，在熱損壞可發生前，只有特定毫瓦數的功率是可容忍的。因此，在這樣的環境中增加SNR，提升功率是不可行的。儘管如此，將值得期望的是，有一種具有優良的SNR而顯著增加功率需求的成像方法。

不足的SNR亦可阻止以高的幀速率使用OCT技術，高的幀速率對於避免運動假象和克服例如可用於活體內血管成像的短測量時間窗是重要的。因此，期望一種改善SNR和成像速度(例如幀速率)的方法。光譜幹涉法或光譜雷達是頻域成像技術之一。在光譜雷達中，樣品和參考臂光的交叉譜密度的實部用光譜儀測量。深度分布信息可以依據交叉譜密度調製來編碼。前面已描述了用來增加LCI和OCT的SNR的光譜雷達概念的使用。此技術使用具有大數目的像素(1，000的量級)的電荷耦合器件(「CXD」)以達到毫米量級的掃描範圍。CXD器件的快速讀出使得高速成像成為可能。然而，存在許多與使用CCD器件相關聯的缺點。首先，與單元件光電接收器相比，CCD器件相對昂貴。其次，前面描述的方法使用單個CCD來採集數據。由於電荷存儲容量是有限的，所以需要將參考臂功率減小到大約與樣品臂功率相同的水平，引起了樣品臂光上的自相關噪聲。另外，由於沒有生成載流子，所以在此系統中的噪聲中，Ι/f噪聲將起支配作用。第三，即使以現有CCD技術的短的積分時間，幹涉計中的相位不穩定性仍減小交叉譜密度調製的條紋可見度。此缺陷使得該技術易受運動假象的影響。
相干的頻率調製的連續波反射測量法(C-FWCW)是本領域中公知的另一頻域技術。授予Swanson等人的美國專利N0.5，956，355和6，160，826描述了使用此技術的光學成像方法和設備。前面描述的成像方法基於使用連續調諧的單頻雷射器作為光源。要求調諧波長範圍為幾十個納米以實現小於100微米的測距分辯率(ranging resolution)。雷射器的瞬時線寬必須小於約0.1nm以實現1.0mm量級的檢測範圍。調諧速率應大於IOkHz以便高速(例如視頻速率)成像。雖然外腔式半導體雷射器可以配置成在幾十個納米上實現無跳模的單頻調諧，但調諧速率由於機械穩定性的嚴格要求而已小於1Hz。克服此速度困難的方法是優選的。 因此，將值得期望的是，提供一種克服傳統LCI和OCT的源可用性和掃描速度缺陷的系統和方法。

發明內容
根據本發明示例性的實施例，一種示例性的光學頻域成像(「0FDI」)系統可包括多頻率模(或多縱向或軸向模)波長掃描雷射源(wavelength-swept laser sourse),其光稱合到包含所研究的樣品的幹涉計。該系統可進一步包括配置成產生從樣品反射的光和參考光之間的正交的幹涉測量信號的裝置以及設置成接收所述幹涉測量信號的檢測器。利用這樣的示例性的特定裝置，可以提供一種OFDI系統，該系統可以以與傳統系統的源功率相比相對低的源功率來操作，並且/或者該系統以與傳統系統的採集速率相比相對高的採集速率來操作。掃描源的使用導致具有減小的散粒噪聲和其它形式的噪聲的成像系統，其允許比傳統系統低得多的源功率或高得多的採集速率。這可導致增加的檢測靈敏度，從而導致提供實時成像的能力。這樣的成像速度可幫助胃腸、眼科和動脈成像領域中的從業者，在這些成像領域中，運動假象是持續的問題。通過增加幀速率同時維持或改善信噪比，這樣的假象可被最小化或在一些情況下被消除。本發明的示例性的實施例亦可利用OFDI實現對組織的大面積的篩選並且允許實現臨床上可行的篩選協議的使用。在本發明的一個示例性的實施例中，可以提供波長掃描雷射器，其可以在雷射腔中使用光學帶通掃描濾波器來產生迅速掃描的多頻率模式輸出。通過在雷射腔中使用光學帶通掃描濾波器，不必要調諧雷射腔長度以提供雷射光譜的同步調諧。換言之，不需要以與雷射器的中心波長相同的速率來調諧雷射器的縱腔模。在本發明的另一示例性的實施例中，檢測器可以是雙平衡接收器，其設置成接受幹涉測量信號並且抑制幹涉測量信號中的相對強度噪聲。通過進行傅立葉域中的信號處理，根據本發明的一個示例性實施例的信噪比(「SNR」)的增益優於諸如OCT的時域方法。SNR提高到N倍，N為深度範圍與空間解析度的t匕。提高倍數N可達到幾百至幾千。此SNR的增加使得能夠成像得快到N倍，或可替換地允許以與具有低到1/N的功率的源相同的速度來成像。結果，本發明的該示例性的實施例克服了傳統LCI和OCT的兩個重要的缺陷，例如源可用性和掃描速度。因子N可達到大於1，000，並且允許構造OFDI系統，其可以自當前實踐中的OCT和LCI技術改進三個數量級以上。實現了 SNR的增益是因為，例如， 散粒噪聲具有白噪聲譜。頻率ω (或波長λ )處的存在於檢測器的信號強度只對頻率ω處的信號有貢獻，但是散粒噪聲在所有頻率處生成。通過使每個檢測器的光學帶寬變窄，可以減小每個頻率處的散粒噪聲貢獻，同時信號成分保持相同。與OCT相比，根據本發明的示例性的實施例改善了當前數據採集速度和源的可用性。散粒噪聲歸因於電流的統計波動，該統計波動歸因於量子化的或離散的電荷。散粒噪聲的減小允許低得多的源功率或高得多的採集速率。當前數據採集速率的限制Γ4幀/秒)是由可用的源功率和用於掃描延遲的快速機制的可用性而施加的。檢測靈敏度的到8倍的增加將允許以約每秒30幀的速度來實時成像。靈敏度的到約1，000-2，000倍的增加允許使用具有低得多的功率和高得多的譜帶寬的源，其易於獲得、生產較便宜並且可以生成較高解析度的OFDI圖像。針對OFDI的眼科應用，有效的檢測優選地允許顯著增加採集速度。眼科應用的一個限制是根據ANSI標準允許進入眼睛的功率(在830nm處大約700微瓦)。眼科應用中的當前數據採集速度是每秒大約100-500個A-線。本發明的功率效率高的檢測技術將允許每秒約100，000個A-線的量級的A-線採集速率，或以每個圖像約3，000個A-線的視頻速
率成像。為了實現至少一些本發明的目的，提供了根據本發明的一個示例性的實施例的設備和方法。具體而言，至少一個第一電磁輻射可以提供給樣品，並且至少一個第二電磁輻射可以提供給非反射的參考。第一和/或第二輻射的頻率隨著時間變化。在關聯於第一輻射的至少一個第三輻射與關聯於第二輻射的至少一個第四輻射之間檢測幹涉。可替換地，第一電磁輻射和/或第二電磁輻射具有隨著時間變化的譜。所述譜在特定時間處可以包含多個頻率。另外，有可能以第一偏振態檢測第三輻射與第四輻射之間的幹涉信號。此外，可以優選地以不同於第一偏振態的第二偏振態檢測第三和第四福射之間的又一幹涉信號。第一和/或第二電磁輻射可以具有中值頻率以 大於每毫秒100萬億赫茲(Tera Hertz)的調諧速度隨時間基本上連續變化的譜。在本發明的一個示例性的實施例中，第三輻射可以是從樣品返回的輻射，並且至少一個第四輻射是從參考返回的輻射。第一、第二、第三和/或第四輻射的頻率可以移位。可基於所檢測的幹涉來生成圖像。可以使用探頭，其掃描樣品的橫向位置以生成掃描數據，並且將掃描數據提供給第三裝置以便生成圖像。掃描數據可以包括在樣品上的多個橫向位置獲得的所檢測的幹涉。可以使用至少一個光電檢測器和至少一個電濾波器，該電濾波器跟隨著跟隨有電濾波器的光電檢測器。電濾波器可以是帶通濾波器，其具有大約與通過頻移裝置的頻移的量值相同的中心頻率。電濾波器的傳輸特性(transmission profile)可基本上在其通帶上變化。所述探頭可包括旋轉的接合和光纖導管。該導管可以以高於每秒30轉的速度旋轉。可以提供至少一個偏振調製器。可以使用至少一個偏振分集(polarization diverse)接收和/或偏振分集和雙平衡接收器。還有可能跟蹤下列相位差:.第一電磁輻射和第二電磁輻射之間，和/或.第三電磁輻射和第四電磁輻射之間。根據本發明的又另一示例性的實施例，可以發射第一和第二電磁輻射，它們中的至少一個具有中值頻率以大於每毫秒100萬億赫茲的調諧速度隨時間基本上連續變化的
-1'TfeP曰。
根據本發明的又一示例性的實施例，提供了一種設備。這樣的設備包括至少一個第一裝置，其將至少一個第一電磁輻射提供給樣品並且將至少一個第二電磁輻射提供給參考。該設備還包括:至少一個第二裝置，其適於移位第一電磁輻射和第二電磁輻射的頻率；以及幹涉計，其將第一和第二電磁輻射幹涉以產生幹涉信號。此外，該設備包括至少一個第二裝置，該裝置檢測第一和第二電磁輻射之間的幹涉。此外，根據本發明的另一示例性的實施例，提供了一種系統、方法、軟體設置(software arrangement)和存儲介質以用於確定關聯於組織的結構和組成中的至少一個的特定數據。具體而言，接收關聯於幹涉測量信號的信息，該信息形成自從樣品獲得的至少一個第一電磁福射和從參考獲得的至少一個第二電磁福射。第一和/或第二電磁福射被頻移。採樣該信息以生成第一格式的採樣數據。此外，採樣數據變換成第二格式的特定數據，第一和第二格式彼此不同。


為了更全面地理解本發明及其優點，現在參考結合附圖進行的下面的描述，其中:圖1是時域光學相干層析成像法(「0CT」)系統的塊圖；圖2是使用光譜雷達技術進行頻域成像的系統的塊圖；圖3A是根據本發明的一個示例性的實施例使用相干單頻調諧源進行頻域成像的系統的塊圖；圖3B和3C是一起獲取的波長相對于振幅的曲線圖，其圖示了由圖3A的系統產生的頻移的發生；圖3D是由圖3A的系 統生成的拍頻信號(beat signal)的曲線圖；圖4A是根據本發明的另一示例性的實施例的使用多縱模波長掃描源進行頻域成像的系統的塊圖；圖4B和4C是一起獲取的波長譜的曲線圖，其圖示了由圖4A的系統生成的頻移的發生；圖4D是由圖4A的系統生成的拍頻信號的曲線圖；圖5是根據本發明的另一示例性的實施例的使用波長掃描源進行頻域成像的系統的塊圖；圖6是根據本發明的一個示例性的實施例的光學波長可調諧濾波器裝置的塊圖；圖7是根據本發明的一個示例性的實施例的波長掃描雷射器裝置的塊圖；圖8A是在圖7的波長掃描雷射器裝置的輸出處測得的雷射輸出光譜的示例性的曲線圖；圖SB是在圖7的波長掃描雷射器的輸出處測得的雷射輸出的示例性的曲線圖；圖9A是根據本發明的再一示例性的實施例的帶有多面鏡(polygonal mirror)的波長可調諧濾波器裝置的塊圖；圖9B是根據本發明的又一示例性的實施例的具有反射盤(reflective disk)的波長可調諧濾波器裝置的塊圖；圖1OA是根據本發明的又一示例性的實施例的包括波長掃描雷射器和偏振分集平衡檢測(「H)BD」)迴路的光學頻域成像(「OFDI」)系統的塊圖；圖1OB是圖1OA中所示的示例性的探頭裝置的塊圖；圖1OC是圖示了使用圖1OA的系統的載頻外差檢測(carrier-frequencyheterodyne detection)的示例性輸出的多個曲線圖；圖11是使用本發明的示例性的實施例獲得的人指尖的示例性的活體內圖像；圖12是根據本發明的一個示例性的實施例的相位跟蹤器裝置的塊圖；圖13是根據本發明的具有相位跟蹤器的OFDI系統的一個示例性的實施例的塊圖；圖14A-14C是圖示了根據本發明的用於相位跟蹤器操作的示例性的技術的流程圖；圖15是根據本發明的另一示例性的實施例的OFDI系統的簡化圖；圖16 Ca)和16 (b)是根據本發明的頻移的效應、即深度相對於信號頻率的曲線圖；圖17是根據本發明的又一示例性的實施例的採用兩個聲光頻移器的OFDI系統的塊圖；圖18 Ca)和18 (c)是根據本發明的不用映射過程測得的點擴展函數的曲線圖；以及圖18 (b)和18 Cd)是根據本發明的利用映射過程測得的點擴展函數的曲線圖。

在全部附圖中，除非另外聲明，相同的參考數字和字符用來指示圖示的實施例的類似的特徵、元件、部件或部分。而且，儘管現在將參考附圖詳細描述本發明，其也是與說明性的實施例相結合來進行的。
具體實施例方式圖1示出了示例性的現有技術的時域光學相干層析成像法(「0CT」)系統10，其包括將信號提供給二對二分光器14的第一臂14a的寬帶源12。分光器分割在埠 14a提供給它的信號，並且在耦合到參考臂16的埠 14b提供該信號的第一部分。分光器14還在耦合到樣品臂18的埠 14c提供該信號的第二部分。樣品臂18終結於樣品體積19，並且用於提供樣品體積的側向掃描的裝置22被設置在樣品體積19之前的樣品臂18中。參考臂16終結於用於提供軸向掃描的裝置20中。裝置20和22的操作在本領域中眾所周知。從裝置20和樣品體積19分別沿著參考和樣品臂16、18反射回的信號耦合回到分光器14的相應埠 14b、14c，並耦合到產生軸向掃描數據26的檢測器24，這是眾所周知的。其全部公開通過引用結合於此的美國專利6，341，036描述了與以上所述並在圖1中示出的系統相似的系統。一般而言，在掃描參考臂路徑長度16時，形成了幹涉條紋，其對應於與到樣品體積19中的三個結構19a、19b、19c的距離匹配的位置。單個檢測器24用來檢測幹涉條紋。通過條紋圖案的包絡檢測，構造了圖像26，其將組織反射率映射到給定位置。如將根據在此下面所描述的某些示例性實施例而顯而易見的，本發明的一個示例性的實施例涉及一種系統，其利用了基於光譜雷達概念(又稱為譜域OCT)的檢測原理和/或譜域和時域OCT之間的混合方法，該方法優選地比當前現有時域OCT靈敏，從而允許採集速度與解析度的比的基本增加。先前已在相關出版物中描述了時域OCT中的信噪比(「SNR」)的分析。時域OCT中的幹涉條紋峰值振幅由下面給出:
權利要求
1.種設備，包括: 至少一個第一裝置，其將至少一個第一電磁輻射提供給樣品並且將至少一個第二電磁輻射提供給參考，其中由所述至少一個第一裝置提供的輻射的頻率隨時間變化； 至少一個第二裝置，其適於移位所述至少一個第一電磁輻射和所述至少一個第二電磁輻射的頻率； 幹涉計，其將所述第一和第二電磁輻射幹涉以產生幹涉信號；以及 至少一個第二裝置， 其檢測所述第一和第二電磁輻射之間的幹涉。
全文摘要
提供了一種設備和方法。具體而言，至少一個第一電磁輻射可以提供給樣品並且至少一個第二電磁輻射可以提供給非反射的參考。所述第一和/或第二輻射的頻率隨時間變化。在關聯於所述第一輻射的至少一個第三輻射與關聯於所述第二輻射的至少一個第四輻射之間檢測幹涉。可替換地，所述第一電磁輻射和/或第二電磁輻射具有隨時間變化的譜。所述譜在特定時間可以包含多個頻率。另外，有可能以第一偏振態檢測所述第三輻射與所述第四輻射之間的幹涉信號。此外，可以優選地以不同於所述第一偏振態的第二偏振態檢測所述第三和第四輻射之間的又一幹涉信號。所述第一和/或第二電磁輻射可以具有中值頻率以大於每毫秒100萬億赫茲的調諧速度隨時間基本上連續變化的譜。
文檔編號G01N21/47GK103082996SQ20131002698
公開日2013年5月8日 申請日期2004年9月8日 優先權日2003年10月27日
發明者尹錫賢, 布雷特·尤金·鮑馬, 吉列爾莫·J·蒂爾尼, 約翰內斯·菲茨傑拉德·德·布爾 申請人:通用醫療公司