CN1184927C - 一种提高光学相干层析成像纵向分辨率的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种提高光学相干层析成像纵向分辨率的方法及系统，涉及一种光学相干层析成像(OCT)技术。本发明的技术特点是通过利用色散元件和挡光物改变输入给光学相干层析成像系统光源的光谱形状来提高其纵向分辨率，或者是在OCT的光学延迟线即参考臂的透镜和振镜之间增加一挡光物来改变参考臂返回光的光谱形状，达到改善OCT纵向分辨率的目的。本发明的特点是既可用于飞秒脉冲激光器光源的OCT系统，也可用于普通的超辐射二极管(SLD)作光源的OCT系统。另外方法简单，只需在OCT系统的光路中放一挡光物即可。利用本发明，可以将纵向分辨率为20μm的OCT系统提高到纵向分辨率为14μm的系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学相干层析成像技术，特别涉及一种通过改变光谱形状来改善光学相干层析成像(OCT)纵向分辨率的方法，属于医疗仪器技术领域。
背景技术
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年来发展起来的新技术，与已经有的层析成像技术(X光CT、核磁共振CT和超声CT)比较，OCT具有不接触、无损伤、成像清晰等优点。OCT技术在医学领域得到广泛的应用，可用于眼科，皮科，食道和胃的一些疾病的早期诊断。在材料和基础研究中也有广泛的应用。
提高OCT仪器的分辨率一直是研究者和应用者所关心的问题。OCT仪器的纵向分辨率决定于所用光源的相干长度。因此提高OCT仪器纵向分辨率唯一的方法是减小光源的相干长度，目前所研究的方法主要有减小脉冲激光器的脉冲宽度和用非线性效应拓宽其谐带。所有这些方法仅适于用飞秒激光器作光源的OCT系统。而飞秒激光器由于价格昂贵和操作不便并不适用于医用OCT光源。
医用OCT系统的光源主要用超辐射二极管SLD，它的相干长度取决于SLD的制作，目前还没有其他方法在其制作完成后使其相干长度减小。
理论分析表明：光源的相干长度l和相干时间τ有关系l＝cτ，其中c为光速。光源相干时间和光源光谱互成傅立叶变换关系。这样，改变光源光谱的形状，即改变了光源的相干时间、相干长度，也就改变了OCT系统的纵向分辨率，达到了成像更清晰的目的。
发明内容
本发明的目的是提出一种提高光学相干层析成像纵向分辨率的方法及系统，该方法及系统可采用普通超辐射二极管SLD作光源，通过改变光谱形状的方法来提高OCT系统的纵向分辨率，使其成像更加清晰。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的：
一种提高光学相干层析成像纵向分辨率的方法，该方法是通过利用色散元件和挡光物改变输入给光学相干层析成像系统光源的光谱形状来提高纵向分辨率，其具体作法如下：
(1)将光谱形状为高斯型的平行光束入射到一色散元件上，使不同频率的平行光在空间分开并使其通过一消色差透镜会聚；
(2)在所述的消色差透镜后与反射镜之间的光路中放置一挡光物使不同频率的光得到衰减，衰减后的光形成一束具有近似矩形光谱形状的光；
(3)将改变光谱形状的光束再通过另一反射镜及所述的消色差透镜和色散元件重新合成一束平行光；
(4)将改变了光谱形状的平行光束作为光源入射到光学相干层析成像系统中去。
实现本发明目的的另一技术方案是：一种提高光学相干层析成像纵向分辨率的方法，以光学延迟线为参考臂，所述的光学延迟线含有光栅、透镜和振镜，其特征是：通过改变参考臂返回光的光谱形状来提高纵向分辨率，其具体作法是：在光学延迟线的振镜和透镜之间放置一挡光物，使不同频率的光得到衰减，衰减后的光形成一束具有近似矩形光谱形状的光，然后再通过所述的振镜、透镜和光栅后重新合成一束平行光束。
本发明还提供了一种提高光学相干层析成像纵向分辨率方法的系统，该系统主要包括光源、2×2光纤耦合器、探测器、A/D卡、计算机、测量臂及参考臂，其特征在于：在所述光源和2×2光纤耦合器之间设置一个可改变光源光谱形状的装置，该装置包括色散元件、消色差透镜、反射镜以及在所述的消色差透镜和所述的反射镜之间的挡光物，所述的挡光物的大小为光束宽度的1/6～1/3。
本发明的另一种提高光学相干层析成像纵向分辨率方法的系统，主要包括光源、2×2光纤耦合器、探测器、A/D卡、计算机、测量臂以及由光栅、透镜和振镜组成的参考臂，其特征是在所述参考臂的透镜和振镜之间增加一挡光物，所述的挡光物的大小为光束宽度的1/6～1/3。
本发明中所用的光源采用光谱形状为高斯型平行光的超辐射二极管或常规的飞秒脉冲光源。
理论分析表明：光源的相干长度l和相干时间τ有关系l＝cτ，其中c为光速。光源相干时间和光源光谱互成傅立叶变换关系。这样，改变光源光谱的形状，即改变了光源的相干时间、相干长度，也就改变了OCT系统的纵向分辨率，达到了成像更清晰的目的。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：该方法非常简单，只需通过设置一挡光物来改变OCT光源的光谱形状，或者在OCT的光学延迟线即参考臂的透镜和振镜之间增加一挡光物来改变参考臂返回光的光谱形状，即可达到达到改善OCT纵向分辨率的目的；本发明既可用于飞秒脉冲激光器光源，也可用普通的超辐射二极管(SLD)作光源。实验表明，通过上述方法可以将纵向分辨率为20μm的OCT系统提高到纵向分辨率为14μm的系统，其OCT系统纵向分辨率可达到原来的0.7。
附图说明
图1为改变光谱形状装置实施例的原理结构示意图。
图2为光谱波形改变原理示意图
图3表示在OCT的光学延迟线系统中，即在参考臂的透镜和振镜之间放一挡光物来改变参考臂返回光的光谱形状的实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的原理及具体实施方式：
理论分析表明：光源的相干长度l和相干时间τ有关系l＝cτ，其中c为光速。光源相干时间和光源光谱互成傅立叶变换关系。这样，改变光源光谱的形状，即改变了光源的相干时间、相干长度，也就改变了OCT系统的纵向分辨率，达到了成像更清晰的目的。
一般光源的光谱形状为高斯形，只要将中间高的部分减弱，使其变得平坦，就达到了改变光谱形状的目的。理论分析和实验表明：这样做可以得到新的OCT系统纵向分辨率为原来的0.7。
图1为改变光谱形状的装置示意图。其中输入光为来自脉冲激光器或SLD的平行光束，1为色散元件，2为消色差透镜，3为反射镜。色散元件1和反射镜3放在消色差透镜的两个焦面上，在消色差透镜2和反射镜3之间放置一挡光物4。
为了说明改变光谱波形的原理，请参考图2，同实际情况比图2有所夸张。入射平行光束(光束的几何宽度2w，其大小约为2mm)照射到色散元件1上，不同波长的光将在不同的方向衍射，图中λ+Δλ，λ，λ-Δλ三个波长的光分别用点画线、实线和虚线表示。在消色差透镜2处，各种波长的光束中心之间分开的距离为βf。其中f为透镜焦距，β为三种不同波长λ+Δλ，λ，λ-Δλ衍射角之差。因2w＞βf，在这个地方三种波长光的光束是部分重迭的，在反射镜3处，各种不同波长光的光束宽度大小因聚焦作用变为2w0，其大小约为20μm，仅为原来光束的百分之一，光斑间分开的距离仍是βf，因2w0＜βf，此时λ+Δλ，λ，λ-Δλ三种不同的光是分开的。
挡光物的尺寸约为光束的1/4。下面分析挡光物4在A、B、C三种不同位置时的挡光效果。如果在A处，则λ+Δλ，λ，λ-Δλ三种波长的光都被部分挡掉。如果在B位置，波长为λ的光挡得多，波长为λ+Δλ和λ-Δλ的光就挡得少。如果在C位置，则仅挡波长为λ的光，不挡λ+Δλ和λ-Δλ的光。
图中只画出三个波长，实际上光谱是连续的。分析挡光物在B位置的情况，此时波长为λ的光挡得多，波长为λ+Δλ的光挡得少，但挡得多少同Δλ的大小有关，Δλ小则挡得多，Δλ大则挡得少，甚至不挡。因此在消色差物镜与反射镜之间放一挡光物，即可使不同频率的光得到衰减，从而可以改变光源光谱的形状；通过调节挡光物的前后位置，可以得到不同形状的光谱，将具有高斯型光谱形状的光束改变为具有近似矩形光谱形状的光束。挡光物的尺寸大小应根据光谱光束的宽度进行选择，一般为光束宽度的1/6～1/3。挡光物可以是任何不透光的物体，如金属片或柔性物体等。
将图1所示的可改变光谱形状的装置放入光学相干层析成像系统中去，使OCT系统的光源通过该系统后，其光源的光谱形状即可被改变，将改变后的平行光作为OCT系统的光源，即可达到提高光学相干层析成像纵向分辨率的目的。
图3所示的系统即是OCT系统光路中的快速延迟扫描系统，该系统包括由光栅1、透镜2、振镜3组成的光学延迟线即参考臂，SLD光源5，2×2光纤耦合器6，探测器7，AD卡8，计算机9，测量臂10。利用本发明，也可简单的将一挡光物放入光学延迟线中，即在参考臂的透镜2和振镜3之间放一挡光物4，区别仅在于将反射镜改为振镜，用于改变参考臂返回光的光谱形状，同样也可达到改善OCT纵向分辨率的目的，由于改变光谱波形的光学系统即是光学延迟线系统，而OCT中光学延迟线系统是必不可少的。装置简单，效果差些。因为只改变了OCT系统中一路的光谱形状，但这样做非常简单，只在原系统中加入了一挡光物。
一般光源的光谱形状为高斯形，只要将中间高的部分减弱，使其变得平坦，就达到了改变光谱形状的目的。理论分析和实验表明：这样做可以得到新的OCT系统纵向分辨率为原来的0.7。
Claims (4)
1.一种提高光学相干层析成像纵向分辨率的方法，该方法的特征是：通过利用色散元件和挡光物改变输入给光学相干层析成像系统光源的光谱形状来提高纵向分辨率，其具体作法如下：
(1)将光谱形状为高斯型的平行光束入射到一色散元件上，使不同频率的平行光在空间分开并使其通过一消色差透镜会聚；
(2)在所述的消色差透镜后与反射镜之间的光路中放置一挡光物使不同频率的光得到衰减，衰减后的光形成一束具有近似矩形光谱形状的光；
(3)将改变光谱形状的光束再通过另一反射镜及所述的消色差透镜和色散元件重新合成一束平行光；
(4)将改变了光谱形状的平行光束作为光源入射到光学相干层析成像系统中去。
2.一种提高光学相干层析成像纵向分辨率的方法，以光学延迟线为参考臂，所述的光学延迟线含有光栅、透镜和振镜，其特征是：通过改变参考臂返回光的光谱形状来提高纵向分辨率，其具体作法是：在光学延迟线的振镜和透镜之间放置一挡光物，使不同频率的光得到衰减，衰减后的光形成一束具有近似矩形光谱形状的光，然后再通过所述的振镜、透镜和光栅后重新合成一束平行光束。
3.实施如权利要求1所述的一种提高光学相干层析成像纵向分辨率方法的系统，该系统主要包括光源(5)、2×2光纤耦合器(6)、探测器、A/D卡(8)、计算机(9)、测量臂(10)及参考臂，其特征在于：在所述光源和2×2光纤耦合器之间设置一个可改变光源光谱形状的装置，该装置包括色散元件、消色差透镜、反射镜以及在所述的消色差透镜和所述的反射镜之间的挡光物(4)，所述的挡光物的大小为光束宽度的1/6～1/3。
4.实施如权利要求2所述提高光学相干层析成像纵向分辨率方法的系统，主要包括光源(5)、2×2光纤耦合器(6)、探测器(7)、A/D卡(8)、计算机(9)、测量臂(10)以及由光栅、透镜和振镜组成的参考臂，其特征在于：在所述参考臂的透镜和振镜之间增加一挡光物(4)，所述的挡光物的大小为光束宽度的1/6～1/3。
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