CN100455253C - 用于在体光学活检的谱域oct内窥成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在体光学活检的谱域OCT(光学相干层析)内窥成像系统。包括光纤干涉仪、成像探头、探测单元、图像采集卡与计算机。为了提高成像速度，探测单元采用光栅光谱仪，深度信息是基于干涉光谱的并行探测快速提取的，无法采用动态聚焦来保证横向分辨率。因而在成像探头中将轴锥镜和内部转动的直角棱镜或圆对称分光镜组合来保证整个成像深度范围内的高横向分辨率，并实现圆周扫描的内窥成像。不仅提出了两种圆周扫描探头的实施方法，还给出了相应的系统结构。本发明可广泛应用于口腔、喉、呼吸道、胃肠道、尿道、生殖道和血管的内窥光学活检和分析研究。
Description
技术领域
本发明涉及光学相干层析成像(OCT)技术，尤其涉及一种用于在体光学活检的谱域OCT内窥成像系统。
背景技术
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种新兴的光学成像技术，相对于传统的临床成像手段来说，能实现对活体内部的组织结构与生理功能进行非接触、无损伤、高分辨率成像，是基础医学研究和临床诊断应用的重要潜在工具，可用于眼科、皮肤、肿瘤等疾病的早期诊断上。
快速成像技术一直是OCT技术的核心。时域OCT通过参考臂机械扫描或其它光程扫描方式来获取深度信息，成像速度受到一定限制。基于光栅型快速扫描光学延迟线，一般只能达到1K的轴向扫描速度。在时域OCT中，尽管成像探头同时照明整个样品的成像深度范围，但只有样品臂中与参考臂的光程差小于光源相干长度的少部分后向散射光参与干涉成像，不同深度信息的提取必须通过参考臂光程的改变来依次实现。目前，处于热点研究中的谱域OCT通过增加干涉光谱的并行探测维度来实现深度信息的即时提取，成像速度因而可以极大地提高。谱域OCT中，所有成像深度范围内的后向散射光都同时参与成像，这种深度信息探测的并行性，根本解决了成像速度提高与分辨单元信号采集时间下降之间的矛盾，能实现高速成像的同时不降低信噪比。
常规成像探头中，成像深度和横向分辨率是一对矛盾。时域OCT通常采用动态聚焦的方法来解决这个问题，但在谱域OCT中，深度信息是基于干涉光谱的并行探测快速提取的，无法采用动态聚焦。因此，目前的谱域OCT中，只能在成像深度和横向分辨率之间找权衡。OCT成像探头能否小型化是实施在体内窥诊断的前提条件，成像探头只有满足小型化要求，才能进入人体内腔，实施在体光学活检。但小型化带来的问题却是空间尺度严重受限，严重制约了可供选择的高质量成像方法。因此，研制有限尺度下的高质量成像探头，是一大技术难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于在体光学活检的谱域OCT内窥成像系统，谱域OCT通过干涉光谱的并行探测来实现深度信息的快速提取，无法采用动态聚焦来保证整个成像深度范围内的高横向分辨率。因而在成像探头中将轴锥镜和内部转动的直角棱镜或圆对称分光镜组合来实现大焦深及高横向分辨的圆周扫描成像，提出了两种圆周扫描探头的实施方法和相应的系统。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
方案一：
用于在体光学活检的谱域OCT内窥成像系统，包括光纤干涉仪、成像探头、探测单元、图像采集卡和计算机；光纤干涉仪的一端接成像探头，由成像探头接收的光返回光纤干涉仪，产生的干涉信号进入探测单元，探测单元的探测信号传输到图像采集卡，图像采集卡与计算机连接；所述的探测单元包括准直镜、衍射光栅、双胶合消色差透镜、快速线阵CCD。
所述的成像探头：包括装在透明护套内的轴锥镜、直角棱镜和微马达；轴锥镜和直角棱镜组合，微马达带动直角棱镜旋转，以实现圆周扫描成像。
所述的光纤干涉仪：包括宽带光源、四个偏振控制器、隔离器、宽带光纤耦合器、准直镜、色散补偿器、中性滤光片和反射镜；宽带光源发出的低相干光，依次经第一偏振控制器和隔离器后，接入宽带光纤耦合器，分光后分别进入参考臂和样品臂，从参考臂光纤出来的光经第二偏振控制器、准直镜、色散补偿器和中性滤光片后入射到反射镜，从反射镜返回的参考光再由原光路耦合回参考臂的光纤，返回宽带光纤耦合器，样品臂的光经第三偏振控制器接入成像探头，成像探头返回的光再由原光路耦合回样品臂的光纤，在宽带光纤耦合器处与参考光汇合并发生干涉，产生的干涉信号经第四偏振控制器接入探测单元，CCD探测到的信号经过图像采集卡连接到计算机。
方案二：
用于在体光学活检的谱域OCT内窥成像系统，包括光纤干涉仪、成像探头、探测单元、图像采集卡和计算机；光纤干涉仪的一端接成像探头，由成像探头接收的光返回光纤干涉仪，产生的干涉信号进入探测单元，探测单元的探测信号传输到图像采集卡，图像采集卡与计算机连接；所述的探测单元包括准直镜、衍射光栅、双胶合消色差透镜、快速线阵CCD。
所述的成像探头：包括装在透明护套内的轴锥镜、圆对称分光镜和微马达；轴锥镜和圆对称分光镜组合，参考面设置在圆对称分光镜内部，微马达带动圆对称分光镜旋转，以实现圆周扫描成像。
所述的光纤干涉仪：包括宽带光源、三个偏振控制器、隔离器和光纤环形器；从宽带光源出来的低相干光，经第一偏振控制器、隔离器入射到光纤环形器，经第二偏振控制器接入成像探头，从成像探头返回的干涉光，回到光纤环形器后经第三偏振控制器接入探测单元，CCD探测到的信号经过图像采集卡连接到计算机。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、有效解决了谱域OCT中无法采用动态聚焦保证横向分辨率的难题，在成像探头的设计上，基于内部转动的直角棱镜或圆对称分光镜与轴锥镜的组合来实现大焦深、高横向分辨的圆周扫描成像技术，该技术不仅确保了轴锥镜的轴上点高质量成像，而且有效缓解了高成像质量与探头有限尺度间的矛盾。
2、提出了两种圆周扫描探头的实施方法和相应的系统，结构简单，实施性好。如果将参考臂独立出来可以通过色散补偿器和中性滤光片来匹配两个臂之间的色散和光强，提高成像质量；如果将参考面设置在成像探头内部，整个系统的抗干扰能力增强，而且相对于非对称的直角棱镜来说，采用圆对称分光镜，微电机的转动将会更平稳。
3、用于在体光学活检的谱域OCT内窥成像系统，针对人体内腔表面以下数毫米深度进行高分辨实时成像，可广泛应用于口腔、喉、呼吸道、胃肠道、尿道、生殖道和血管的内窥光学活检和分析研究。包括常规活检前的预筛选，指导内镜下的定位活检，重要器官的无损活检，实施治疗过程的实时监视与疗效跟踪等，具有非常重要的现实意义。
附图说明
图1是本发明的谱域OCT内窥成像系统的框架示意图；
图2是本发明实施例1的系统结构原理示意图；
图3是本发明实施例2的系统结构原理示意图。
图中：1、光纤干涉仪，2、成像探头，3、探测单元，4、图像采集卡，5、计算机，6、准直镜，7、衍射光栅，8、双胶合消色差透镜，9、快速线阵CCD，10、宽带光源，11、偏振控制器，12、隔离器，13、宽带光纤耦合器，14、准直镜，15、色散补偿器，16、中性滤光片，17、反射镜，18、轴锥镜，19、直角棱镜，20、微马达，21、透明护套，22、光纤环形器，23、圆对称分光镜，24、参考面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1所示为谱域OCT内窥成像系统的框架，包括光纤干涉仪1、成像探头2、探测单元3、图像采集卡4和计算机5。光纤干涉仪1的一端接成像探头2，实现内窥的圆周扫描，由成像探头2接收的光返回光纤干涉仪1，产生的干涉信号进入另一端的探测单元3，探测信号快速传输到图像采集卡4，然后由计算机5进行后续处理和图像重建与显示。
作为实施例1，图2所示为谱域OCT内窥成像系统的一种组成结构，包括宽带光源10、四个偏振控制器11、隔离器12、宽带光纤耦合器13、准直镜14、色散补偿器15、中性滤光片16、反射镜17、轴锥镜18、直角棱镜19、微马达20、透明护套21、准直镜6、衍射光栅7、双胶合消色差透镜8、快速线阵CCD9。
如图2所示，宽带光源10发出的低相干光，经第一偏振控制器和隔离器12后，进入宽带光纤耦合器13，分光后分别经第二和第三偏振控制器进入参考臂和样品臂，从参考臂光纤出来的光经准直镜14准直后，通过色散补偿器15和中性滤光片16后入射到反射镜17上，色散补偿器15和中性滤光片16的作用分别是为了匹配两个臂之间的色散和光强，以确保最佳成像质量，从反射镜17返回的参考光再由原光路耦合回参考臂的光纤，返回宽带光纤耦合器13，样品臂的光被引入成像探头2(外部有透明护套21)，光纤端面涂覆有环氧树脂，从光纤端面出来的光经轴锥镜18汇聚后入射到直角棱镜19上，直角棱镜19的斜面将光90度反射到侧面而照射到内腔组织上，微马达20带动直角棱镜19旋转对内腔进行圆周扫描，从内腔组织返回的光再由原光路耦合回样品臂的光纤，在宽带光纤耦合器13处与参考光汇合并发生干涉，产生的干涉信号经第四偏振控制器进入探测单元3，从光纤出来的光经准直镜6后入射到衍射光栅7，经衍射分光后不同波长的光再通过双胶合消色差透镜8聚焦在快速线阵CCD 9的不同像素上，被快速线阵CCD 9探测。
作为实施例2，图3所示为谱域OCT内窥成像系统的另一种组成结构，包括宽带光源10、三个偏振控制器11、隔离器12、光纤环行器22、轴锥镜18、圆对称分光镜23(内置参考面24)、微马达20、透明护套21、准直镜6、衍射光栅7、双胶合消色差透镜8、快速线阵CCD 9。
如图3所示，宽带光源10发出的低相干光，经第一偏振控制器和隔离器12后，进入光纤环行器22，后经第二偏振控制器进入成像探头2(外部有透明护套)，光纤端面涂覆有环氧树脂，从光纤端面出来的光经轴锥镜18汇聚后入射到圆对称分光镜23上，一部分光被90度反射到侧面而照射到内腔组织上，另一部分光透射后入射到参考面24上，微马达20带动圆对称分光镜23旋转对内腔进行圆周扫描，从内腔组织返回的光与从参考面24返回的光在圆对称分光镜23处汇合并发生干涉，产生的干涉光再经轴锥镜18耦合回光纤，返回光纤环行器22后经第三偏振控制器进入探测单元3，从光纤出来的光经准直镜6后入射到衍射光栅7，经衍射分光后不同波长的光再通过双胶合消色差透镜8聚焦在快速线阵CCD 9的不同像素上，被快速线阵CCD 9探测。本实施例将参考面24设计在成像探头内部，因而光的干涉发生在成像探头内部，整个系统的抗干扰能力增强。在成像探头中采用轴锥镜18和圆对称分光镜23来实现圆周成像。尽管较实施例1中的直角棱镜19来说载荷增大了，但相对于非对称的直角棱镜19来说，微电机20的转动将会更平稳。同时采用光纤环行器22替代宽带光纤耦合器13，提高了光的传输效率。
系统中偏振控制器11的作用是便于调整各个通道的偏振模式，以将偏振模色散的影响降到最低，提高成像质量。
有关轴锥镜18可实现大焦深高横向分辨的具体情况请参考Zhihua Ding，Hongwu Ren，Yonghua Zhao等人的论文High-resolution optical coherencetomography over a large depth range with an axicon lens，Optics Letters，27(4)，243-245，2002.
由快速线阵CCD 9探测到的信号经过图像采集卡4接到计算机5，计算机5通过内插处理和逆傅立叶变换得到内腔组织的深度信息，同时由成像探头的圆周扫描得到内腔组织另一维度的信息，由此重建出二维图像。
本发明公开的用于在体光学活检的谱域OCT内窥成像系统，可体内、原位实现内腔组织的超高分辨的结构层析成像，可以分辨上皮细胞层中与肿瘤病变有关的细胞和结构形态的变化，可实现诸多疾病尤其是肿瘤等重大疾病的定期筛查、早期诊断和早期治疗，在许多场合都极具医学价值。
Claims (2)
1、用于在体光学活检的谱域OCT内窥成像系统，包括光纤干涉仪(1)、成像探头(2)、探测单元(3)、图像采集卡(4)和计算机(5)；光纤干涉仪(1)的一端接成像探头(2)，由成像探头(2)接收的光返回光纤干涉仪(1)，产生的干涉信号进入探测单元(3)，探测单元(3)的探测信号传输到图像采集卡(4)，图像采集卡(4)与计算机(5)连接；所述的探测单元(3)包括准直镜(6)、衍射光栅(7)、双胶合消色差透镜(8)、快速线阵CCD(9)；其特征在于：
所述的成像探头(2)：包括装在透明护套(21)内的轴锥镜(18)、直角棱镜(19)和微马达(20)；轴锥镜(18)和直角棱镜(19)组合，微马达(20)带动直角棱镜(19)旋转，以实现圆周扫描成像；
所述的光纤干涉仪(1)：包括宽带光源(10)、四个偏振控制器(11)、隔离器(12)、宽带光纤耦合器(13)、准直镜(14)、色散补偿器(15)、中性滤光片(16)和反射镜(17)；宽带光源(10)发出的低相干光，依次经第一偏振控制器和隔离器(12)后，接入宽带光纤耦合器(13)，分光后分别进入参考臂和样品臂，从参考臂光纤出来的光经第二偏振控制器、准直镜(14)、色散补偿器(15)和中性滤光片(16)后入射到反射镜(17)，从反射镜(17)返回的参考光再由原光路耦合回参考臂的光纤，返回宽带光纤耦合器(13)，样品臂的光经第三偏振控制器接入成像探头(2)，成像探头(2)返回的光再由原光路耦合回样品臂的光纤，在宽带光纤耦合器(13)处与参考光汇合并发生干涉，产生的干涉信号经第四偏振控制器接入探测单元(3)，CCD探测到的信号经过图像采集卡(4)连接到计算机(5)。
2、用于在体光学活检的谱域OCT内窥成像系统，包括光纤干涉仪(1)、成像探头(2)、探测单元(3)、图像采集卡(4)和计算机(5)；光纤干涉仪(1)的一端接成像探头(2)，由成像探头(2)接收的光返回光纤干涉仪(1)，产生的干涉信号进入探测单元(3)，探测单元(3)的探测信号传输到图像采集卡(4)，图像采集卡(4)与计算机(5)连接；所述的探测单元(3)包括准直镜(6)、衍射光栅(7)、双胶合消色差透镜(8)、快速线阵CCD(9)；其特征在于：
所述的成像探头(2)：包括装在透明护套(21)内的轴锥镜(18)、圆对称分光镜(23)和微马达(20)；轴锥镜(18)和圆对称分光镜(23)组合，参考面(24)设置在圆对称分光镜(23)内部，微马达(20)带动圆对称分光镜(23)旋转，以实现圆周扫描成像；
所述的光纤干涉仪(1)：包括宽带光源(10)、三个偏振控制器(11)、隔离器(12)和光纤环形器(22)；从宽带光源(10)出来的低相干光，经第一偏振控制器、隔离器(12)入射到光纤环形器(22)，经第二偏振控制器接入成像探头(2)，从成像探头(2)返回的干涉光，回到光纤环形器(22)后经第三偏振控制器接入探测单元(3)，CCD探测到的信号经过图像采集卡(4)连接到计算机(5)。
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