CN100488440C - 共路型内窥光学相干层析成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共路型内窥光学相干层析成像方法及系统。把作为内窥探头的光纤传像束的端面反射光作为参考光，它和来自样品的信号光通过同一光纤传像束传输，构成一个共路的、起传感作用的干涉结构，参考光和信号光之间的光程差由另一共路的干涉结构进行补偿，整个系统为共路干涉结构。在探头外部进行横向扫描来选择样品的特定位置成像，探头的内部无任何运动部件和驱动电流。使用光环行器来提高系统的能量利用率，采用谱域探测技术来提高成像速度。本发明具有成像质量不受环境影响，内窥探头加工安装工艺简单、更换方便，系统能量利用率高，使用安全等优点。
Description
技术领域
本发明涉及内窥成像技术和光学相干层析成像技术，尤其是涉及一种采用光纤传像束作为内窥探头的共路型光学相干层析成像方法和系统。
背景技术
仅仅根据组织表面的形态变化来进行病变诊断有着很大的主观性和局限性，而组织内部的断层图像能为医生的诊断提供更多的客观依据。许多层析成像技术，如：计算机层析(CT)、核磁共振(MRI)、X射线、超声等，被广泛运用于临床诊断。然而，上述技术只能提供0.1～1mm的分辨率，远未达到探测组织异常，如早期癌症时的生物组织结构所要求的分辨率水平。
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，能非侵入地对活体组织的内部结构、生理功能乃至分子信息进行可视化观察。它具备组织病理分析所需的高分辨率(达1～20μm)，能发挥病变早期诊断、过程监视和手术介导等临床功能。OCT还具有成像速度快、无辐射损伤、信息多元化、价格适中、与现有医疗仪器兼容性好等优点，是目前被广泛看好的、可在临床医学上发挥重要作用的成像工具。尤其是OCT技术与内窥成像技术相结合形成的内窥OCT技术，可对生物体内部的组织器官进行成像，极大地拓展了OCT的运用范围，能为医生提供更为准确的诊断依据。内窥OCT已在胃肠系统、呼吸系统、血管成像等方面获得了运用。
在现有的内窥OCT系统里，如美国MIT的Fujimoto小组(Guillemo J.Teamey，et al.，In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography，Science，276，2037～2039，1997)、加州大学的Chen小组(Tuqiang Xie，et al.，Fiber-optic-bundle-based optical coherence tomography，Optics Letters，30(14)，1803～1805，2005)等，一般把作为内窥探头传光器件的光纤或光纤束置于干涉结构的样品臂上。由于体内器官的内腔结构很不规则，进入其内的光纤或光纤束不可避免地存在着弯曲和扭曲现象，导致由光纤或光纤束传输光束的偏振态发生变化，再加上由它们引起的色散的影响，会使成像质量显著下降。因此，必须在参考臂中对上述因素进行精确匹配，从而使系统的构成和调节变得异常复杂。而且，内窥探头的每次更换，都需进行大行程范围的光程匹配、色散补偿和偏振态调节等复杂操作。
另外，光纤束端面的反射光会在探测器像面上形成背景信号，为非期望光束，必须使其偏出像面，故需把光纤传像束端面研磨成与其轴线成8°倾角的斜面。当采用格林透镜(GRIN lens，梯度折射率透镜)对输出光束聚焦时，还需把格林透镜与光纤传像束相粘接的面也加工成8°倾角的斜面，二者粘接时应做到方位准确，使得光纤传像束和格林透镜的加工和安装工艺复杂化。这个角度的存在，使得光束在光纤传像束的不同位置传输时所经历的光程存在差异，导致整个像面的干涉信号强度不均匀。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明的目的是提供一种共路型内窥光学相干层析成像方法及系统。该方法及系统把作为内窥探头的光纤传像束的端面反射光作为参考光，它和来自样品的信号光通过同一光纤传像束进行传输，构成一个共路的、起传感作用的干涉结构，参考光和信号光之间的光程差由另一共路干涉结构进行补偿。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、共路型内窥光学相干层析成像方法，其特征在于包括以下步骤：
1)电控平移台带着反射镜轴向移动，直至出现最佳干涉信号为止；
2)由线阵CCD探测器采集干涉信号，得到光强关于波数k的信号I(k)分布，并经图像采集卡输入计算机；
3)由计算机对信号I(k)沿光谱展开方向进行一维傅立叶逆变换，得到光强关于位置z的信号I(z)分布，I(z)即为样品沿深度方向z的图像；
4)计算机通过函数发生器控制二维扫描振镜沿x方向连续扫描，对x方向上的各点分别执行步骤2)和3)，得到各点沿深度方向z的图像，由这些图像可重建出样品沿x方向和深度方向z的二维图像；
5)二维扫描振镜沿y方向连续扫描，每扫描一个步距时均执行步骤4)一次，分别得到对应每个扫描步距时样品沿x方向和深度方向z的二维图像，由这些图像可重建出样品的三维图像。
二、共路型内窥光学相干层析成像系统：
宽带光源发出的光接第一光环行器端口a，由第一光环行器端口b发出的光依次经第一准直透镜、二维扫描振镜、显微物镜、光纤传像束和格林透镜至样品，返回至端口b的光由第一光环行器端口c接第二光环行器端口d；由第二光环行器端口e发出的光经第二准直透镜、宽带分光平片后至装在电控平移台上的反射镜；返回至端口e的光由第二光环行器端口f出射后，依次经第三准直透镜、衍射光栅、成像透镜至线阵CCD探测器；二维扫描振镜、电控平移台和线阵CCD探测器均与控制系统连接。
所述的控制系统包括图像采集卡、计算机、函数发生器和步进电机控制器，线阵CCD探测器经图像采集卡接计算机，计算机输出两路信号，一路经函数发生器接二维扫描振镜，另一路经步进电机控制器接电控平移台。
所述的由第一光环行器端口b发出的光依次经第一准直透镜、二维扫描振镜、显微物镜、光纤传像束和格林透镜后，再接直角棱镜至样品。
所述的光纤传像束的长度大于1000mm，两个端面被加工成与其轴线相垂直的平面，前端面置于显微物镜的焦面上。
所述的宽带分光平片的透射率/反射率接近于62/38。
所述的反射镜为宽带高反射镜，具体为金属—介质膜宽带高反射镜。
所述的线阵CCD探测器的感光面位于成像透镜的后焦面上，感光面的长度方向与衍射光栅的刻线方向相垂直。
所述的第一光环行器和宽带光源、第一准直透镜、第二光环行器之间，以及第二光环行器和第二准直透镜、第三准直透镜之间，用单模光纤连接。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明具有成像质量受环境影响小、操作简单的特点：参考光和信号光通过同一光纤传像束传输，二者之间的光程差由另一共路干涉结构补偿，整个系统为共路干涉结构。光纤传像束的色散、偏振态改变，以及环境温度变化、振动等因素对成像结果影响不大，无需特别考虑对它们进行匹配，使得系统的构成和调节变得简单起来；
2、本发明可根据需要更换使用不同的内窥探头，而无需对系统进行色散匹配和偏振态调节等复杂操作，只需进行小行程范围的光程匹配即可；
3、本发明具有结构紧凑、使用安全的特点：进入生物体内腔的探头只起信号传感的作用，所有操作均在探头外部进行，使得探头内部的器件使用数量降低到最少，便于实现探头的小型化，从而更易进入各种器官进行成像；探头的内部无任何运动部件和驱动电流，系统具有非常高的使用安全性；
4、本发明使内窥探头的加工和安装工艺简单化：光纤传像束后端面的反射光作为参考光而被利用，故不必把光纤传像束和格林透镜端面加工成8°倾角的斜面，安装也容易得多；
5、本发明具有能量利用率高的特点：采用的两个光环行器的能量损失几乎可忽略不计，系统的能量利用率高于采用分束器件的OCT系统。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图2为本发明用于腔道壁成像的内窥探头示意图。
图3为本发明的控制系统示意图。
图中：1.宽带光源，2.第一光环行器，3.第一准直透镜，4.二维扫描振镜，5.显微物镜，6.光纤传像束，7.格林透镜，8.直角棱镜，9.样品，10.第二光环行器，11.第二准直透镜，12.宽带分光平片，13.反射镜，14.电控平移台，15.第三准直透镜，16.衍射光栅，17.成像透镜，18.线阵CCD探测器，19.图像采集卡，20.计算机，21.函数发生器，22.步进电机控制器。
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：
本发明提出的共路型内窥光学相干层析成像系统如图1所示，宽带光源1发出的光接第一光环行器2端口a，再由第一光环行器2端口b出射至第一准直透镜3，准直后平行入射二维扫描振镜4，反射后的光束被显微物镜5聚焦后耦合进光纤传像束6，传输至后端面时光束被分成后向反射光和透射光。透射光被格林透镜7聚焦于样品9。图1中使用的探头为前向式内窥探头，当需要对腔道壁进行成像时，可采用侧向式内窥探头。
侧向式内窥探头如图2所示，它由光纤传像束6的后端面粘接格林透镜7、格林透镜7的另一面再粘接直角棱镜8而成。使用侧向式内窥探头时，由光纤传像束6后端面透射的光被格林透镜7聚焦后、再被直角棱镜8改变方向后从侧面入射样品9。
在上述两种形式内窥探头里，光纤传像束6的两个端面被加工成与其轴线相垂直的平面，且前端面置于显微物镜5的焦面上以收集入射光束，而后端面为干涉系统的参考面，它和样品9一起，构成一个接近于共路的、起着信号传感作用的干涉仪。由于光纤传像束6不是单模光纤，光束在其中以多种模式传输，其中只有以基模方式传输的光束所形成的图像才是样品的真实图像。随着光纤传像束长度的增加，由高阶模式形成的图像和由基模形成的图像在空间上会分开。当光纤传像束长度约为1000mm时，由高阶模式形成的图像能从显示像面中完全偏出，而只显示由基模形成的样品图像，从而保证了系统对该样品所能达到的成像深度不受多模传输的影响。因此，应使光纤传像束6的长度大于1000mm。
由样品9反射或后向散射的光，和被光纤传像束6后端面反射的光，沿原路返回到第一光环行器2后，再由端口c出射至第二光环行器10。由第二光环行器10端口e出射的光束被第二准直透镜11准直后，平行入射至宽带分光平片12时被分成反射光和透射光。透射光平行入射反射镜13，反射镜13固定在电控平移台14上。宽带分光平片12的透射率/反射率应接近于62/38，使得经它分束后得到的两光束的强度相匹配。为使系统具有较高的能量利用率，反射镜13采用宽带高反射率镜面，具体为金属—介质膜宽带高反射镜。
被反射镜13和宽带分光平片12反射后的光束沿原路返回到第二光环行器10后，由端口f出射至第三准直透镜15，准直后平行入射衍射光栅16，衍射后色散开来的光束被成像透镜17聚焦于线阵CCD探测器18的像面上。线阵CCD探测器18的像面长度方向与衍射光栅16的刻线方向相垂直放置。第一光环行器2和宽带光源1、第一准直透镜3、第二光环行器10之间，以及第二光环行器10和第二准直透镜11、第三准直透镜15之间，用单模光纤连接。二维扫描振镜4、电控平移台14和线阵CCD探测器18均与控制系统连接。
本发明的控制系统如图3所示，包括图像采集卡19、计算机20、函数发生器21和步进电机控制器22。计算机20通过图像采集卡19控制线阵CCD探测器18进行干涉信号采集，并把采集到的信号输入计算机20进行处理和显示。计算机20输出两路控制信号：一路经函数发生器21控制二维扫描振镜4进行横向扫描，以实现对样品9不同位置的成像；一路经步进电机控制器22驱动电控平移台14，由它带着反射镜13轴向移动，进行信号光和参考光之间的光程匹配，直至出现最佳干涉信号为止，实现了在内窥探头的外部对信号光和参考光之间的光程差进行补偿。
线阵CCD探测器18、图像采集卡19和函数发生器21均可从市场上购买，它们分别如美国Atmel公司的AViiVA SM2CL线阵CCD探测器、美国NI公司的PCIe-1430图像采集卡、和美国STANFORD RESEARCH SYSTEM公司的DS345型函数发生器。步进电机控制器22和电控平移台14为配套产品，可一起购买，如北京卓立汉光仪器有限公司的TSA30-C电控平移台和SC3步进电机控制器。
本发明提出的共路型内窥光学相干层析成像方法，其具体步骤如下：
1)电控平移台带着反射镜轴向移动，直至出现最佳干涉信号为止；
2)由线阵CCD探测器采集干涉信号，得到光强关于波数k的信号I(k)分布，并经图像采集卡输入计算机；
3)由计算机对信号I(k)沿光谱展开方向进行一维傅立叶逆变换，得到光强关于位置z的信号I(z)分布，I(z)即为样品沿深度方向z的图像；
4)计算机通过函数发生器控制二维扫描振镜沿x方向连续扫描，对x方向上的各点分别执行步骤2)和3)，得到各点沿深度方向z的图像，由这些图像可重建出样品沿x方向和深度方向z的二维图像；
5)二维扫描振镜沿y方向连续扫描，每扫描一个步距时均执行步骤4)一次，分别得到对应每个扫描步距时样品沿x方向和深度方向z的二维图像，由这些图像可重建出样品的三维图像。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1、共路型内窥光学相干层析成像系统，其特征在于：宽带光源(1)发出的光进入第一光环行器(2)端口a，由第一光环行器(2)端口b发出的光依次经第一准直透镜(3)、二维扫描振镜(4)、显微物镜(5)、光纤传像束(6)和格林透镜(7)至样品(9)，返回至端口b的光由第一光环行器(2)端口c进入第二光环行器(10)端口d；由第二光环行器(10)端口e发出的光经第二准直透镜(11)、宽带分光平片(12)后至装在电控平移台(14)上的反射镜(13)；返回至端口e的光由第二光环行器(10)端口f出射后，依次经第三准直透镜(15)、衍射光栅(16)、成像透镜(17)至线阵CCD探测器(18)；二维扫描振镜(4)、电控平移台(14)和线阵CCD探测器(18)均与控制系统连接。
2、根据权利要求1所述的共路型内窥光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的控制系统包括图像采集卡(19)、计算机(20)、函数发生器(21)和步进电机控制器(22)，线阵CCD探测器(18)经图像采集卡(19)接计算机(20)，计算机(20)输出两路信号，一路经函数发生器(21)接二维扫描振镜(4)，另一路经步进电机控制器(22)接电控平移台(14)。
3、根据权利要求1所述的共路型内窥光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的由第一光环行器(2)端口b发出的光依次经第一准直透镜(3)、二维扫描振镜(4)、显微物镜(5)、光纤传像束(6)和格林透镜(7)后，再经过直角棱镜(8)至样品(9)。
4、根据权利要求1所述的共路型内窥光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的光纤传像束(6)的长度大于1000mm，两个端面被加工成与其轴线相垂直的平面，前端面置于显微物镜(5)的焦面上。
5、根据权利要求1所述的共路型内窥光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的宽带分光平片(12)的透射率/反射率接近于62/38。
6、根据权利要求1所述的共路型内窥光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的反射镜(13)为宽带高反射镜。
7、根据权利要求6所述的共路型内窥光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的宽带高反射镜为金属—介质膜宽带高反射镜。
8、根据权利要求1所述的共路型内窥光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的线阵CCD探测器(18)的感光面位于成像透镜(17)的后焦面上，感光面的长度方向与衍射光栅(16)的刻线方向相垂直。
9、根据权利要求1所述的共路型内窥光学相干层析成像系统，其特征在于：所述的第一光环行器(2)和宽带光源(1)、第一准直透镜(3)、第二光环行器(10)之间，以及第二光环行器(10)和第二准直透镜(11)、第三准直透镜(15)之间，用单模光纤连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090520 Termination date: 20110703 |