CN100588969C - 微流控芯片立体流场流速矢量的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微流控芯片立体流场流速矢量的测量方法及系统。将谱域光学相干层析技术(SD-OCT)和多普勒效应相结合，并在此基础上运用窄带相位片。谱域OCT通过干涉光谱的并行探测来实现对微流控芯片流场深度信息的提取，成像速度较常规的时域OCT大为提高。综合利用多普勒频移和多普勒展宽，并在成像探头的准直镜和聚焦透镜之间插入窄带相位片，实施多普勒信息的空间编码，实现空间高分辨三维速度矢量的成像要求，再结合基于相位分辨技术的多普勒OCT方法则能够满足高速度高灵敏度的测量要求，最终实现对微流控芯片立体流场的高分辨率、高速度、高灵敏度、大成像范围的速度矢量成像。

Description

微流控芯片立体流场流速矢量的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及谱域光学相干层析成像(SD-OCT)和多普勒技术，尤其是涉及一种微流控芯片立体流场流速矢量的测量方法及系统。

背景技术

微流控芯片是现代分析科学的前沿技术，是微全分析系统(uTAS)的主要研究方向，将对生命科学、环境科学、医学和化学等领域带来革命性的影响。自从1995年加州大学伯克利分校在微流控芯片上实现高速DNA测序以来，它已经成功应用于氨基酸、蛋白质、细胞、药物、微量元素的检测，显示出了巨大的应用潜力。

微流控芯片流场的精确控制是微流控芯片设计的关键。现行的设计算法中所能包含的模拟参数非常有限，而空间受限通道中的微流体由于受到表面效应、静电效应、化学效应、细胞动力学效应、非均匀边界介质等诸多因数的影响，实际的流场与理论模型会有一定的差距。因此，发展相应的测量方法是十分必要的。目前用于流体动态观测的方法主要是粒子成像测速技术，精度和可靠性受成像CCD分辨率的制约。传统的成像技术如多普勒US、功能MRI等，空间分辨率都比较低。由于缺乏观测微流控芯片中流体运动特性的有效手段，目前微流控芯片应用水平已领先于对微流控芯片中流体流动机理的认识，这种状况的持续将制约微流控芯片技术的进一步发展。而发展中的光学多普勒层析成像(Optical Doppler Tomography，ODT)技术则是潜在的流场速度测量手段。

谱域光学相干层析成像(Spectral-Domain Optical Coherence Tomography，简称SD-OCT)是一种目前处于热点研究中的光学成像技术，相对于传统的临床成像手段来说，具有分辨率高、成像速度快、无辐射损伤、价格适中、结构紧凑等优点，是基础医学研究和临床诊断应用的重要潜在工具。特别是谱域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，成像速度得到极大地提高。基于多普勒效应和光学相干层析成像技术的ODT能够实现三维空间高分辨的速度成像要求，而基于相位分辨技术的ODT方法则能够满足高速度高灵敏度的测量要求。但将现行ODT技术拓展为大范围立体流场矢量速度的快速测量，仍是一个需要面对的技术挑战。目前的矢量速度测量主要依据血管网的空间取向来实施，空间分辨率不高，也无法移植到微流控芯片流场的测量中。最近Yeh-Chan Ahn等人提出的基于三层光学延迟片的矢量速度测量方法，则牺牲了太多的成像深度，这对谱域OCT来说是一大制约因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控芯片立体流场流速矢量的测量方法及系统，通过插入适当形式的窄带相位片，提取窄带方向的多普勒展宽，解决了多普勒信息在不同探测光方向上的编码问题，从而实现三维空间的速度矢量的测量。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一、一种实现微流控芯片立体流场流速矢量测量的方法：

在光学相干层析系统成像探头的准直镜和聚焦透镜之间插入窄带相位片，获取窄带方向的多普勒展宽，解决了多普勒信息在不同探测光方向上的编码问题，从而实现三维空间的速度矢量的测量，具体步骤如下：

1)从光纤耦合器样品臂端口发出的光先由准直镜准直，然后通过窄带相位片，此时光分为两部分，一部分因为经过了窄带相位片而产生一定的光程差，再由探测物镜聚焦于样品，另一部分直接由探测物镜聚焦于样品；

2)从样品返回的反射光和散射光经由探测物镜收集，再次通过窄带相位片和准直镜，然后返回光纤耦合器，与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉；此时根据光程差的不同会形成三幅多普勒OCT流场的多普勒展宽图像，分别对应探测光两次通过、只有一次通过和没有通过窄带相位片的情况；最后结合多普勒频移图像，确定多普勒夹角α，方向角φ和流速V大小，即三维空间的速度矢量。

多普勒夹角α和流速V大小由多普勒频移f_d和多普勒展宽f_b得到：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{4}{\mathrm{\π}\sqrt{\ln 2}}\frac{1}{{\mathrm{NA}}_{\mathrm{eff}}}\frac{f_b-b}{f_d}\right)---\left(1\right)$

V＝λf_d/2cosα    (2)

NA_eff为探测光束的有效数值孔径，b为非速度因素导致的多普勒展宽常数，λ为光源的中心波长。

根据公式(1)、(2)不能确定流速V投影在与光轴垂直面上分量的方向角φ，因而不能确定一个未知的空间速度矢量；但在测量物镜的前面加入窄带相位片后，因为光程差的不同会形成三幅多普勒OCT流场的多普勒展宽图像，其中对应探测光进入并返回两次通过窄带相位片的图像得到窄带相位片方向上的多普勒展宽B_X，而窄带方向是事先设定的；对应于光只有一次通过和没有通过窄带相位片的两幅多普勒展宽图像得到流速V投影在与光轴垂直面上的速度分量V_⊥对应的多普勒展宽B_⊥；

由此得到方向角φ：

φ＝cos^-1(B_X/B_⊥)    (3)

二、一种实现微流控芯片立体流场流速矢量测量的系统：

包括光纤干涉仪、成像探头和探测单元，其特征在于：所述的成像探头依次由准直镜、窄带相位片、振镜和聚焦透镜依光路组合而成；通过成像探头内部的振镜在X方向上的转动实现成像探头在X方向上的扫描成像；通过成像探头外部的精密步进电机驱动实现成像探头在Y方向上的扫描成像，由此重建三维的OCT图像。

本发明的原理为：准直光束经窄带相位片后，由振镜反射，再由探测物镜聚焦于样品，样品返回的光束又一次经过窄带相位片，与参考光在光程匹配处发生干涉。干涉图案因窄带相位片的加入而发生变化，最终形成三组干涉数据。提取窄带方向对应的干涉数据得到设定方向的速度分量，再结合多普勒频移法得到的纵向速度分量和多普勒展宽法得到的横向速度分量，确定了三维空间的速度矢量。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)该方法简单易行，成本低廉。只需在常规OCT样品臂的准直镜和探测物镜之间插入合适的窄带相位片，即可得到对应三种不同光程差的干涉数据。采用成熟的玻璃加工技术和薄膜技术制作窄带相位片，可以得到很高的精度和较低的成本。

2)该方法可以适用于光纤型的OCT系统，且牺牲了较少的成像深度，几乎是现有的矢量测速OCT系统牺牲成像深度的一半。这是在谱域OCT中实施矢量速度测量的重要优势。

3)能实现对微流控芯片立体流场的高分辨率、高速度、高灵敏度的速度矢量成像。分辨率为2-10微米，单点的成像速度为几十KHz，灵敏度100dB左右。

4)初步实验表明，通过上述方法可以实现测量精度高达95％的矢量速度测量。

本发明是一种经济简易的新型矢量测速技术，可促进实现OCT系统在临床医学上的进一步推广。

附图说明

图1是本发明的谱域OCT矢量测速系统结构示意图。

图2是本发明的谱域OCT矢量测速系统的成像探头结构示意图。

图3是本发明的利用窄带相位片测矢量速度的原理图。

图中：1、光纤干涉仪，2、成像探头，3、探测单元，4、宽带光源，5、偏振控制器，6、隔离器，7、宽带光纤耦合器，8、第二准直镜，9、衍射光栅，10、双胶合透镜，11、快速线阵CCD，12、第一准直镜，13、色散补偿器，14、中性滤波片，15、反射镜，16、第三准直镜，17、窄带相位片，18、振镜，19、聚焦透镜，20、微流控芯片(样品)，21、精密步进电机

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矢量测速系统结构示意图，宽带光源4发出的低相干光，经第一偏振控制器5和隔离器6后，进入宽带光纤耦合器7，分光后分别经第二、第三偏振控制器5进入参考臂和样品臂。从参考臂光纤出来的光经第一准直镜12准直后，通过色散补偿器13和中性滤光片14后入射到反射镜15即参考面上，色散补偿器13和中性滤光片14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15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7。样品臂的光被引入成像探头2，入射到微流控芯片20，芯片的上表层是对光透射的。精密步进电机21带动成像探头实现在Y方向上的扫描。由微流控芯片20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7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5进入探测单元3，从光纤出来的光经第二准直镜8后入射到衍射光栅9，经衍射分光后不同波长的光再通过双胶合消色差透镜10聚焦在快速线阵CCD 11的不同像素上，被快速线阵CCD 11探测，由不同波长得到的信息即可实现样品深度方向即Z方向的扫描。

图2所示为谱域OCT矢量测速系统的成像探头结构示意图，引入成像探头2的光，先由第三准直镜16准直后入射到窄带相位片17，这时光束根据相位的不同分成了两部分，即经过窄带相位片后的光和没有经过窄带相位片的光。随后光束又被在X方向振动的振镜18反射，由聚焦透镜19聚焦于微流控芯片20。经微流控芯片20反射和散射后的光由聚焦透镜19收集，再经过振镜18后，入射到窄带相位片17，这时光束根据通过窄带相位片的次数分成三部分光束，即没有通过窄带相位片，一次通过窄带相位片和两次通过窄带相位片。这三部分光束经过准直镜耦合回到光纤干涉仪，然后在光程匹配处与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉。

如图3所示，根据光程差的不同会得到三组数据，形成三组流场的结构图像、多普勒频移图像和多普勒展宽图像。其中一组多普勒展宽图像对应于探测光两次通过窄带相位片17，另外两组多普勒展宽图像分别对应于探测光只有一次通过和没有通过窄带相位片17的情况。再结合各自对应的多普勒频移图像，得到多普勒夹角α，方向角φ和流速V大小，即三维空间的速度矢量。根据多普勒展宽图像对应的数据计算得到：

$V\sin \mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\λ}(f_b-b)}{\mathrm{\π}\sqrt{\ln 2}\·{\mathrm{NA}}_{\mathrm{eff}}}---\left(1\right)$

再根据多普勒频移图像对应的数据计算得到：

Vcosα＝λf_d/2    (2)

综合公式(1)和公式(2)得到：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{4}{\mathrm{\π}\sqrt{\ln 2}}\frac{1}{{\mathrm{NA}}_{\mathrm{eff}}}\frac{f_b-b}{f_d}\right)---\left(3\right)$

V＝λf_d/2cosα    (4)

对应于探测光两次通过窄带相位片的图像可得到窄带相位方向上即与速度分量V_X对应的多普勒展宽B_X；另外两幅图像对应于光只有一次通过和没有通过窄带相位片的情况，这两幅多普勒展宽图像的测量结果则可得到流速V投影在与光轴垂直面上的速度分量V_⊥对应的多普勒展宽B_⊥。

由此可以得到方向角φ：

φ＝cos^-1(B_X/B_⊥)    (5)

理论和初步实验表明：上述方法和系统可以实现测量精度高达95％的矢量速度测量。

Claims (4)

1、一种微流控芯片立体流场流速矢量的测量方法，其特征在于：在光学相干层析系统成像探头的准直镜和聚焦透镜之间插入窄带相位片，获取窄带方向的多普勒展宽，解决了多普勒信息在不同探测光方向上的编码问题，从而实现三维空间的速度矢量的测量，具体步骤如下：

1)从光纤耦合器样品臂端口发出的光先由准直镜准直，然后通过窄带相位片，此时光分为两部分，一部分因为经过了窄带相位片而产生一定的光程差，再由探测物镜聚焦于样品，另一部分直接由探测物镜聚焦于样品；

2)从样品返回的反射光和散射光经由探测物镜收集，再次通过窄带相位片和准直镜，然后返回光纤耦合器，与来自参考臂的参考光汇合并发生干涉；此时根据光程差的不同会形成三幅多普勒OCT流场的多普勒展宽图像，分别对应探测光两次通过、只有一次通过和没有通过窄带相位片的情况；最后结合多普勒频移图像，确定多普勒夹角α，方向角φ和流速V大小，即三维空间的速度矢量。

2、根据权利要求1所述的一种微流控芯片立体流场流速矢量的测量方法，其特征在于：多普勒夹角α和流速V大小由多普勒频移f_d和多普勒展宽f_b得到：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{4}{\mathrm{\π}\sqrt{\ln 2}}\frac{1}{{\mathrm{NA}}_{\mathrm{eff}}}\frac{f_b-b}{f_d}\right)---\left(1\right)$

V＝λf_d/2cosα                    (2)

NA_eff为探测光束的有效数值孔径，b为非速度因素导致的多普勒展宽常数，λ为光源的中心波长。

3、根据权利要求2所述的一种微流控芯片立体流场流速矢量的测量方法，其特征在于：根据公式(1)、(2)不能确定流速V投影在与光轴垂直面上分量的方向角φ，因而不能确定一个未知的空间速度矢量；但在测量物镜的前面加入窄带相位片后，因为光程差的不同会形成三幅多普勒OCT流场的多普勒展宽图像，其中对应探测光进入并返回两次通过窄带相位片的图像得到窄带相位片方向上的多普勒展宽B_X，而窄带方向是事先设定的；对应于光只有一次通过和没有通过窄带相位片的两幅多普勒展宽图像得到流速V投影在与光轴垂直面上的速度分量V_⊥对应的多普勒展宽B_⊥；

由此得到方向角φ：

φ＝cos^-1(B_X/B_⊥)            (3)。

4、实现如权利要求1所述的一种微流控芯片立体流场流速矢量的测量方法的系统，包括光纤干涉仪、成像探头和探测单元，其特征在于：所述的成像探头依次由准直镜、窄带相位片、振镜和聚焦透镜依光路组合而成；通过成像探头内部的振镜在X方向上的转动实现成像探头在X方向上的扫描成像；通过成像探头外部的精密步进电机驱动实现成像探头在Y方向上的扫描成像，由此重建三维的OCT图像。

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