CN101091647A - 硬管式共路型内窥oct并行成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬管式共路型内窥OCT并行成像方法及系统。采用具有整数倍周期长度的格林棒透镜作为内窥探头传光器件，使用柱透镜实现对内腔壁的线聚焦照明，利用面阵CCD探测器进行谱域信号的并行探测。格林棒透镜的前端面置于柱透镜后焦面上，整数倍周期长度可保证传输至后端面的光束形状与入射前端面的相一致，因此可把后端面作为参考面，它和样品具有共轭成像关系，二者构成一个共路的传感干涉仪，它们之间的光程差由另一共路干涉仪进行补偿。线照明并行成像技术与谱域探测技术的结合，无需扫描即能快速得到内腔壁的二维图像。本发明具有成像质量不受环境影响、速度快、操作简单，内窥探头结构紧凑、更换方便，使用安全的特点。
Description
技术领域
本发明涉及医学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格林棒透镜作为内窥探头传光器件的硬管式共路型内窥OCT并行成像方法及系统。
背景技术
医学内窥镜是一种无创或微创医疗仪器，借助它医生可以直接观察人体内部器官的组织病变，和进行手术治疗。传统医学内窥镜只能观察内部器官表面的病变，而病变往往首先发生于器官的断层内。超声技术的引入使得内窥镜在观察内腔粘膜面的同时，也能观察到器官断层的组织形态，然而其分辨率在毫米量级，远未达到探测组织异常，如早期癌变时的组织结构所要求的分辨率水平。
光学相干层析成像术(Optical Coherence Tomography，简称OCT)能非侵入地对活体组织的断层结构、生理功能乃至分子信息进行可视化观察，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、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。因此，OCT技术与内窥技术相结合形成的内窥OCT技术，能为医生的正确诊断提供客观依据。
现有的内窥OCT系统，如美国MIT的Fujimoto小组(Guillermo J.Tearney，et al.，In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography，Science，1997，276：2037～2039)、加州大学的Chen小组(Tuqiang Xie，et al.，Fiber-optic-bundle-based optical coherence tomography，Optics Letters，2005，30(14)：1803～1805)等提出的系统，一般采用光纤或光纤束作为内窥探头的传光器件，并把探头置于干涉结构的样品臂上。由于系统为非共路干涉结构，光纤或光纤束存在的色散和偏振态改变，以及环境温度变化和振动等因素，会使成像质量显著下降。因此，必须考虑对上述因素进行精确匹配，使得系统的构成和调节异常复杂。而且，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。
内窥探头有软、硬管之分，其中硬管式内窥探头具有图像清晰度高、操作容易的特点，而被医务人员广泛使用。Chen小组(Tuqiang Xie，et al.，GRIN lensrod based probe for endoscopic spectral domain optical coherence tomography withfast dynamic focus tracking，Optics Express，2006，14(8)：3238～3246)提出了基于格林棒透镜(GRIN lens rod，梯度折射率棒透镜)的硬管式内窥探头，但被置于非共路干涉结构的样品臂上，具有和上述内窥OCT系统相同的问题。另外，由于采用横向点扫描方式，使得系统需要一套复杂的扫描机构、成像时间变长、和需经图像重建才能得到二维或三维图像。
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硬管式共路型内窥OCT并行成像方法及系统。该方法及系统把格林棒透镜的端面反射光作为参考光，它和来自样品的信号光构成一个共路的传感干涉仪，参考光和信号光之间的光程差由另一共路干涉仪进行补偿；采用线聚焦照明、面阵CCD探测的并行谱域OCT技术，无需扫描即能快速得到样品的二维图像。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、硬管式共路型内窥OCT并行成像方法，其特征在于包括以下步骤：
1)计算机通过步进电机控制器驱动电控平移台带着反射镜轴向移动，对参考面和样品间的光程差进行补偿；
2)由面阵CCD探测器采集干涉信号，得到样品线照明方向y上每一点的光强关于波数k的谱域信号I(y，k)分布，并经图像采集卡输入计算机；
3)由计算机对谱域信号I(y，k)沿光谱展开方向进行一维傅立叶逆变换，得到光强关于深度位置z的信号I(y，z)分布，I(y，z)即为样品沿线照明方向y和深度方向z的二维图像。
二、硬管式共路型内窥OCT并行成像系统：
宽带光源发出的光接光环行器端口a，由光环行器端口b发出的光经第一准直透镜、宽带分光平片后至装在电控平移台上的反射镜；由反射镜和宽带分光平片返回的光至端口b后，再由光环行器端口c出射，然后经第二准直透镜和柱透镜后，至宽带分光棱镜；被宽带分光棱镜透射的光，依次经格林棒透镜、格林透镜、直角棱镜后至样品；由样品和格林棒透镜的后端面返回至宽带分光棱镜的光被反射后，依次经第三准直透镜、光纤传像束、第四准直透镜、衍射光栅和成像透镜后，至面阵CCD探测器；第二准直透镜、柱透镜、宽带分光棱镜、格林棒透镜、第三准直透镜和光纤传像束的一端安装在支承盒里；电控平移台和面阵CCD探测器与控制系统连接。
所述的控制系统包括图像采集卡、计算机和步进电机控制器，面阵CCD探测器经图像采集卡接计算机，计算机经步进电机控制器接电控平移台。
所述的反射镜为宽带高反射镜。
所述的格林棒透镜的长度为整数倍周期长度，前端面位于柱透镜的后焦面和第三准直透镜的前焦面上。
所述的格林透镜的长度小于四分之一周期长度，它的一端与格林棒透镜的后端面粘接，另一端与直角棱镜的一直角边粘接。
所述的光纤传像束的前端面位于第三准直透镜的后焦面上，后端面位于第四准直透镜的前焦面上。
所述的衍射光栅位于第四准直透镜的后焦面和成像透镜的前焦面上，刻线方向平行于样品上的线照明方向。
所述的面阵CCD探测器的感光面位于成像透镜的后焦面上。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明为共路干涉结构，成像质量几乎不受环境影响：格林棒透镜的后端面和样品构成一个共路的传感干涉仪，二者之间的光程差由另一共路干涉仪进行补偿，整个系统为共路干涉结构，具有对环境温度变化、振动，器件色散等因素不敏感的特点，成像质量得到保证；
2、本发明具有成像速度快、操作简单的特点：采用柱透镜实现对内腔壁的线聚焦照明，利用面阵CCD探测器进行谱域信号的并行探测，无需扫描即能快速得到样品的二维图像，避免了复杂的扫描机构、以及由一维到二维的图像重建工作。并行成像技术与谱域技术的结合，是实现OCT实时成像的最佳途径；
3、本发明采用格林棒透镜作为内窥探头的传光器件，它与起聚焦作用的格林透镜、转折光束方向的直角棱镜相粘接，构成硬管式内窥探头，具有不受内腔气体干扰的特点，能获得内腔壁的清晰图像；
4、本发明可根据具体运用场合更换使用不同的内窥探头，而无需对系统进行复杂调节，只需进行小行程范围的光程匹配即可。而现有内窥OCT系统一般需进行诸如色散匹配、偏振态调节和大行程范围的光程匹配等复杂操作；
5、本发明设计的内窥探头具有结构紧凑、使用安全的特点：探头内部使用的器件数量较少、各器件的加工、以及装配关系简单，便于实现探头的小型化，使其更易进入各种器官进行成像；探头内部无任何运动部件和驱动电流，具有非常高的安全性。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
图2是用于说明光束通过柱透镜后在两垂直面内变化的光路展开示意图；
图3是本发明的控制系统示意图。
图中：1.宽带光源，2.光环行器，3.第一准直透镜，4.宽带分光平片，5.反射镜，6.电控平移台，7.第二准直透镜，8.柱透镜，9.宽带分光棱镜，10.支承盒，11.格林棒透镜，12.格林透镜，13.直角棱镜，14.样品，15.第三准直透镜，16.光纤传像束，17.第四准直透镜，18.衍射光栅，19.成像透镜，20.面阵CCD探测器，21.图像采集卡，22.计算机，23.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：
本发明提出的硬管式共路型内窥OCT并行成像系统如图1所示，宽带光源1发出的光接光环行器2端口a，再由光环行器2端口b出射至第一准直透镜3，准直后平行入射宽带分光平片4时被分成反射光和透射光，透射光平行入射固定在电控平移台6上的反射镜5。反射镜5采用宽带高反射率镜面，具体可以是金属一介质膜宽带高反射镜，以保证系统具有较高的能量利用率。
被反射镜5和宽带分光平片4反射后的光束沿原路返回到光环行器2端口b后，再由光环行器2端口c出射至第二准直透镜7，准直后平行入射柱透镜8。光束通过柱透镜8后，在柱透镜轴向与光轴构成的面内(设为x-z面)不具有聚焦作用，仍为平行光出射；而在柱透镜径向与光轴构成的面内(设为y-z面)具有聚焦作用，光束向其后焦面聚焦。为了显示直观和叙述方便，图2中分别画出了光束形状在上述两互相垂直面内的变化情况，并把自柱透镜8以后的光路沿光轴展开进行绘图。在图1中给出的为y-z面内的示意图。
在图1中，也即在图2中的y-z面内，柱透镜8相当于一个凸透镜，由它来的光束经宽带分光棱镜9透射后聚焦于格林棒透镜11的前端面上，该端面位于柱透镜8的后焦面和第三准直透镜15的前焦面上。格林棒透镜11的长度为整数倍周期长度(具体由所需成像的部位来确定)，可保证传输至后端面的光束形状与入射前端面的相一致。且端面有大约2％的反射率，故可把后端面作为参考面，它和样品14具有共轭成像关系，二者构成一个接近于共路的、起信号传感作用的干涉仪。传输至格林棒透镜11后端面的光束被分成透射光和反射光。透射光以较大的发散角度出射，被格林透镜12聚焦后以较小的发散角度出射，再被直角棱镜13改变90°方向后从侧面入射样品9。格林透镜12的长度小于四分之一周期长度，具体数值由所需焦距的长度来确定，它的一端与格林棒透镜11的后端面粘接、另一端与直角棱镜13的一直角边粘接。
由样品14反射或后向散射的光，和被格林棒透镜11后端面反射的光，沿原路返同至宽带分光棱镜9后被反射，再经第三准直透镜15准直后平行入射光纤传像束16的前端面。由光纤传像束16后端面出射的光束被第四准直透镜17聚焦于衍射光栅18。衍射光栅18位于第四准直透镜17的后焦面和成像透镜19的前焦面上，光栅刻线方向与线照明方向y一致。聚焦光束直接沿衍射光栅18的刻线缝隙透过，到达成像透镜19后被准直成平行光束入射面阵CCD探测器20的像面。面阵CCD探测器20的像面位于成像透镜19的后焦面上，且像素数多的像素行沿x方向布置，用于探测色散开来的光谱信息；而像素数少的像素列则沿y方向，用于探测样品14上线照明区域所成的像。
在图2所示的x-z面内，由柱透镜8来的光束经宽带分光棱镜9透射后平行入射格林棒透镜11的前端面，传输至后端面的光束被分成透射光和反射光。透射光平行出射后被格林透镜12聚焦，再被直角棱镜13改变90°方向后从侧面入射样品9。把上述x-z面和y-z面内光束的形状结合起来，可知入射在样品14上的光束为一条沿y轴方向的细线，即为线聚焦照明。从样品14和格林棒透镜11后端面原路返回至宽带分光棱镜9的光束，被反射后平行入射第三准直透镜15，再被聚焦于光纤传像束16的前端面上。由光纤传像束16后端面出射的光束被第四准直透镜17准直后平行入射衍射光栅18，衍射后色散开来的光束被成像透镜19聚焦于面阵CCD探测器20的像面上。
第二准直透镜7、柱透镜8、宽带分光棱镜9、格林棒透镜11、第三准直透镜15和光纤传像束16的前端面固定在支承盒10上。电控平移台6和面阵CCD探测器20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21、计算机22、步进电机控制器23。计算机22通过图像采集卡21控制面阵CCD探测器20进行干涉谱域信号的采集，并把采集到的信号输入计算机22进行一维傅立叶逆变换等信息处理、以及图像显示。计算机22经步进电机控制器23输出信号，驱动电控平移台6，由它带着反射镜5轴向移动，进行信号光和参考光之间的光程匹配。
面阵CCD探测器20和图像采集卡21可从市场购买，分别如比利时XenICs公司的CHEETAH InGaAs面阵CCD探测器和美国National Instruments公司的PCI-1409图像采集卡。电控平移台6和步进电机控制器23为配套产品，可一起购买，如北京卓立汉光仪器有限公司的TSA25-S-DS超精密电控平移台和SC系列步进电机控制器。
本发明提出的硬管式共路型内窥OCT并行成像方法，其具体步骤如下：
1)计算机通过步进电机控制器驱动电控平移台带着反射镜轴向移动，对参考面和样品间的光程差进行补偿；
2)由面阵CCD探测器采集干涉信号，得到样品线照明方向y上每一点的光强关于波数k的谱域信号I(y，k)分布，并经图像采集卡输入计算机；
3)由计算机对谱域信号I(y，k)沿光谱展开方向进行一维傅立叶逆变换，得到光强关于深度位置z的信号I(y，z)分布，I(y，z)即为样品沿线照明方向y和深度方向z的二维图像。
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、硬管式共路型内窥OCT并行成像方法，其特征在于包括以下步骤：
1)计算机通过步进电机控制器驱动电控平移台带着反射镜轴向移动，对参考面和样品间的光程差进行补偿；
2)由面阵CCD探测器采集干涉信号，得到样品线照明方向y上每一点的光强关于波数k的谱域信号I(y，k)分布，并经图像采集卡输入计算机；
3)由计算机对谱域信号I(y，k)沿光谱展开方向进行一维傅立叶逆变换，得到光强关于深度位置z的信号I(y，z)分布，I(y，z)即为样品沿线照明方向y和深度方向z的二维图像。
2、硬管式共路型内窥OCT并行成像系统，其特征在于：宽带光源(1)发出的光接光环行器(2)端口a，由光环行器(2)端口b发出的光经第一准直透镜(3)、宽带分光平片(4)后至装在电控平移台(6)上的反射镜(5)；由反射镜(5)和宽带分光平片(4)返回的光至端口b后，再由光环行器(2)端口c出射，然后经第二准直透镜(7)和柱透镜(8)后，至宽带分光棱镜(9)。被宽带分光棱镜(9)透射的光，依次经格林棒透镜(11)、格林透镜(12)、直角棱镜(13)后至样品(14)；由样品(14)和格林棒透镜(11)的后端面返回至宽带分光棱镜(9)的光被反射后，依次经第三准直透镜(15)、光纤传像束(16)、第四准直透镜(17)、衍射光栅(18)和成像透镜(19)后，至面阵CCD探测器(20)；第二准直透镜(7)、柱透镜(8)、宽带分光棱镜(9)、格林棒透镜(11)、第三准直透镜(15)和光纤传像束(16)的一端安装在支承盒(10)里；电控平移台(6)和面阵CCD探测器(20)与控制系统连接。
3、根据权利要求2所述的硬管式共路型内窥OCT并行成像系统，其特征在于：所述的控制系统包括图像采集卡(21)、计算机(22)和步进电机控制器(23)，面阵CCD探测器(20)经图像采集卡(21)接计算机(22)，计算机(22)经步进电机控制器(23)接电控平移台(6)。
4、根据权利要求2所述的硬管式共路型内窥OCT并行成像系统，其特征在于：所述的反射镜(5)为宽带高反射镜。
5、根据权利要求2所述的硬管式共路型内窥OCT并行成像系统，其特征在于：所述的格林棒透镜(11)的长度为整数倍周期长度，前端面位于柱透镜(8)的后焦面和第三准直透镜(15)的前焦面上。
6、根据权利要求2所述的硬管式共路型内窥OCT并行成像系统，其特征在于：所述的格林透镜(12)的长度小于四分之一周期长度，它的一端与格林棒透镜(11)的后端面粘接，另一端与直角棱镜(13)的一直角边粘接。
7、根据权利要求2所述的硬管式共路型内窥OCT并行成像系统，其特征在于：所述的光纤传像束(16)的前端面位于第三准直透镜(15)的后焦面上，后端面位于第四准直透镜(17)的前焦面上。
8、根据权利要求2所述的硬管式共路型内窥OCT并行成像系统，其特征在于：所述的衍射光栅(18)位于第四准直透镜(17)的后焦面和成像透镜(19)的前焦面上，刻线方向平行于样品(14)上的线照明方向。
9、根据权利要求2所述的硬管式共路型内窥OCT并行成像系统，其特征在于：所述的面阵CCD探测器(20)的感光面位于成像透镜(19)的后焦面上。
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| 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: 20090422 Termination date: 20110720 |