CN102105105A - 扩展范围成像 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种成像仪，该成像仪可以提供与样品中的不同深度相对应的分离图像。根据本发明的一些实施例，成像仪可以包括：光源；样品臂，接收来自光源的光，将所述光导引至样品，并且捕获从所述样品返回的光；调制源，提供与所述样品中的不同成像深度相对应的不同调制；检测器系统，用于接收采用不同调制从样品捕获的光；以及处理器，接收来自检测器系统的光，并且对与所述样品中的不同成像深度相对应的多个图像进行分离。

Description

扩展范围成像
相关申请的交叉引用
本申请涉及和要求2008年7月21日递交的美国临时专利申请No.61/135,613的优先权，为了各种目的，将其公开全部结合本文中，如同这里在这里进行了完整的描述。
技术领域
本公开内容涉及一种生物医学成像和测距(ranging)系统，更具体地，涉及一种与光学相干断层照相(OCT)成像和低相干性干涉测量(LCI)相关联的方法和系统。
背景技术
光学相干断层照相(OCT)是基于低相干性干涉测量(LCI)原理的一种二维成像手段。多年来OCT已经用于非入侵式人眼视网膜成像。在使用OCT对前腔室成像并且执行折射、白内障、青光眼外科手术计划的轴向眼睛长度测量中已经展现出巨大的重要性，参见D.Huang，Y.Li和S.Radhakrishnan，“Optical coherence tomography of the anterior segment of the eye”，Ophthalmology Clin.N.Am.17，1-6(2004)。
然而，由于典型OCT技术的有限扫描深度，对眼睛的整个前腔室成像仍然面临着挑战。与视网膜的深度相比，前腔室的深度非常长。从角膜到晶状体的平均深度是约3.5mm。典型地，前片段OCT扫描深度应该是约5-6mm。如果需要对晶状体的后腔囊进行成像，所述图像的深度至少是9至10mm。如果对整个眼睛长度进行测量，扫描深度应该大于30mm。在执行轴向眼睛长度测量时，典型地只利用从眼睛的前表面和后表面获取的两个低相干性干涉(LCI)测量。然而，眼睛可能会在两个表面的两次测量之间沿轴向移动，从而降低了眼睛长度测量的精确性。
因此，需要一种可以同时采集横跨多个轴向范围的多个OCT图像的方法，以便在较大的扫描范围上执行成像和/或测量。
发明内容
根据本发明的一些实施例，成像仪可以包括：光源；样品臂，接收来自光源的光，将所述光导引至样品，并且捕获从所述样品返回的光；调制源，提供与所述样品中的不同成像深度相对应的不同调制；检测器系统，用于接收采用不同调制从样品捕获的光；以及处理器，接收来自检测器系统的光，并且对与所述样品中的不同成像深度相对应的多个图像进行分离。
在一些实施例中，所述调制源包括具有多个参考路径的参考臂。在一些实施例中，每一个参考路径包括反射镜和与所述反射镜相耦合的调制器，并且其中所述参考路径的路径长度与所述多个图像之一的成像深度相关。在一些实施例中，所述成像仪还可以包括与所述光源、所述样品臂、所述参考臂以及所述检测系统相耦合的分束器/耦合器，其中所述分束器/耦合器向所述样品臂和所述参考臂提供光，从所述样品臂和所述参考臂接收光，并且将来自所述样品臂和所述参考臂的组合光提供给检测器系统。
在一些实施例中，所述调制源包括耦合在所述光源和所述光耦合器之间的干涉仪，所述光耦合器从所述干涉仪向所述样品臂提供光，并且从所述样品臂向所述检测器系统提供光。在一些实施例中，所述光耦合器可以是分束器/耦合器。在一些实施例中，所述光耦合器可以是环形器。
在一些实施例中，所述调制器系统包括干涉仪，并且还包括分束器/耦合器，所述分束器/耦合器从所述光源接收光，向所述样品臂和所述干涉仪提供光，将从所述样品臂和所述干涉仪接收的光进行组合，以及向所述检测器系统提供光。
在一些实施例中，所述调制源包括：第一反射器和第二反射器；并且还包括分束器/耦合器，耦合成从所述光源接收光，并且向所述调制源的第一反射器和第二反射器提供光，所述分束器/耦合器还接收来自所述第一反射器和所述第二反射器的光，并且提供组合的光；以及光耦合器，耦合成接收来自所述分束器/耦合器的组合的光，将所述光耦合到样品臂，并且将从所述样品臂接收的光导引至所述检测器系统。
在一些实施例中，所述处理器执行指令从而：利用OCT成像仪采集具有多个图像的组合的数据组；对所述组合的数据组执行变换以形成频率分布；基于所述多个分离数据的每一个的调制频率，将所述频率分布按光谱分离成多个分离数据；以及对于所述多个分离数据的每一个执行数学运算以产生分离的图像。
下面将参考附图进一步讨论这些和其他实施例。
附图说明
图1示出了传统的OCT设备。
图2A示出了可以利用图1所示的传统OCT设备实现的成像结果的示例。
图2B和2C示出了可以利用根据本发明的OCT设备的一些实施例实现的成像结果的示例。
图3示出了根据本发明的一些实施例的OCT系统。
图4A和图4B示出了在本发明的一些实施例中可以利用的相位扫描机构的实施例。
图5A和图5B示出了在本发明的一些实施例中可以利用的信号处理程序的实施例。
图6A和图6B示出了本发明的一些实施例的示范性应用以在人体组织内扩展成像范围。
图7示出了根据本发明一些实施例的另一个OCT系统。
图8示出了根据本发明一些实施例的用于采集图像的流程图。
图9A、9B和9C示出了本发明的一些另外的实施例。
图10示出了可以在本发明的一些实施例中利用的干涉仪的实施例。
在附图中，具有相同名称的元件具有相同或类似的功能。
具体实施方式
基于傅里叶域(FD-OCT)或者光谱域OCT原理的OCT技术的新分支正在兴起。参见M.Wojtkowski，R.Leitgeb，A.Kowalczyk，T.Bajraszewski和A.F.Fercher的“In vivo human retinal imaging by Fourier domain optical coherence tomography”，J.Biomed.Opt.7，457-463(2002)。FD-OCT提供比现有的时域OCT系统效果显著的信噪比和速度改善。参见R.Leitgeb，C.K.Hitzenberger，和A.F.Fercher，的“Performance of fourier domain vs.time domain optical coherence tomography”，Opt.Express 11，889-894(2003)；J.F.de Boer，B.Cense，B.H.Park，M.C.Pierce，G.J.Tearney和B.E.Bouma的“Improved signal-to-noise ratio in spectral-domain compared with time-domain optical coherence tomography”，Opt.Lett.28，2067-2069(2003)；以及M.A.Choma，M.V.Sarunic，C.H.Yang和J.A.Izatt的“Sensitivity advantage of swept source and Fourier domain optical coherence tomography”，Opt.Express 11，2183-2189(2003)。然而FD-OCT中的信噪性能随着扫描深度的增加而降低，这典型地将FD-OCT中的扫描范围限制到约2-3毫米。为了增加扫描深度范围，可以引入相移方法来实现全范围FD-OCT。
全范围复FD-OCT使用相移方法对相对于参考镜的负光路和正光路差之间的不确定性进行解析，以便恢复所述全部有用的成像范围。参见M.Wojtkowski，A.Kowalczyk，R.Leitgeb和A.F.Fercher的“Full range complex spectral optical coherence tomography technique in eye imaging”，Opt.Lett.27，1415-1417(2002)。也已经引入了许多其他相移机构和算法来实现全范围复FD-OCT。例如参见Y.Yasuno，S.Makita，T.Endo，G.Aoki，M.Itoh和T.Yatagai的“Simultaneous B-M-mode scanning method for real-time full-range Fourier domain optical coherence tomography”，Appl.Opt.45，1861-1865(2006)(″Yasuno″)；R.K.Wang的“In vivo full range complex Fourier domain optical coherence tomography”，Appl.Phys.Lett.90，054103(2007)(″Wang″)；以及B.Baumann，M.Pircher，E.
Figure BPA00001306718300041
和C.K.Hitzenberger的“Full range complex spectral domain optical coherence tomography without additional phase shifters”，Opt.Express 15，13375-13387(2007)(″Baumann″)。然而，这些方法只可以将FD-OCT的扫描深度范围增加有限的量，例如增加到约4至6毫米。
图1示出了用于图像同时采集的传统OCT设备100。OCT设备100可以是时域或者傅里叶域OCT变型。参见B.Grajciar，M.Pircher，C.K.Hitzenberger，O.Findl和A.F.Fercher的“ High sensitive measurement of the human axial eye length in vivo with Fourier domain low coherenc
如图1所示，OCT设备100包括光源101，所述光源耦合成向分束器/耦合器103提供光。分束器/耦合器103向样品臂113和参考臂112提供光。光源101可以是适用于OCT成像目的的任意光源。可以用于时域OCT或者傅里叶域OCT的合适光源包括但是不局限于诸如超发光二极管之类的宽带光源。可以在傅里叶域OCT的扫描源类型中使用的合适光源包括但是不局限于可调激光源。在一些实施例中，光源101可以产生不同的波长或者不同的带宽，用于执行不同的组织穿透和/或轴向分辨率的成像。
分束器/耦合器103接收来自光源101的光，并且将所述能量发送到样品臂113和参考臂112两者。如图1所示，样品臂113可以包括各种准直透镜109和聚焦透镜110。此外，样品臂113包括束扫描机构116，用于导引所述束执行样品111的二维或者三维横向束扫描和成像。为了实现同时成像，参考臂112包括附加的分束器/耦合器104，所述附加的分束器/耦合器104将从分束器/耦合器103接收的光束分离为两路或者多路参考臂路径，即参考路径114和参考路径115。参考路径114包括准直透镜105和反射镜107。参考路径115包括准直透镜106和反射镜108。参考路径114和115中的准直透镜105和106分别将来自耦合到分束器/耦合器104的光纤的光束准直，并且在分别从参考反射镜117和118反射之后将所述束聚焦回所述光纤。
参考镜117和118可以用于执行时域OCT中的深度扫描或者可以在傅里叶域OCT过程中保持稳态。可以调节参考镜117和118的位置以反映感兴趣的不同轴向扫描区域。在图1所示的示例中，将参考镜107调节为与眼睛的前段相对应，而将参考镜108调节为与眼睛的后段相对应。因此如图1所示，可以获得对人眼的前段和后段的同时成像。
从样品臂113和参考臂112返回的光束分束器/耦合器103中进行组合，并且传播至检测系统102。检测系统102可以是基于光谱仪的傅里叶域OCT中的光谱仪或者在基于扫描源的傅里叶域OCT中的光电二极管检测器系统。然后可以将所检测的信号发送至处理器117，所述处理器典型地是具有足够数据存储能力的计算机系统，用于保持所接收的图像数据。
如图1所示，为了采集横跨不同轴向范围的OCT成像，同时使用具有不同参考臂长度的两个参考镜(参考镜107和108)。每一个参考臂与样品中不同的深度位置相对应，并且通过单个的检测系统102同时检测两个OCT图像。然而在图1所示的技术中，OCT图像的任何重叠将防止所求和图像的解读，这是因为同时检测了所有图像，并且不存在与如何分离参考镜107和108每一个的贡献的信息。因此，这种方法局限于两个参考镜，并且只能用于对具有不重叠图像的非常简单的样品进行成像，或者用于利用也没有重叠的信号来采集单线的OCT测量(LCI测量)。
图2A示出了利用图1所示的OCT设备100获得的典型结果。因为在图1所示的系统中使用两个参考臂，参考臂114和115，检测系统102将同时检测和采集来自感兴趣的两个不同轴向扫描区域的信号。图2A示出了来自人眼的前段和后段的图像，如图1的反射镜107和108的位置所示。然而如图2A所示，这种技术的缺点是不能彼此区分同时检测的信号，并且将在所显示的图像中将其表现为重叠的图像。图2A所示的重叠图像减小了所得到图像的可解读性，并且阻止了在来自感兴趣的两个不同轴向扫描区域的信号之间的确定的测量。
图2B和2C分别示出了眼睛的后段和前段的分离图像。图2B和2C示出了通过本发明的一些实施例获得的结果。本发明的一些实施例提供了一种区分同时采集的信号的方式，并且能够将来自感兴趣的两个轴向扫描区域的信号分离为两个独立的图像。如上所述，分离所述图像解决了重叠图像所产生的可解读性的问题。此外，本发明的一些实施例允许同时采集图像，从而允许来自感兴趣的两个不同轴向扫描区域的精确成像。
例如在美国专利No.7,400,410中所述的一些OCT成像系统包括在不同光学波长工作的两个分离的COT成像仪，可以将所述两个分离的成像仪进行组合以同时接收来自单一样品的分离图像。尽管这种技术允许两个同时采集图像的分离，将每一个图像采集设置为测量来自不同深度的图像，也要求两个分离的OCT成像仪。多个OCT成像仪可能回显著地增加成像系统的复杂度和成本。
可以通过用开关代替图1中的分束器/耦合器104来实现图2B所示的图像的分离。然而，即使使用高速光开关，这两个分离的图像也不会是同时的。如果光学开关器件的开关速度开始接近于零，同时的图像也可能是近似的。然而，如果没有同时采集信号，不能将它们一对一的登记(register)，因此这些图像毫无价值。
根据本发明一些实施例，提出了一种可以横跨多个轴向范围同时采集多个OCT图像的方法。在这些情况下，可以实现所有OCT图像的轴向和横向维度的精确登记，并且可以执行大扫描深度成像或较大距离上的精确形态测量。在本发明的一些实施例中，检测系统只读取所述图像一次，并且可以沿轴向和横向维度精确地登记所得到的图像。另外，根据本发明的一些实施例可以与用于非入侵式眼睛解剖测量的光学扫描仪、用于前腔室成像的光学成像系统和/或用于后段成像的光学成像系统相关联。
图3示出了根据本发明一些实施例的成像仪300。成像仪300包括可以针对基于扫描源或者光谱仪的傅里叶域OCT程序而适当选择的光源302。其中，光源302可以包括适用于OCT成像目的任意光源。用于傅里叶域OCT目的的合适光源包括但是不局限于诸如超发光二极管之类的宽带光源。用于实现傅里叶域OCT的扫描源形式的目的合适光源可以包括但是不局限于可调激光光源。在各种实施例中，光源302可以产生不同波长或者具有不同带宽的辐射，用于执行不同的组织穿透和/或轴向分辨率下的成像。
如图3所示，来自光源302的光导引至光耦合器310，所述光耦合器310将来自光源302的能量发送至样品臂320和参考臂330中。图3的光耦合器310可以是分束器/耦合器，接收来自光源302的光，并且将其导引至样品臂320和参考臂330两者，并且接收来自样品臂320和参考臂330的光，并且将组合的光束导引至检测系统340。样品臂320可以包括光学器件，包括准直光学器件321、束扫描322和聚焦光学器件324。束扫描机构322可以将从光耦合器310接收的光束进行导引，以执行样品360的二维或三维横向束扫描和成像。在一些实施例中，准直光学器件321可以附加地包括偏振控制器，所述偏振控制器可以在一些实施例中用于更加精确地检测图像中产生的数据。然后，样品臂320将从样品360背散射的光提供给光耦合器310。
参考臂330通过光耦合器310接收来自光源302的光，并且向光耦合器310提供参考光。将来自参考臂330的参考光与来自的样品臂320的背散射光进行组合，以产生可以由检测系统340检测到的光谱干涉。
如图3所示，参考臂330可以包括偏振控制器331，以辅助由检测系统34检测的干涉条纹衬底最大化。参考臂可以具有一个或多个分束器/耦合器332，以将参考束进一步分离为两个或更多的参考路径用于同时检测。图3中具体示出了参考路径336-1至336-N，其中N是参考臂的任意个数。通常，所述分离的参考路径的个数N将是感兴趣的分离图像深度的个数。
每一个参考路径336-1至336-N分别包括各种光学器件333-1至333-N以及参考镜334-1至334-N，用于反射来自光源302的能量以提供参考光。参考臂330中的光学器件333-1至333-N可以用于对来自分束器/耦合器332的束进行准直，并且当所述束分别从参考镜334-1至334-N反射回时，将所述束耦合回分束器/耦合器332中。在一些实施例中，可以利用光纤将分束器/耦合器332耦合至光学器件333-1至333-N。光学器件333-1至333-N可以包括但是不局限于适用于该目的各种准直透镜。
例如在Yasuno，Wang和Baumann的文章中已经报道的，可以通过在横向扫描时在参考和/或样品臂中引入恒定的相位调制来将载波频率引入到空间光谱图中。这种调制典型地用于将单个参考臂的OCT成像仪的传统成像范围加倍。
根据本发明的一些实施例，从不同参考路径返回的参考束包括通过对每一个参考路径336-1至336-N采用不同调制的编码信息。反射镜334-1至334-N分别可以是静止的或者可以通过调制器335-1至335-N调制。在样品的横向扫描期间参考镜334-1至334-N的调制等效于检测系统340处的检测信号的频率调制。如上所述，因此可以通过使用每一个参考镜334-1至334-N的不同相位调制对从不同参考路径返回的参考束的信息进行编码。
在调制器335-1至335-N中可以利用各种方法向分别来自每一个反射镜334-1至334-N的反射光束引入恒定的相位调制。在各种实施例中，调制器335-1至335-N可以是其上分别安装了反射镜334-1至334-N的线性压电平移级(linear piezo-translation stage)。所述压电平移级可以配置用于在沿x或y方向的横向扫描时(B-扫描)按照恒定的速度移动反射镜334-1至334-N。在一些实施例中，如在Baumann的文章所讨论的，可以通过从扫描器321的支点引入偏移，在样品臂扫描机构322中实现相位调制。在一些实施例中，可以在参考臂330中放置基于光栅的相位延迟线，使得所述光学群延迟可以接近零，并且只实现了相位调制。图4A和4B中示出了另一个典型实施例，这也实现了具有近似零群延迟的相位调制。
可以在耦合器310中组合从样品臂320和参考臂330返回的束，并且将其发送至检测系统340。检测系统340包括检测器342和光学部件341。检测器342可以是基于光谱仪的傅里叶域OCT中的光谱仪或者是基于扫描源的傅里叶域OCT中的光电二极管检测器。光学部件341可以包括适当的光学器件，将来自光耦合器310的束聚焦到检测器342上。将所检测的信号发送至处理器350，所述处理器典型地是用于分析从检测器342接收的信号、存储所述数据并且按照适当的方式呈现结果的计算机操作软件。因为参考臂中的相位调制可以与在样品臂中执行的横向扫描同步，在一些实施例中，处理器350也可以向样品臂320、参考臂330和检测系统340(虚线箭头)发送控制和同步信号。
图4A和图4B分别示出了调制设备401和402的典型实施例，适用于在参考臂中实现恒定相位调制。每一个设备401和402可以用于代替反射镜334-j和调制器335-j对，其中反射镜334-j是反射镜334-1至334-N的任意一个，以及调制器335-j是调制器335-1至335-N的相应任意一个，并且与参考路径336-j中的反射镜和调制器相对应。
图4A中所示的设备401示出了利用检流计扫描器420在参考臂330中实现恒定相位调制的双通结构。在设备401中，输入束可以进入准直光学器件400，并且通过透镜系统410，所述透镜系统将所述束聚焦到在检流计扫描器420上安装的反射镜上。所述束在与支点的一定偏移处碰撞检流计反射镜，当旋转检流计扫描器420的检流计反射镜时，将引入相位调制。在检流计420中，检流计反射镜安装到透镜410的焦平面，并且通过透镜410将所述束反射回以最终到达后向反射器430，所述后向反射器可以是反射镜。来自反射器430的返回束通过透镜410，再次碰撞检流计扫描器420的检流计反射镜，并且通过透镜410和准直光学器件400回到输入。因为检流计扫描器420的检流计反射镜位于透镜410的后焦平面，从反射器430反射回的所述束将沿着入射路径回到准直光学器件400的输入，这就是双通结构(double-pass configuration)。
图4B所示的设备示出了设备的另一个典型实施例，适用于实现恒定相位调制。在设备420中，输入束可以进入准直光学器件400，并且通过相位调制系统440，所述相位调制系统可以改变所述参考束的光路长度。相位调制系统440的典型实施例是安装到输入到参考束路径中的检流计扫描器上的光学窗口。当检流计旋转时，所述光学窗口改变了相对于参考束的角度，并且改变了光路长度。通过相位调制系统的光束继续到达后向反射器450，所述后向反射器可以是反射镜。来自反射器450的返回束可以在回到准直光学器件400之前返回通过相位调制系统440，再次耦合到设备402外。
图5A和图5B示出了信号处理技术550的典型实施例，所述信号处理技术可以由处理器350执行以区分所述同时采集的图像。图5A示出了所得到的数据组，而图5B示出了可以在处理器350上执行的数据处理程序的流程图。通过使用每一个参考臂路径336-1至336-N上的不同相位调制，可以将不同的载波频率引入到与每一个参考臂路径336-1至336-N相对应的空间光谱图。另外，通过在每一个参考臂路径336-1至336-N中设置不同的路径长度，可以获得与样品360中不同深度相对应的多个图像。
为了说明图5A和图5B的目的，假设将恒定相位调制施加至调制器335-1，使得所述载波频率在横向傅里叶空间中具有u1的空间频率。另外，假设将恒定相位调制施加于调制器335-2，使得所述载波频率在横向傅里叶空间中具有u2的空间频率。如果在横向傅里叶空间中u1足以与u2区分，可以将区分如图5A所示同时采集的信号。尽管这里只示出了参考路径336-1和336-2，本领域普通技术人员将易于理解如何将其扩展至任意个数的参考路径336-1至336-N，以便分离来自每一个参考路径336-1至336-N的图像。
在图5B的步骤562中，采集了如图5A所示的组合数据组。通过检测器342同时检测来自参考臂路径336-1至336-N的不同参考臂路径的空间光谱图，并且将其存储在组合的图像数据组500中。所述组合的图像数据组500包含来自所有参考臂路径336-1至336-N的图像数据，这里示出了来自参考臂路径336-1和336-2的数据。所检测的数据组可以是具有空间频率维度k(或者在转换为k之前的波长λ)的二维数据组。另一个维度将是依赖于扫描方式和坐标定义的横向位置x或y。在一些实施例中，当在样品中没有执行横向扫描时，所述第二维度也可以简单地是采集时间。在传统的FD-OCT中，针对每一个横向位置x或y沿所述k维度执行逆傅里叶变换，对于每一个横向位置产生了OCT信号。
对组合数据组500中存储的同时采集图像进行处理时，针对k维度中的每一个值沿所述横向(x或y)维度执行傅里叶变换501。由于通过调制器335-1至335-N分别引入的载波频率u1和u2，分别与参考镜334-1至334-N相关联的频率含量将以横向傅里叶空间中的不同载波频率为中心，如图5A的频率分布503所示。如频率分布503所示，所述频率含量511以载波频率±u1为中心，包含关于来自参考臂反射镜334-1的空间光谱图的信息。以载波频率±u2为中心的频率含量512包含关于来自参考臂反射镜334-2的空间光谱图的信息。通常，每一个参考臂336-1至336-N以频率分布503中的不同频率u1至uN为中心。如果u1与u2在横向傅里叶空间中足够地分离，可以在光谱选择步骤564中通过使用频率滤波器来选择来自不同参考镜的信息。在一些实施例中，为了执行全范围复FD-OCT，如滤波器505和507所说明的那样，只选择正傅里叶空间中的光谱(即，在光谱选择之前施加海维塞(Heaviside)函数)。如图5A所说明的那样，频率含量511可以与频率含量512分离。
向滤波后的光谱511应用逆傅里叶变换509，可以产生复数据组521。对滤波后的光谱512应用逆傅里叶变换512，可以产生复数据组522。通常，可以对在光谱选择564中形成的每一个分离的光谱应用逆傅里叶变换。如上面讨论的那样，然后对于参考路径336-1至336-N的每一个产生诸如复数据组521和522的复数据组。
图5A所示的复数据组521与来自参考镜334-1的空间光谱相对应，复数据组522与来自参考镜334-2的空间光谱相对应。通过对于调制器335-1和335-2的相位调制的适当选择，因此可以区分同时采集的信号。
在图5A和5B中所示的实施例中示出的用于产生OCT图像的过程的最终步骤是针对传统FD-OCT中的每一个横向位置x或y沿k维度执行逆傅里叶变换。如图5A和5B所示，对于复数据组521执行逆傅里叶变换515以形成全范围图像531。类似地，对于复数据组522执行逆傅里叶变换517以形成全范围图像532。因为复数据组521和522包括实部和虚部信息，将不会存在复共轭镜像，并且可以利用所述FD-OCT系统的全部成像范围(+z至-z)。如图5A所示，所述全范围OCT图像532与从参考镜341-1采集的图像相对应，而全范围OCT图像532与从参考镜334-2采集的图像相对应。通过在包含参考镜334-1和334-2的参考路径中选择适当的光路延迟，可以从样品中感兴趣的不同轴向扫描区域同时采集图像。通常，对于参考路径336-1至336-N的每一个可以获得全范围图像。
尽管图5A和5B示出了对于两个参考路径336-1和336-2的示例，如上所述，可以利用任意个数的参考路径336-1至336-N。通常，图5A和5B中所示的过程550可以一般地应用于多个参考镜，使得同时检测多个空间光谱图。只要可以选择足够的载波频率，使得在横向傅里叶空间的频率含两中没有重叠，就可以将所有同时检测的信号彼此相区分。
在一些实施例中，载波频率之一(例如u1)可以是零，使得在所述参考臂路径中(即静止镜)中不执行相位调制。这种情况将于传统FD-OCT相同，并且将不能得到全成像范围(+z至-z)。然而，为了对诸如视网膜之类的薄样品进行成像，全成像范围的一半(正z或负z空间)通常是足够的。只要第二载波频率(例如u2)与u1(在这种情况下是零)在横向傅里叶空间中足以分离，就可以区分从感兴趣的两个不同轴向扫描区域中同时采集的信号。
图6A和6B示出了利用本发明的实施例扩展诸如人眼之类的样品内的成像范围的示例。因为可以同时采集图像，可以在轴向和横向两个维度实现精确的登记。因此，可以通过参考路径336-1至336-n中的路程长度差的精确校准来扩展成像范围。
图6A示出了人眼600的前段中的扩展成像范围。如同样6A所示，可以执行扫描范围602。全范围复FD-OCT的最大成像范围通常是约6mm，不足以对包括晶状体后膜的整个前腔室进行成像。图6A所示的示例示出了可以调节的两个参考镜的光路，使得一个参考镜(例如参考镜334-1)对前腔室的正面部分604成像，而第二参考镜(例如参考镜334-2)对前腔室的背面部分606成像。成像区域602与具有斜线的矩形框相对应。
使用传统的现有技术，同时采集的图像将重叠并且使得所得到的图像无法解读，如图6A中的图像610所示。在本发明的一些实施例中，可以区分从感兴趣的两个分离轴向扫描区域采集的图像，并且将它们组合在一起以形成图像620，将系统的成像范围有效地加倍为约12mm，足以覆盖眼睛600的整个前腔室。
图6B示出了利用本发明的一些实施例的示例，用于在感兴趣的许多不同在轴向扫描区域中执行同时成像。如图6B所示，成像区域650和652是眼睛600中的感兴趣区域。可以调节两个参考镜中的光路，使得一个参考镜(例如参考镜334-1)对所述前腔室的正面部分成像，而第二参考镜(例如参考镜334-2)对眼睛的后段中的视网膜成像。成像区域650和652与具有斜线的矩形框相对应。使用传统的现有技术，同时采集的图像将重叠并且使得所得到的图像无法解读民，如图6B中的图像660所示。图像670示出了从感兴趣的两个分离的轴向扫描区域中采集的分离图像672和674。因为可以精确地测量两个参考镜334-1和334-2之间的光路差，可以确定两个图像672和674之间的分离距离，并且可以将所述图像按照整个成像样品(例如人眼600)中正确的解剖关系来放置。另外，因为同时采集了两个图像，可以精确地确定诸如从眼睛的前表面到眼睛的后表面的距离之类的形态测量。
如上所述，可以获得任意个数的分离图像。图6A和6B示出了将两个图像从两个参考路径中分离。在一些实施例中，可以通过使用用于同时采集的三个参考镜来组合图6A和6B中所示的示例。因此，可以执行如图6A所示的约12mm成像范围的整个前腔室的成像，并且在如图6B所示的形态测量时同时采集后段中视网膜的图像。
图7示出了根据本发明实施例的OCT成像仪700。OCT成像仪700表示双束低相干性干涉仪。在一些实施例中，OCT成像仪700对于样品的移动不敏感。在一些实施例中，OCT成像仪700可以适用于基于扫描源和基于光谱仪的傅里叶域低相干性干涉仪(LCI)。通常，OCT成像仪700包括光源702、干涉仪730、样品臂720、检测系统740和处理器750。光源700可以包括适用于LCI或OCT成像目的的任意光源。适用于傅里叶域OCT的合适光源可以包括但是不局限于诸如超发光二极管之类的宽带光源。用于实现傅里叶域OCT的扫描源形式的目的合适光源可以包括但是不局限于可调激光光源。在一些实施例中，光源702可以包含不同的波长或不同的带宽，用于执行不同的组织穿透和/或轴向分辨率的成像。
如图7所示，干涉仪730可以包括隔开可调距离的反射表面731和732。所述反射表面731和732的相对光路与所采集的图像的深度的分离度相对应。在数据采集期间可以通过调制器735和736调制所述两个反射表面的一个或两个，以在采集期间向所检测的信号提供恒定相位调制。透镜系统733和734将光耦合进和耦合出干涉仪730。将来自干涉仪730的光提供给光耦合器710，所述光耦合器710将光导引至样品臂720，并且将从样品臂720接收的光导引至检测系统740。在一些实施例中，光耦合器710可以是光环形器。在一些实施例中，光耦合器710可以是分束器/耦合器。样品臂720可以包括各种准直光学器件721、束扫描机构722和聚焦光学元件724。束扫描机构722可以导引所述束执行样品760的二维或三维横向束扫描和成像，或者可以对于轴向测量保持静止。
两个反射表面731和732之间的距离d可以调节为与眼睛的轴向长度相匹配。在这种情况下，从角膜和视网膜返回的低相干性干涉测量信号可以呈现给检测系统740。如图7所示的检测系统740可以包括光学元件741和检测器742。检测器742可以是基于光谱仪的傅里叶域OCT中的光谱仪或者基于扫描源的傅里叶域OCT中的光检测系统(例如光电二极管检测器系统)。可以采用适当的光学器件或光学部件741将所述束聚焦到检测器742上。检测器742响应于所述束向处理器750提供信号。可以是计算机系统的处理器750将所述信号存储为图像数据，并且可以如前所述的那样处理所述图像数据。因为需要同步参考臂中的相位调制以便进行采集，所述计算机也可以向样品臂、参考臂和/或检测系统(虚线箭头)发送控制和同步信号。
在一些实施例中，可以在数据采集期间通过调制器735和736分别调制干涉仪730的反射表面731和732的一个或两个，以提供恒定相位调制。因此可以对从样品臂(例如视网膜)的较长光路长度返回的信号编码相位调制。这将允许从样品(例如角膜和视网膜)中不同路长返回的信号的分离。可以在调制器735和736中利用各种方法来向反射表面731和732引入恒定相位调制。图4A和4b中示出了另一个典型实施例，可以用于在数据采集期间实现恒定相位调制。
图8示出了根据本发明一些实施例的OCT成像仪中提供图像的过程800。如图8所示，在步骤802中，首先将诸如图3中所示的样品360或者图7中所示的样品760之类的样品与OCT成像仪对准，使得可以对信号强度进行优化。对准之后，在步骤804中开始数据采集。在步骤806中，采集对于A线扫描的数据线。在步骤808中，执行对于下一个数据线的相移调制。例如，在图3所示实施例的检测系统340中或者在图4所示实施例的检测系统740中检测相移调制。在步骤810中，改变横向位置。例如，可以通过图3所示实施例中的扫描机构322或者图7所示实施例中的扫描机构722完成横向位置的改变。在步骤812中，如果没有完成全扫描，那么过程800回到步骤806。如果已经完成了全扫描，那么过程800进入到图像处理814。例如，图像处理814可以执行如图5A和5B所示的过程550。
图9A示出了OCT成像仪700，其中将光耦合器710实现为环形器910。环形器910接收来自干涉仪730的光，并且将所述光提供给样品臂720，并且接收来自样品臂720的光，并且将所述光提供给检测器系统740。环形器910比分束器/耦合器作为光耦合器710的优点是将更高百分比的光耦合到样品臂720和检测系统740中。
图9B示出了成像仪920，表示根据本发明一些实施例的成像仪的另一个实施例。如参考图7的成像仪700所讨论的，成像仪920包括光源702、检测系统740、处理器750和样品臂720。将来自光源702的光通过分束器/耦合器930耦合到样品臂720和干涉仪930中。对在分束器/耦合器930处从样品臂720和干涉仪930接收的光进行组合并且耦合到检测系统740中。如图9B所示，干涉仪930包括反射器931和932，每一个反射器均可以分别耦合到调制器935和936。如参考图7所讨论的，反射器931和932之间的距离与样品760中的图像之间的深度差相对应。透镜系统933和934耦合和聚焦通过干涉仪930的光。如图9B所示，反射器931可以部分反射，反射器932可以全反射。
图9C示出了成像仪950，示出了根据本发明的另一个实施例。如图9C所示，将来自光源702的光耦合到分束器/耦合器957中，所述分束器/耦合器将光传播至反射器951和952。反射器951和952也可以包括耦合光学器件，用于接收来自分束器/耦合器957的光，并且将所述光耦合回分束器/耦合器957。如图9C所示，反射器951和952可以分别耦合至调制器955和956。尽管在图9C中只示出了两个反射器，即反射器951和952，可以将附加的分束器用于添加所需数量的反射器，每一个提供与不同成像深度相对应的不同调制束，这与图3所示的实施例类似。
将从反射器951和952接收的光组合到分束器/耦合器957中并且耦合到光耦合器959中。光耦合器959可以是分束器/耦合器或者是诸如图9A所示的环形器910之类的环形器。如图9C所示，将来自光耦合器959的光耦合到样品臂720中。将从样品臂720接收到的光接收到光耦合器959中并且传输至检测系统740。如前所述，处理器750可以耦合用于成像仪950的控制方面。
图7和图9A示出了干涉仪730，所述干涉仪包括两个部分反射的反射镜731和732。图9B示出了干涉仪930，所述干涉仪包括一个部分反射的反射镜931和一个全反射的反射镜932。图10示出了干涉仪1000，所述干涉仪可以用于代替图9B的干涉仪930或者图7或图9A的干涉仪730。
如图10所示，光进入环形器1010中的干涉仪1000。在一些实施例中，可以用分束器/耦合器替代环形器1010。来自环形器1010的光进入分束器1020，其中将所述光分割并且耦合到反射器1030和1050中。如上所述，反射器1030和1050可以包括耦合光学器件。另外反射器1030和1050分别与调制器1040和1060耦合。利用反射器1030和反射器1050的路径长度中的差别与所采集图像的不同深度相对应。
在每一个实施例中，可以按照任意方式将光从一个部件耦合到另一个部件，例如利用光纤。另外，一些实施例可以包括如所需要在各种位置的聚焦或耦合光学器件。
为了解释的目的，如上所述讨论了本发明的一些实施例。本领域普通技术人员根据这里公开的实施例应该认识到多种替代实施例。这些替代意欲落在本发明公开的范围之内。另外，这些实施例并非意欲限制本发明的范围。因此，本发明只由所附权利要求限定。

Claims (22)

1.一种成像仪，包括：
光源；
样品臂，接收来自光源的光，将所述光导引至样品，并且捕获从所述样品返回的光；
调制源，提供与所述样品中的不同成像深度相对应的不同调制；
检测器系统，用于接收采用不同调制从样品捕获的光；以及
处理器，接收来自检测器系统的信号，并且对与所述样品中的不同成像深度相对应的多个图像进行分离。
2.根据权利要求1所述的成像仪，其中所述调制源包括具有多个参考路径的参考臂。
3.根据权利要求2所述的OCT成像仪，其中每一个参考路径包括反射镜和与所述反射镜相耦合的调制器，并且其中所述参考路径的路径长度与所述多个图像之一的成像深度相关。
4.根据权利要求2所述的OCT成像仪，还包括与所述光源、所述样品臂、所述参考臂以及所述检测器系统耦合的分束器/耦合器，其中所述分束器/耦合器向所述样品臂和所述参考臂提供光，从所述样品臂和所述参考臂接收光，并且将来自所述样品臂和所述参考臂的组合光提供给检测器系统。
5.根据权利要求1所述的OCT成像仪，其中所述调制源包括耦合在所述光源和所述光耦合器之间的干涉仪，所述光耦合器从所述干涉仪向所述样品臂提供光，并且从所述样品臂向所述检测器系统提供光。
6.根据权利要求5所述的成像仪，其中所述光耦合器是分束器/耦合器。
7.根据权利要求5所述的成像仪，其中所述光耦合器是环形器。
8.根据权利要求5所述的成像仪，其中所述干涉仪包括第一反射表面和第二反射表面，所述第一反射表面和所述第二反射表面中的每一个部分地透射光，其中所述第一反射表面和所述第二反射表面之间的距离与所述样品中的成像深度相对应。
9.根据权利要求5所述的成像仪，其中所述干涉仪包括第一反射表面、第二反射表面和分束器，所述分束器将光导引至所述第一反射表面和所述第二反射表面。
10.根据权利要求1所述的成像仪，其中所述调制器系统包括干涉仪，并且还包括分束器/耦合器，所述分束器/耦合器从所述光源接收光，并且向所述样品臂和所述干涉仪提供所述光，将从所述样品臂和所述干涉仪接收的光进行组合，并且向所述检测器系统提供光。
11.根据权利要求10所述的成像仪，其中所述干涉仪包括第一反射器和第二反射器，所述第一反射器和第二反射器中的每一个部分地反射，并且隔开与所述样品中的不同成像深度相对应的距离。
12.根据权利要求10所述的成像仪，其中所述干涉仪包括与分束器耦合的第一反射器和第二反射器。
13.根据权利要求1所述的成像仪，其中所述调制源包括第一反射器和第二反射器；并且还包括：
分束器/耦合器，耦合成从所述光源接收光，并且向所述调制源的第一反射器和第二反射器提供光，所述分束器/耦合器还接收来自所述第一反射器和所述第二反射器的光，并且提供组合的光；以及
光耦合器，耦合成接收来自所述分束器/耦合器的组合的光，将所述光耦合到样品臂，并且将从所述样品臂接收的光导引至所述检测器系统。
14.根据权利要求13所述的成像仪，其中所述光耦合器是环形器。
15.根据权利要求13所述的成像仪，其中所述光耦合器是分束器/耦合器。
16.根据权利要求1所述的成像仪，其中所述处理器执行指令从而：
利用OCT成像仪采集具有多个图像的组合的数据组；
对所述组合的数据组执行变换以形成频率分布；
基于多个分离数据的每一个的调制频率，将所述频率分布按光谱分离成多个分离数据；以及
对于所述多个分离数据的每一个执行数学运算以产生分离的图像。
17.根据权利要求1所述的OCT成像仪，其中所述处理器向所述调制源和所述样品臂提供控制信号。
18.根据权利要求1所述的OCT成像仪，其中所述光源包括宽带光源，并且所述检测器系统包括光谱仪。
19.根据权利要求1所述的OCT成像仪，其中所述光源包括扫频激光源，并且所述检测器系统包括光电二极管检测器系统。
20.一种分离在OCT成像仪中同时获得的图像的方法，包括：
利用OCT成像仪采集具有多个图像的组合的数据组；
对所述组合的数据组执行变换以形成频率分布；
基于多个分离数据的每一个的调制频率，将所述频率分布按光谱分离成多个分离数据；以及
对于所述多个分离数据的每一个执行数学运算以产生分离的图像。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述变换是傅里叶变换。
22.根据权利要求20所述的方法，其中执行数学运算包括：
沿横向方向对所分离数据执行逆傅里叶变换；以及
沿频率方向对所分离数据执行逆傅里叶变换。
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