CN102599883B - 用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，包括光谱频带I相干层析成像系统、光谱频带II相干层析成像系统和中央处理器；中央处理器接收测量支I和测量支II干涉叠加数据通过公式

进行分析处理；本发明能够拟合光源功率差异以及光电转换效率对检测结果的影响，避免现有技术中由于光源功率差异与光电探头对不同波长的光电转换效率问题导致的测量不准确和难以实现正确诊断的问题，利用同步采集的光谱频带I被检测体的反射强度归一化光谱频带II的反射光强，得到光谱频带II的相对反射率，确保了被检测体的反射率的准确测量，从而准确诊断早期病变，为被检测体早期病变的及时诊断和治疗提供理论依据。

Description

用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统

技术领域

本发明涉及一种用于疾病早期诊断的器械，特别涉及一种用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统。

背景技术

生物体上的某些器官病变是导致生物体退化的主要原因，特别是对于一些疾病，发病率较高并且不具有可逆性。比如青光眼是一种常见的不可逆性致盲疾病，其发病率在致盲眼病中仅次于白内障，居第二位。就目前医学界对青光眼的研究，还难以帮助正常人预防青光眼的发生；特别是原发性开角型青光眼与原发闭角型慢性青光眼，由于该病初期没有症状或症状轻微，很容易被忽视；当出现可察觉的症状时，对于眼中视觉非常重要的部分已造成无法挽回的丧失。因此，对于类似青光眼的早发现、早诊断、早治疗是防病变恶化的较好解决方法。

现有技术中，如检查青光眼的常规方法包括眼压测量，视野测量，眼底形貌检测以及利用光学相干层析成像检测视神经纤维层的厚度变化等方法，其中光学相干层析成像检测视神经纤维层的厚度变化这一方法由于采用非接触和无损伤的成像技术，且具有较高的分辨率，简单实用，具有综合的科学研究和医学临床应用价值。

但是，即使利用现有的光学相干层析成像技术检查出青光眼等病变部位，在确诊时该部位都已经遭受了不可逆的损害。为解决类似于青光眼等的早期病变的诊断问题，出现了利用正常眼睛与青光眼视网膜神经纤维层对近红外与可见光反射率的差异，提出采用双频带光学相干层析成像技术测量视网膜神经纤维层的反射率检测早期青光眼，可在视神经未明显受损前进行诊断。但该系统由于光源功率差异与光电探头对不同波长的光电转换效率问题，导致测量不准确，难以实现正确诊断。

因此，需要一种用于早期病变诊断的实验或临床医用器械，利用病变部位对光的反射率变化，确保对病变部位实现早期诊断，为病变部位的及时诊断和治疗提供理论依据。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提供一种用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，利用病变部位对光的反射率变化，确保对病变部位实现早期诊断，为病变部位的及时诊断和治疗提供理论依据。

本发明的用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，包括相干层析成像系统Ⅰ、相干层析成像系统Ⅱ和中央处理器；

所述相干层析成像系统Ⅰ和相干层析成像系统Ⅱ均对应包括：

光源Ⅰ和光源Ⅱ，光源Ⅰ用于为相干层析成像系统Ⅰ提供光源，光源Ⅱ用于为相干层析成像系统Ⅱ提供光源，光源Ⅰ和光源Ⅱ波段不同；

测量支Ⅰ和测量支Ⅱ，测量支Ⅰ用于将由光源Ⅰ耦合形成的信号光入射至被检测体并接收被检测体对信号光的反射光；测量支Ⅱ用于将由光源Ⅱ耦合形成的信号光入射至被检测体并接收被检测体对信号光的反射光；

参考支Ⅰ和参考支Ⅱ，参考支Ⅰ用于传输由光源Ⅰ耦合形成的参考光并使该参考光与对应的测量支Ⅰ的反射光干涉叠加；参考支Ⅱ用于传输由光源Ⅱ耦合形成的参考光并使该参考光与对应的测量支Ⅱ的反射光干涉叠加；

探测支Ⅰ和探测支Ⅱ，用于采集对应的测量支Ⅰ和测量支Ⅱ的反射光以及对应的参考支Ⅰ和参考支Ⅱ的参考光干涉叠加图像进行光电转化并传输至中央处理器进行分析处理；

所述测量支Ⅰ与测量支Ⅱ通过耦合形成用于同步采集被检测体反射光的同一测量支；

所述中央处理器接收探测支Ⅰ和探测支Ⅱ干涉叠加数据通过公式进行分析处理，其中R_x为被检测体的相对反射率，R_I(x,y,λ₁)为测量支Ⅰ在被检测体的反射率，R_II(x,y,λ₂)为测量支Ⅱ在被检测体的反射率，P₁为测量支Ⅰ入射至被检测体的光强，P₂为测量支Ⅱ入射至被检测体的光强，η₁为测量支Ⅰ的光电转化效率，η₂为测量支Ⅱ的光电转化效率，x、y为被检测体的平面坐标值，λ为光波长。

进一步，所述光源Ⅰ经过滤波片及耦合透镜处理后通过2×2光纤分束器Ⅰ耦合形成参考支Ⅰ和测量支Ⅰ，所述探测支Ⅰ接入2×2光纤分束器Ⅰ；

所述光源Ⅱ通过2×2光纤分束器Ⅱ耦合形成参考支Ⅱ和测量支Ⅱ，所述探测支Ⅱ接入2×2光纤分束器Ⅱ；

进一步，所述光源Ⅰ通过一1×2光纤分束器Ⅰ后一支进入2×2光纤分束器Ⅰ，另一支进入一用于检测光源Ⅰ的稳定性信号并将该信号反馈至光源Ⅰ的控制系统Ⅰ的光电探测器Ⅰ；

所述光源Ⅱ通过一1×2光纤分束器Ⅱ后一支进入2×2光纤分束器Ⅱ，另一支进入一用于检测光源Ⅱ的稳定性信号并将该信号反馈至光源Ⅱ的控制系统Ⅱ的光电探测器Ⅱ；

进一步，所述探测支Ⅰ包括用于接收2×2光纤分束器Ⅰ传来的干涉叠加信号的光谱仪Ⅰ和用于接收光谱仪Ⅰ传来的光谱信号并将其转化为数字信号输送至中央处理器的CCD图像传感器Ⅰ；

所述探测支Ⅱ包括用于接收2×2光纤分束器Ⅱ传来的干涉叠加信号的光谱仪Ⅱ和用于接收光谱仪Ⅱ传来的光谱信号并将其转化为数字信号输送至中央处理器的CCD图像传感器Ⅱ；

进一步，所述测量支Ⅰ与测量支Ⅱ通过测量耦合滤波片耦合形成同一测量支。

本发明的有益效果：本发明的用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，包括具有波段不相同的相干层析成像系统Ⅰ和相干层析成像系统Ⅱ，并结合中央处理器，中央处理器对相关数据进行处理，以获得被测体二维截面像或三维立体图像，得到各组织层的形貌，也能够得到两个波段在各层的相对反射光强；该光强拟合了光源功率差异以及光电转换效率对检测结果的影响，避免现有技术中由于光源功率差异与光电探头对不同波长的光电转换效率问题导致的测量不准确，难以实现正确诊断的问题，利用早期病变体及正常部位对其中一波段光的反射强度的不同；比如，早期青光眼与正常眼睛的视网膜神经纤维层（RNFL层）在红外波段的反射率变化小，而可见光波段变化大，为了避免入射方向等因素对反射率变化的影响，利用同步采集的红外波段RNFL层的反射强度归一化可见波段的反射光强，得到可见波段的相对反射率，确保了视网膜神经纤维层的反射率的准确测量，从而准确诊断早期青光眼（或其它病变部位），为早期病变的及时诊断和治疗提供理论依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构原理示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构原理示意图，如图所示：本实施例的用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，包括相干层析成像系统Ⅰ、相干层析成像系统Ⅱ和中央处理器21；

所述相干层析成像系统Ⅰ和相干层析成像系统Ⅱ均对应包括：

光源Ⅰ31和光源Ⅱ1，用于为相干层析成像系统Ⅰ和相干层析成像系统Ⅱ提供光源，光源Ⅰ31和光源Ⅱ1波段不同；如图所示，相干层析成像系统Ⅰ对应的光源Ⅰ31，相干层析成像系统Ⅱ对应的光源Ⅱ1；本实施例中，光源Ⅰ31为可见光源，光源Ⅱ1为红外光源；

测量支Ⅰ和测量支Ⅱ，用于将由光源耦合形成的信号光入射至被检测体并接收被检测体对信号光的反射光；如图所示，相干层析成像系统Ⅰ对应的测量支Ⅰ，相干层析成像系统Ⅱ对应的测量支Ⅱ；

参考支Ⅰb和参考支Ⅱa，用于传输由光源耦合形成的参考光并使该参考光与对应的测量支Ⅰ和测量支Ⅱ的反射光干涉叠加；如图所示，相干层析成像系统Ⅰ对应的参考支Ⅰb，如图所示，参考支Ⅰb的参考光经凸透镜33、平面透镜34、凸透镜35和平面透镜36准直后经反射镜37形成反射，光路上还设有光纤接头32，结构与现有技术相同，在此不再赘述；相干层析成像系统Ⅱ对应的参考支Ⅱa，如图所示，参考支Ⅱa的参考光经凸透镜5、平面透镜6、凸透镜7和平面透镜9准直后经反射镜8反射，光路上还设有光纤接头4，结构与现有技术相同，在此不再赘述；

探测支Ⅰ和探测支Ⅱ，用于采集对应的测量支Ⅰ和测量支Ⅱ的反射光以及对应的参考支Ⅰa和参考支Ⅱb的参考光干涉叠加图像进行光电转化并传输至中央处理器21进行分析处理；如图所示，相干层析成像系统Ⅰ对应的探测支Ⅰ，相干层析成像系统Ⅱ对应的探测支Ⅱ；

所述测量支Ⅰ与测量支Ⅱ通过耦合形成用于同步采集被检测体反射光的同一测量支c；完成对被检测者的同步测量，测量结果由各自的CCD同步采集到中央处理器（计算机）21，由计算机处理，得到被测对象的二维或三维图像与其他相关的信息。

所述中央处理器接收测量支Ⅰ和测量支Ⅱ干涉叠加数据通过公式进行分析处理，其中R(x,y)为被检测体的相对反射率，R_I(x,y,λ₁)为测量支Ⅰ在被检测体的反射率，R_II(x,y,λ₂)为测量支Ⅱ在被检测体的反射率，P₁为测量支Ⅰ入射至被检测体的光强，P₂为测量支Ⅱ入射至被检测体的光强，η₁为测量支Ⅰ的光电转化效率，η₂为测量支Ⅱ的光电转化效率。

$R_I(x,y,{\mathrm{\λ}}_1)=\underset{z_2}{\overset{z_1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{OCT}}(x,y,z,{\mathrm{\λ}}_1),R_{\mathrm{II}}(x,y,{\mathrm{\λ}}_2)=\underset{z_2}{\overset{z_1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{OCT}}(x,y,z,{\mathrm{\λ}}_2),$ 其中，x、y为被检测体的平面坐标值，z为被测体对应组织的深度坐标，λ为光波长。

上述可见光相干层析成像系统和红外相干层析成像系统均采用迈克耳逊干涉仪，所包含光测量支、参考支和测量支以及光源等完成该结构所需的附属配件，且根据需要进行设计，属于现有技术的结构，在此不再赘述。

本发明光学相干层析成像同样是利用干涉的方法，对被测生物组织各层背反射或散射回来的光成像。基于这一特性，利用二维截面像，可以得到生物组织各层的相对反射强度与相对反射率。

本实施例中，所述光源Ⅰ31为可见光，经过滤波片（图中包括滤波片28、滤波片27）及耦合透镜29处理后形成中心波长为500nm，带宽40nm的可见光，此处仅为清楚的说明本发明，并未限定本发明的保护范围；如图所示，还经过增透膜30及准直透镜29准直，已获得较好的效果；该可见光通过2×2光纤分束器Ⅰ25耦合形成参考支Ⅰb和测量支Ⅰ，所述探测支Ⅰ接入2×2光纤分束器Ⅰ25；

所述光源Ⅱ1为红外光，中心波长为830nm，带宽70nm，当然，能够实现OCT的红外光均可在其中，并不局限于上述波长和带宽；该红外光通过2×2光纤分束器Ⅱ17耦合形成参考支Ⅱa和测量支Ⅱ，所述探测支Ⅱ接入2×2光纤分束器Ⅱ17；

本实施例中，所述光源Ⅰ31（可见光）通过1×2一可见光光纤分束器39后一支进入2×2光纤分束器Ⅰ25，另一支进入一用于检测光源Ⅰ31的稳定性信号并将该信号反馈至可见光源Ⅰ31的控制系统的光电探测器Ⅰ38；

所述红外光通过一1×2光纤分束器Ⅱ2后一支进入2×2光纤分束器Ⅱ17，另一支进入一用于检测光源Ⅱ1（本实施例为红外光）的稳定性信号并将该信号反馈至光源Ⅱ1的控制系统的光电探测器Ⅱ3；

光电探测器Ⅰ38以及光电探测器Ⅱ3均为现有的用于检测光强的设备，所采得的信号输入可见光源以及红外光源的控制系统（光源控制器），为光强控制提供依据，以保证光源的稳定性。

本实施例中，所述探测支Ⅰ包括用于接收2×2光纤分束器Ⅰ25传来的干涉叠信号的加光谱仪Ⅰ19和用于接收光谱仪Ⅰ19传来的光谱信号并将其转化为数字信号输送至中央处理器21的CCD图像传感器Ⅰ20；

所述探测支Ⅱ包括用于接收2×2光纤分束器Ⅱ17传来的干涉叠加信号的光谱仪Ⅱ23和用于接收光谱仪Ⅱ23传来的光谱信号并将其转化为数字信号输送至中央处理器21的CCD图像传感器Ⅱ20；

如图所示，2×2光纤分束器Ⅰ25传来的干涉叠加可见光信号进入光谱仪Ⅰ19之前通过凸透镜18准直，2×2光纤分束器Ⅱ17传来的干涉叠加红外光信号进入光谱仪Ⅱ23之前通过凸透镜22准直，使进入光谱仪的光为平行光，达到较好的接收效果。

本实施例中，所述测量支Ⅰ与测量支Ⅱ为通过测量耦合滤波片15耦合形成的同一测量支，该测量支包括包括用于X-Y平面的扫描镜13、中继镜12以及用于匹配眼睛像差的眼前镜10；如图所示，测量支Ⅰ与测量支Ⅱ通过测量耦合滤波片15之间分别通过对应的透镜14和透镜16折射成平行光，确保耦合效果，被准直的红外与可见光束入射到测量耦合滤波片15时完全重合，以保证两光束经测量支的光学元件后，入射到被测样品的同一点；在中继镜12与眼前镜10之间设有反射镜11，增加其适应性。

本实施例中，所述测量支Ⅰ与测量支Ⅱ耦合形成的同一测量支上位于出射端可移开的方式设有用于测量信号光光强的光强检测装置40，用于方便的检测入射到被测样品的红外与可见光的光强，以保证最终反射率的准确计算；设置方式可以采用现有技术的任何机械结构，以实现在本系统的入射至样品的光前可以打开或关闭，关闭时，光强检测装置40完成光强度检测，也就是检测前述公式中P1（为测量支入射至眼的可见光光强）和P2（为测量支入射至眼的红外光光强）；当然，也可以检测参考支的光强，同样实现发明目的，只是测量支的结果更易于计算准确。

本实施例中，红外相干层析成像系统（红外OCT）的光源是中心波长为830nm，带宽(半高全宽)70nm的SLD。SLD发出的宽带光束经衰减器后由1x2的光纤分束器分成两束，其光功率分束比为1:99。其中较弱的那一束经光电探测器3（PD1）探测，监测光源的波动，反馈到光源控制器（图中没有表示，但该控制器属于现有技术结构），保证光源的稳定，同时，在计算RNFL层相对反射率时，该信号与可见光相干层析成像系统内的光电探测器探测的信号被同步采集，作为光源的相对强度信号，修正RNFL层的相对反射率。光束强度较强的分支经一个2x2的红外光光纤分束器分成50:50的两束光，一束经准直后进入红外参考支，另一束经长通滤波片与可见光耦合到测量支，测量支的所有光学元器件都是可见到近红外消色差的，并镀有可见到近红外的增透膜。从被测样品（被检测体）返回的光束与红外参考支返回的光束形成的干涉信号经光谱仪后由图象采集卡采集到中央处理器（计算机）。

可见光相干层析成像系统（可见光OCT）除光源部分外的其余部分与近红外OCT的结构完全类似。可见光OCT的光源采用氙灯，其发出的光束通过一个截止波长为475nm的长通滤波片(LPF)和一个截止波长为525nm的长通滤波片后经准直境耦合进一个1x2的光纤分束器；与红外光纤分束器的分束比例为1:99，较弱的那支直接与光电探测器Ⅰ38(PD2)相连，其作用与光电探测器3（PD1）相同。光束强度较强的分支与2×2光纤分束器Ⅰ相连，该分束器的分束比例为50:50，其中一束经准直后进入参考支Ⅰ，另一束经长通滤波片与红外光束耦合到测量支。测量支包括X、Y方向的扫描镜，中继镜以及匹配眼睛象差的眼前镜(或成像透镜)。被准直的红外与可见光束入射到测量支时，需调整到完全重合，以保证两光束经测量支的光学元件后，入射到被测样品的同一点。这两光束从被测样品返回后分别与各自的参考支返回的光束形成的干涉信号经光谱仪后由对应的图象采集卡同步采集到中央处理器（计算机）。在数据采集过程中，要求扫描镜、数据采集卡必须同步运行。

数据采集到计算机，将每一行（B-扫描）的数据经插值，傅立叶变换，取对数，滤波，图像显示，得到一个截面像，将所有的数据按扫描的顺序排列，得到三维的图像。在可见光与红外光OCT相同位置的截面像上，取出被检测体（本实施例采用视网膜神经纤维层（RNFL））各点的强度值，将轴向(A-扫描的方向)各点求和，然后用红外光OCT的结果归一化可见光的结果，得出各点相对反射率的值。

虽然上述实施例中，采用了可见光和红外光对应作为相干层析成像系统Ⅰ和相干层析成像系统Ⅱ的光源，但是并不对本发明的保护范围进行限定，本领域技术人员根据本发明的记载，均能够知道，只要使相干层析成像系统Ⅰ和相干层析成像系统Ⅱ采用不同波段的光源，并根据不同病变部位的特性，均能够实现本发明的目的，在此不再赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，其特征在于：包括相干层析成像系统Ⅰ、相干层析成像系统Ⅱ和中央处理器；

所述相干层析成像系统Ⅰ和相干层析成像系统Ⅱ均对应包括：

光源Ⅰ和光源Ⅱ，光源Ⅰ用于为相干层析成像系统Ⅰ提供光源，光源Ⅱ用于为相干层析成像系统Ⅱ提供光源，光源Ⅰ和光源Ⅱ波段不同；

测量支Ⅰ和测量支Ⅱ，测量支Ⅰ用于将由光源Ⅰ耦合形成的信号光入射至被检测体并接收被检测体对信号光的反射光；测量支Ⅱ用于将由光源Ⅱ耦合形成的信号光入射至被检测体并接收被检测体对信号光的反射光；

参考支Ⅰ和参考支Ⅱ，参考支Ⅰ用于传输由光源Ⅰ耦合形成的参考光并使该参考光与对应的测量支Ⅰ的反射光干涉叠加；参考支Ⅱ用于传输由光源Ⅱ耦合形成的参考光并使该参考光与对应的测量支Ⅱ的反射光干涉叠加；

探测支Ⅰ和探测支Ⅱ，用于采集对应的测量支Ⅰ和测量支Ⅱ的反射光以及对应的参考支Ⅰ和参考支Ⅱ的参考光干涉叠加图像进行光电转化并传输至中央处理器进行分析处理；

所述测量支Ⅰ与测量支Ⅱ通过耦合形成用于同步采集被检测体反射光的同一测量支；

所述中央处理器接收探测支Ⅰ和探测支Ⅱ干涉叠加数据通过公式进行分析处理，其中R_x为被检测体的相对反射率，R_I(x,y,λ₁)为测量支Ⅰ在被检测体的反射率，R_II(x,y,λ₂)为测量支Ⅱ在被检测体的反射率，P₁为测量支Ⅰ入射至被检测体的光强，P₂为测量支Ⅱ入射至被检测体的光强，η₁为测量支Ⅰ的光电转化效率，η₂为测量支Ⅱ的光电转化效率，x、y为被检测体的平面坐标值，λ为光波长。

2.根据权利要求1所述的用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光源Ⅰ经过滤波片及耦合透镜处理后通过2×2光纤分束器Ⅰ耦合形成参考支Ⅰ和测量支Ⅰ，所述探测支Ⅰ接入2×2光纤分束器Ⅰ；

所述光源Ⅱ通过2×2光纤分束器Ⅱ耦合形成参考支Ⅱ和测量支Ⅱ，所述探测支Ⅱ接入2×2光纤分束器Ⅱ。

3.根据权利要求2所述的用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，其特征在于：所述光源Ⅰ通过一1×2光纤分束器Ⅰ后一支进入2×2光纤分束器Ⅰ，另一支进入一用于检测光源Ⅰ的稳定性信号并将该信号反馈至光源Ⅰ的控制系统Ⅰ的光电探测器Ⅰ；

所述光源Ⅱ通过一1×2光纤分束器Ⅱ后一支进入2×2光纤分束器Ⅱ，另一支进入一用于检测光源Ⅱ的稳定性信号并将该信号反馈至光源Ⅱ的控制系统Ⅱ的光电探测器Ⅱ。

4.根据权利要求3所述的用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，其特征在于：所述探测支Ⅰ包括用于接收2×2光纤分束器Ⅰ传来的干涉叠加信号的光谱仪Ⅰ和用于接收光谱仪Ⅰ传来的光谱信号并将其转化为数字信号输送至中央处理器的CCD图像传感器Ⅰ；

所述探测支Ⅱ包括用于接收2×2光纤分束器Ⅱ传来的干涉叠加信号的光谱仪Ⅱ和用于接收光谱仪Ⅱ传来的光谱信号并将其转化为数字信号输送至中央处理器的CCD图像传感器Ⅱ。

5.根据权利要求4所述的用于早期病变检测的双频带光学相干层析成像系统，其特征在于：所述测量支Ⅰ与测量支Ⅱ通过测量耦合滤波片耦合形成同一测量支。

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