CN103720460A - 一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置，包括系统光源（1）、1:99光分束器（2）、辅助干涉仪（15）、主干涉仪（16）和采集装置（13），辅助干涉仪（15）产生的干涉信号用于作为采集装置13的外部时钟；依据该外部时钟采集主干涉仪（16）的第二平衡光电探测器（12）输出的电信号并转换为数字信号进入计算机（14）；由计算机（14）对采集装置（13）采集信号进行数据处理，包括对相干层析成像处理，光谱分析处理。本发明将光学相干层析成像对于生物组织病变位置或奇异位置定位和散射信息与光谱分析信息结合，将有利于获得更多的光谱分析信息，有利于医生或科学家找到更多的解决方案。免去了活检的创伤,实现了病变的快速检测。
Description
技术领域
本发明属于光电检测结合生物成像技术领域，具体涉及一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置。
背景技术
层析成像技术是指对被测物体进行横断面成像，它实际上是一个逆散射问题：利用物体在多角度或多频率波场照射下所接收到的前向透射数据或背向散射数据，通过反演算法，求取物体中散射体的相对位置、几何形状或内在参数。光学相干成像是层析成像技术在光学上的应用。
光学相干层析成像将先进的光学技术和超灵敏探测合为一体，加上现代计算机图像处理，发展成为一门新兴的层析成像诊断技术。它与其他医学成像技术相比，例如X射线层析成像、超声层析成像等，具有以下优越性：
1)无辐射损伤、非侵入性
光学相干层析成像光源的发射功率在1～20mW内，不会对生物组织造成损害。当检测组织表面的时候，可将光源直接照射，扫描探测机构不需要与组织表面严密接触。当诊断体内组织的时候，可结合内窥镜技术探测体内空腔浅表组织，所以避免了对病变组织做病理切片这种具有一定破坏性的方法。
2)高灵敏度
光学相干层析成像可达到很高的探测灵敏度，因为干涉仪测量的是场而不是光的强度。参考信号可有效加强微弱的后向散射光信号。用优化系统设计，可得到近似量子极限探测。典型的光学相干成像系统可达到90dB～100dB的探测灵敏度，要探测来自大多数散射生物组织2～3mm深度的光学信号已足够。
3)高分辨率
光学相干层析成像能提供独立于横向分辨率的近似于微米量级（1～15μm）的轴向分辨率，这主要取决于宽带光源的带宽或可调谐光源的调谐范围。
光谱分析，特别是生物组织的吸收光谱，对于鉴别生物组织的特征和成分具有重要作用。如果将光学相干层析成像对于生物组织病变位置或奇异位置定位和散射信息与光谱分析信息结合，将有利于获得更多的光谱分析信息，有利于医生或科学家找到更多的解决方案。
目前还没有一种光学层析成像技术和光谱分析技术结合的方法。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出了一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置和方法,利用传统光学相干层析方法得到生物组织的层析成像特征，对病变部位或奇异部位再进行多中心波长的光学相干层析成像，得到在不同波长下的生物组织病变部位或奇异部位的散射和吸收信息，即在传统光学相干层析方法上增加了光谱分析功能。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
本发明提供的一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置，该装置包括系统光源1、1:99光分束器2、辅助干涉仪15、主干涉仪16和采集装置13，其中：
系统光源1，用于提供由不同中心波长可调谐激光光源组成的光源；
1:99光分束器2，用于将系统光源1的出射光由1:99光分束器2的第一端口进入，并以1:99的比例分别从第二、第三端口分配到辅助干涉仪15和主干涉仪16；
辅助干涉仪15，采用迈克逊干涉仪结构，该结构具体包括第一环行器4、第一50:50耦合器6、第一法拉第转镜7和第二法拉第转镜8、延迟线9和第一平衡光电探测器3，在所述辅助干涉仪15中：从1:99光分束器2的第二端口的出射光进入第一环行器4的第一端口，光从第一环行器4的第二端口射出进入第一50:50耦合器6的第二端口，光从第一50:50耦合器6的第三端口和第四端口分别进入迈克逊干涉仪的两臂，其中一臂设置一个光学延迟线9，其作用是控制辅助干涉仪15输出干涉信号的频率；在迈克逊干涉仪的两臂光经过第一法拉第转镜7和第二法拉第转镜8返回第一50:50耦合器6的第三端口和第四端口，再从第一50:50耦合器6发生干涉，后干涉光从第一50:50耦合器6的第一端口和第二端口射出，第一50:50耦合器6第二端口出射光进入从第一环行器的第二端口，光从第一环行器4的第三端口进入第一平衡光电探测器3；第一50:50耦合器6第一端口出射光也进入第一平衡光电探测器3；第一平衡光电探测器3将光信号转换为电信号，该电信号直接用于产生采集装置13的外部时钟；
主干涉仪16，采用共路结构的迈克逊干涉仪结构，该结构具体包括第二环行器5、第二50:50耦合器10、第二光电平衡探测器12和扫描探头11；在主干涉仪中：从1:99光分束器2的第二端口的出射光进入第二环行器5的第一端口，光从第二环行器5的第二端口射出进入第二50:50耦合器10的第二端口，光从第二50:50耦合器10的第四端口分别共路迈克逊干涉仪的一臂，该臂设置有一个扫描探头11，可扫描探头11下的样品17进行x方向和y方向的扫描；利用扫描探头11末端的反射端面与样品的反射光发生干涉，其干涉光进入第二50:50耦合器10的第四端口；干涉光从第二50:50耦合器10的第一端口和第二端口射出，第二50:50耦合10第一端口出射光进入从第一环行器的第二端口，光从第二环行器5的第三端口进入第二平衡光电探测器12；第二50:50耦合器10第二端口出射光也进入第二平衡光电探测器12；第二平衡光电探测器12将光信号转换为电信号，作为光学相干层析信号被采集装置13采集；
采集装置13，由辅助干涉仪上15的第一平衡探测器3输出的电信号作为外部时钟，用于依据该外部时钟采集主干涉仪16的第二平衡光电探测器12输出的电信号转换为数字信号进入计算机14；以及
计算机14：对采集装置13采集信号进行数据处理，包括对相干层析成像处理，光谱分析处理。
本发明还提出一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析方法，该方法包括以下步骤：
采用由不同中心波长可调谐激光光源组成的光源作为输入光源；
利用辅助干涉仪产生采集装置13的外部时钟；
利用主干涉仪上设置的扫描探头11，对样品17进行x方向和y方向的扫描；利用扫描探头11末端的反射端面与样品的反射光发生干涉，将光信号转换为电信号，作为光学相干层析信号被采集，得到样品进行多中心波长的光学相干层析成像；在不同波长下的生物组织病变部位或奇异部位的散射和吸收信息；
采集装置13依据外部时钟采集主干涉仪16的输出的电信号转换为数字信号进入计算机14；以及
由计算机14对采集装置13采集信号进行数据处理，包括对相干层析成像处理，进行光谱分析处理。
与现有技术相比，本发明利用某一波长的可调谐激光光源形成对生物组织的光学相干层析信号后，确定特定部分如病变部分或重要部分，对此部分利用不同中心波长可调谐激光光源再次进行光学相干层析成像，得到生物组织的病变部分或重要部分的光谱信息。将光学相干层析成像对于生物组织病变位置或奇异位置定位和散射信息与光谱分析信息结合，将有利于获得更多的光谱分析信息，有利于医生或科学家找到更多的解决方案。免去了活检的创伤,实现了病变的快速检测。
附图说明
图1为本发明的一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置结构示意图。
1、系统光源；2、1:99光分束器；3、第一平衡光电探测器；4、第一环行器5、第二环行器；6、第一50:50耦合器；7、第一法拉第转镜；8、第二法拉第转镜；9、延迟线；10、第二50:50耦合器；11、扫描探头12、第二光电平衡探测器；13、采集装置；14、计算机；15、辅助干涉仪16、主干涉仪；17、
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。
如图1所示的一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析的装置，系统光源包含一个中心波长为1310nm的可调谐激光光源和多个中心波长在400nm到1600nm的可调谐激光源，其中1310nm的可调谐激光光源为普通光学相干层析成像提供光源，多个中心波长在400nm到1600nm的可调谐激光源为相干层析成像找到的病变或重要部分提供光谱采集时的光源；
1:99光分束器2：系统光源1的出射光由光分束器的第一端口进入，并以1:99的比例分别从第二、第三端口分配到辅助干涉仪15和主干涉仪16；
辅助干涉仪15：辅助干涉仪为一个迈克逊干涉仪结构，其产生的干涉信号用于作为采集装置13的外部时钟；包括第一环行器4、第一50:50耦合器6、第一法拉第转镜7和第二法拉第转镜8、延迟线9和第一平衡光电探测器3；
从1:99光分束器2的第二端口的出射光进入第一环行器4的第一端口，光从第一环行器4的第二端口射出进入第一50:50耦合器6的第二端口，光从第一50:50耦合器6的第三端口和第四端口分别进入迈克逊干涉仪的两臂，其中一臂设置一个光学延迟线9，其作用是控制辅助干涉仪15输出干涉信号的频率。在迈克逊干涉仪的两臂光经过第一法拉第转镜7和第二法拉第转镜8返回第一50:50耦合器6的第三端口和第四端口，在从第一50:50耦合器6发生干涉，后干涉光从第一50:50耦合器6的第一端口和第二端口射出，第一50:50耦合器6第二端口出射光进入从第一环行器的第二端口，光从第一环行器4的第三端口进入第一平衡光电探测器3。第一50:50耦合器6第一端口出射光也进入第一平衡光电探测器3。第一平衡光电探测器3将光信号转换为电信号，其电信号直接用于采集装置13的外部时钟。
主干涉仪16：是兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置核心，其为共路结构的迈克逊干涉仪结构，包括第二环行器5、第二50:50耦合器10、第二光电平衡探测器12和扫描探头11；
从1:99光分束器2的第二端口的出射光进入第二环行器的第一端口，光从第二环行器5的第二端口射出进入第二50:50耦合器10的第二端口，光从第二50:50耦合器10的第四端口分别共路迈克逊干涉仪的一臂，该臂设置有一个扫描探头11，可扫描探头11下的样品17如生物组织等进行x方向和y方向的扫描。利用扫描探头11末端的反射端面与样品的反射光发生干涉，其干涉光进入第二50:50耦合器10的第四端口。这里扫描探头11末端的反射端面可以采用镀膜处理来获得不同的透过率和反射率，以得到最佳的信噪比和灵敏度。干涉光从第二50:50耦合器10的第一端口和第二端口射出，第二50:50耦合10第一端口出射光进入从第一环行器的第二端口，光从第二环行器5的第三端口进入第二平衡光电探测器12。第二50:50耦合器10第二端口出射光也进入第二平衡光电探测器12。第二平衡光电探测器12将光信号转换为电信号，作为光学相干层析信号被采集装置13采集；
采集装置12：由辅助干涉仪上15的第一平衡探测器3输出的电信号作为外部时钟信号，采集主干涉仪上第二平衡光电探测器12输出的电信号转换为数字信号进入计算机14。
计算机14：对采集装置12采集信号进行数据处理，包括对相干层析成像处理，光谱分析处理。
本发明的一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析方法，包括以下步骤：
传统光学相干层析方法采用单一中心波长的可调谐光源或宽带光源。本方法在与利用传统光学相干层析方法得到生物组织的层析成像特征，对病变部位或奇异部位再进行多中心波长的光学相干层析成像，得到在不同波长下的生物组织病变部位或奇异部位的散射和吸收信息，即在传统光学相干层析方法上增加了光谱分析功能。该方法所基于的兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置是一种频域共路光学相干层析方法，本方法不限于此种光学相干层析方法，其他光学相干层析方法如谱域光学相干层析方法、偏振敏感光学相干层析方法、相位敏感光学相干层析方法等同样适用。
Claims (4)
1.一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置，其特征在于，该装置包括系统光源（1）、1:99光分束器（2）、辅助干涉仪（15）、主干涉仪（16）和采集装置（13），其中：
系统光源（1），用于提供由不同中心波长可调谐激光光源组成的光源；
1:99光分束器（2），用于将系统光源（1）的出射光由1:99光分束器（2）的第一端口进入，并以1:99的比例分别从第二、第三端口分配到辅助干涉仪（15）和主干涉仪（16）；
辅助干涉仪（15），采用迈克逊干涉仪结构，该结构具体包括第一环行器（4）、第一50:50耦合器（6）、第一法拉第转镜（7）和第二法拉第转镜（8）、延迟线（9）和第一平衡光电探测器（3），在所述辅助干涉仪（15）中：从1:99光分束器（2）的第二端口的出射光进入第一环行器（4）的第一端口，光从第一环行器（4）的第二端口射出进入第一50:50耦合器（6）的第二端口，光从第一50:50耦合器（6）的第三端口和第四端口分别进入迈克逊干涉仪的两臂，其中一臂设置一个光学延迟线（9），其作用是控制辅助干涉仪（15）输出干涉信号的频率；在迈克逊干涉仪的两臂光经过第一法拉第转镜（7）和第二法拉第转镜（8）返回第一50:50耦合器（6）的第三端口和第四端口，再从第一50:50耦合器（6）发生干涉，后干涉光从第一50:50耦合器（6）的第一端口和第二端口射出，第一50:50耦合器（6）第二端口出射光进入从第一环行器的第二端口，光从第一环行器（4）的第三端口进入第一平衡光电探测器（3）；第一50:50耦合器（6）第一端口出射光也进入第一平衡光电探测器（3）；第一平衡光电探测器（3）将光信号转换为电信号，该电信号直接用于产生采集装置（13）的外部时钟；
主干涉仪（16），采用共路结构的迈克逊干涉仪结构，该结构具体包括第二环行器（5）、第二50:50耦合器（10）、第二光电平衡探测器（12）和扫描探头（11）；在主干涉仪中：从1:99光分束器（2）的第二端口的出射光进入第二环行器（5）的第一端口，光从第二环行器（5）的第二端口射出进入第二50:50耦合器（10）的第二端口，光从第二50:50耦合器（10）的第四端口分别共路迈克逊干涉仪的一臂，该臂设置有一个扫描探头（11），可扫描探头（11）下的样品（17）进行x方向和y方向的扫描；利用扫描探头（11）末端的反射端面与样品的反射光发生干涉，其干涉光进入第二50:50耦合器（10）的第四端口；干涉光从第二50:50耦合器（10）的第一端口和第二端口射出，第二50:50耦合10第一端口出射光进入从第一环行器的第二端口，光从第二环行器（5）的第三端口进入第二平衡光电探测器（12）；第二50:50耦合器（10）第二端口出射光也进入第二平衡光电探测器（12）；第二平衡光电探测器（12）将光信号转换为电信号，作为光学相干层析信号被采集装置（13）采集；
采集装置（13），由辅助干涉仪上（15）的第一平衡探测器（3）输出的电信号作为外部时钟，用于依据该外部时钟采集主干涉仪（16）的第二平衡光电探测器（12）输出的电信号转换为数字信号进入计算机（14）；以及
计算机（14）：对采集装置（13）采集信号进行数据处理，包括对相干层析成像处理，光谱分析处理。
2.如权利要求1所述的兼容光谱信息分析功能的光学相干层析装置，其特征在于，所述这里扫描探头（11）末端的反射端面采用镀膜处理。
3.一种兼容光谱信息分析功能的光学相干层析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
采用由不同中心波长可调谐激光光源组成的光源作为输入光源；
利用辅助干涉仪产生采集装置（13）的外部时钟；
利用主干涉仪上设置的扫描探头（11），对样品（17）进行x方向和y方向的扫描；利用扫描探头（11）末端的反射端面与样品的反射光发生干涉，将光信号转换为电信号，作为光学相干层析信号被采集，得到样品进行多中心波长的光学相干层析成像；在不同波长下的生物组织病变部位或奇异部位的散射和吸收信息；
采集装置（13）依据外部时钟采集主干涉仪（16）的输出的电信号转换为数字信号进入计算机（14）；以及
由计算机（14）对采集装置（13）采集信号进行数据处理，包括对相干层析成像处理，进行光谱分析处理。
4.如权利要求3所述的兼容光谱信息分析功能的光学相干层析方法，其特征在于，所述这里扫描探头（11）末端的反射端面采用镀膜处理。
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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 | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140416 |