CN103815867A - 连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪 - Google Patents
连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪 Download PDFInfo
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Abstract
连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪，包括：扫频光源、第一和第二光纤耦合器、第一至第六透镜、第一和第二可变光阑、第一和第二轴锥镜、第一和第二平移台、分光片、垂直和水平扫描器、色散补偿片、第一和第二偏振控制器、平衡探测器、第一至第七单模光纤、函数发生卡、数据采集卡和计算机等。该仪器基于扫频OCT技术来实现视网膜的纵向高分辨层析成像；采用一对锥顶相对安装的轴锥镜对来形成大小和厚度可连续调节的环带照明光束，以实现暗视场照明；并采用一可变光阑来滤除照明光信号及其后向反射光信号，而只探测来自视网膜的暗视场光信号。本发明具有环带照明连续可调和图像具有高分辨率、高对比度、和强立体感的特点。
Description
技术领域
本发明涉及活体人眼视网膜的暗视场光学相干层析成像（OCT）仪器，尤其是涉及一种采用轴锥镜对实现连续可调环带照明和基于扫频OCT技术的视网膜成像仪器。
背景技术
很多眼部疾病和非眼部疾病，如老年性黄斑变性、青光眼、和糖尿病等，都会反映在视网膜上，及时发现和跟踪视网膜的形貌变化将有助于上述疾病的早期诊断和预防，因此眼底视网膜检查已成为眼科常规检查中的必要项目。人们一直在不断探索视网膜成像的新技术和改善现有技术的成像效果，但要获得高分辨率、高对比度的视网膜图像仍然十分困难，这是由于：首先，视网膜是半透明组织，上皮细胞吸收了大部分的入射光能量，而被反射的光信号非常微弱。由于活体人眼成像时有安全曝光剂量的限制，靠提高照明光强来改善成像质量的方法并不可取。其次，在大瞳孔成像时人眼存在着复杂、动态变化的像差，采用增大照明光束数值孔径来提高横向分辨率的方法也受到了制约。
视网膜成像方法很多，主要包括：眼底相机、检眼镜、荧光造影术、共焦扫描激光检眼镜、和OCT成像仪等。在所有方法中，OCT技术是发展最快和最具应用前景的技术，并已有商用化的OCT仪器被应用于临床实践，成为医生进行疾病诊断的有力工具。OCT技术利用低相干光干涉原理进行纵向层析成像，能够对生物组织的内部结构进行非侵入式的实时高分辨“光学切片”观察。OCT技术分为时域和频域OCT，频域OCT又包括谱域和扫频OCT技术，它们具有更高的探测灵敏度和更快的成像速度。随着自适应光学（AO）技术被引入到人眼成像中来，如AO技术与OCT技术相结合形成的AO-OCT技术，才实现了视网膜的高分辨率成像。但AO技术具有的高成本、长制作周期、大体积、和动态像差矫正导致的成像稳定性差等特点，制约了它的广泛应用。
暗视场成像技术是观察半透明组织的有效方法，其获得的图像具有较高的对比度和很强的立体感，非常适合于视网膜成像。由于光路上所有的光学器件和角膜界面均存在着后向反射光信号、以及照明光束入射视网膜时存在着镜面反射光信号，它们会形成很强的背景信号，从而占用了探测器的动态范围，使得样品结构微小变化部分的光信号不能被探测到。而在暗视场成像时，可以把有用的暗视场光信号与照明光信号及其后向反射光信号相分离，而只探测来自样品的暗视场光信号，就可实现探测器在低背景信号下的大动态范围成像，从而可观察到组织结构的微小变化和更深层的结构信息。现有的暗视场成像技术，大多采用中心挡光的方式来形成暗视场照明，和在探测端进行边缘遮挡来滤除照明光束的后向反射光信号、而只接收处于中心区域的暗视场光信号。由于照明光束的能量分布大多为高斯型，其总能量的86.5%会分布在光束中心32%的区域内，可见中心遮挡会使系统的光能利用率极低。
轴锥镜是实现暗视场照明的最佳器件。平行光束通过轴锥镜后成为圆锥环带光束，再继续经过光学系统传输后可在入射样品时成为环带光束，形成暗视场照明，且无光束遮挡导致的能量损失问题。高斯光束在通过轴锥镜后，能量较高的中心区域光线被转换到环带的外侧，而能量较低的边缘区域光线则被转换到环带的内侧，这一反转的能量分布比高斯光束更能充分利用照明物镜的数值孔径，再加上环带照明方式本身具有的超分辨效果，就可在同等条件下获得更高的横向分辨率。由于不同人眼、以及同一人眼在病变前后存在着很大的差异，要获得每一观察对象的最佳成像效果，要求照明环带的大小和厚度必须可调，这是单一轴锥镜系统无法实现的功能。而采用一对锥顶相对安装的轴锥镜对则能方便地实现上述功能：通过调节两锥顶之间的距离可调节环带的大小，而调节入射轴锥镜对的光束大小则可调节环带的厚度。
目前还未见视网膜暗视场层析成像技术的相关报道。鉴于OCT技术具有的独特优点、和已经在眼科成像与诊断领域取得的巨大成就，暗视场高分辨率OCT技术将为视网膜的实时活体成像提供一种最佳的手段。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种活体视网膜的暗视场高分辨率实时OCT成像仪器，基于扫频OCT技术来实现视网膜的纵向高分辨层析成像，采用一对锥顶相对安装的轴锥镜对来形成大小和厚度可连续调节的环带照明光束，实现暗视场照明成像；本发明具有环带照明连续可调，和图像具有高分辨率、高对比度、和强立体感的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
包括：扫频光源、第一光纤耦合器、第一透镜、第一可变光阑、第一轴锥镜、第二轴锥镜、第一平移台、分光片、垂直扫描器、水平扫描器、第二透镜、第三透镜、第二可变光阑、第四透镜、第五透镜、第二平移台、色散补偿片、第六透镜、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第二光纤耦合器、平衡探测器、第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤、第五单模光纤、第六单模光纤、第七单模光纤、函数发生卡、数据采集卡和计算机；
扫频光源发出的光信号由第一单模光纤传输至第一光纤耦合器后被分成两路，分别由第二和第三单模光纤传输至样品臂和参考臂；在样品臂中，从第二单模光纤输出的光束，被第一透镜准直和经过第一可变光阑后、平行入射固定在第一平移台上的第一轴锥镜；从第一轴锥镜出射的光束为圆锥环带光束，通过第二轴锥镜后成为圆柱环带光束；圆柱环带光束依次经过分光片、垂直和水平扫描器、第二和第三透镜后，被人眼屈光系统聚焦在视网膜上；被视网膜后向反射或散射的样品光信号，沿原路返回至分光片时，部分样品光信号被分光片反射；反射后的样品光信号的边缘部分被第二可变光阑遮挡，透过第二可变光阑的样品光信号，被第四透镜耦合进第四单模光纤中传输至第二光纤耦合器；
在参考臂中，从第三单模光纤输出的参考光信号，被固定在第二平移台上的第五透镜准直、和经过色散补偿片后，被第六透镜耦合进第五单模光纤中传输至第二光纤耦合器，色散补偿片用于补偿样品臂中各透射器件引起的色散；分别由第四和第五单模光纤传输的样品光和参考光信号，经过第二光纤耦合器后各自分成两路，并分别由第六和第七单模光纤传输至平衡探测器；第一和第二偏振控制器分别安装在第四和第五单模光纤上，用于平衡样品光和参考光之间的偏振态；
扫频光源进行波长扫描的同时发出采样触发信号，去控制数据采集卡同步采集由平衡探测器接收到的干涉光谱信号；由函数发生卡提供的扫描驱动信号与扫频光源发出的采样触发信号同步，分别控制垂直和水平扫描器进行扫描；数据采集卡采集到的信号传输至计算机进行处理。
所述的扫频光源为近红外波段宽光谱光源。
所述的第一和第二轴锥镜为一对相同的轴锥镜，它们的锥顶相对安装；通过第一平移台带着第一轴锥镜做轴向移动，可调节照明环带的大小；通过调节第一可变光阑的孔径，可调节照明环带的厚度。
所述的分光片具有高于70/30的反射/透射比，从视网膜返回的样品光信号中的大部分被分光片反射。
所述的第二透镜的前焦点与第三透镜的后焦点重合，二者构成一个扩束/缩束系统。
所述的第二可变光阑，用于遮挡从视网膜返回样品光信号中对应照明环带部分的光信号。
所述的第二平移台带着第五参考镜移动，直至由视网膜返回的样品光和从第三单模光纤来的参考光之间形成干涉条纹。
所述的第二光纤耦合器具有50:50的分光比。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）本发明首次提出了视网膜的暗视场OCT成像方式，能够获得高对比度和强立体感的视网膜图像，实现用简单易行和低成本的方法解决视网膜成像效果不理想的难题。由于光路上所有的光学器件和角膜界面均存在着后向反射光信号、以及照明光束入射视网膜时存在着镜面反射光信号，它们形成了很强的背景信号，占用了探测器的动态范围，使得视网膜结构微小变化的光信号不能被探测到。本发明采用可变光阑来滤除照明光束形成的背景信号，而只接收来自视网膜的暗视场光信号，从而释放了探测器的动态范围，使得视网膜结构的微小变化以及更深层结构的信息均能被探测到。
（2）本发明提出的成像方式具有超分辨效果，在同等条件下可获得更高横向分辨率的视网膜图像，原因有：a、环带光束照明方式本身就具有超分辨成像效果；b、轴锥镜对使能量较高的中心区域光线转换到环带光束的外侧，而能量较低的边缘区域光线转换到环带光束的内侧，这一反转的能量分布比高斯光束更能充分利用照明物镜的数值孔径；c、接收样品光信号的单模光纤的芯径小于10μm，起着共焦针孔的作用，可滤除焦点区域之外的杂散光信号和环带照明产生的旁瓣信号。
（3）本发明采用轴锥镜对来形成连续可调环带照明光束，实现暗视场照明，克服了通常采用的中心遮挡方式导致的光能损失过大的问题。虽然采用对入射轴锥镜对的光束进行边缘遮挡来调节环带照明光束的厚度，但入射轴锥镜对的光束为高斯能量分布，其边缘光线的能量极低，因此不会造成太大的光能损失。
（4）本发明能便利地调节环带照明光束的大小和厚度，从而满足不同人眼、以及同一人眼在病变前后存在着极大差异时的成像要求，以获得每一观察对象的最佳成像效果。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的控制系统示意图；
图3是环带照明光束形成原理与调节示意图。
图中：1.扫频光源，2.第一光纤耦合器，3.第一透镜，4.第一可变光阑，5-6.第一和第二轴锥镜，7.第一平移台，8.分光片，9-10.垂直和水平扫描器，11-12.第二和第三透镜，13.人眼屈光系统，14.视网膜，15.第二可变光阑，16-17.第四和第五透镜，18.第二平移台，19.色散补偿片，20.第六透镜，21-22.第一和第二偏振控制器，23.第二光纤耦合器，24.平衡探测器，25-31.第一至第七单模光纤，32.函数发生卡，33.数据采集卡，34.计算机。
具体实施方式
本发明提出的连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪的系统结构如图1所示，包括：扫频光源1、第一光纤耦合器2、第一透镜3、第一可变光阑4、第一和第二轴锥镜5-6、第一平移台7、分光片8、垂直和水平扫描器9-10、第二和第三透镜11-12、第二可变光阑15、第四和第五透镜16-17、第二平移台18、色散补偿片19、第六透镜20、第一和第二偏振控制器21-22、第二光纤耦合器23、平衡探测器24、第一至第七单模光纤25-31、函数发生卡32、数据采集卡33和计算机34。
扫频光源1为近红外波段宽光谱光源，由其发出的光信号由第一单模光纤25传输至第一光纤耦合器2后被分成两路，分别由第二和第三单模光纤26-27传输至样品臂和参考臂。
在样品臂中，从第二单模光纤26输出的光束，被第一透镜3准直和经过第一可变光阑4后、平行入射固定在第一平移台7上的第一轴锥镜5；从第一轴锥镜5出射的光束为圆锥环带光束，通过第二轴锥镜6后成为圆柱环带光束；圆柱环带光束依次经过分光片8、垂直和水平扫描器9-10、第二和第三透镜11-12后，被人眼屈光系统13聚焦在视网膜14上。第一和第二轴锥镜5-6为一对相同的轴锥镜，它们的锥顶相对安装；通过第一平移台7带着第一轴锥镜5做轴向移动，可调节照明环带的大小；通过调节第一可变光阑4的孔径，可调节照明环带的厚度。第二透镜11的前焦点与第三透镜12的后焦点重合，二者构成一个扩束/缩束系统。
被视网膜14后向反射或散射的样品光信号，沿原路返回至分光片8。分光片8具有较高的反射/透射比，比如高于70/30，从而使从视网膜14返回的样品光信号中的大部分被分光片8反射；反射后的样品光信号的边缘部分被第二可变光阑15遮挡，透过第二可变光阑15的样品光信号，被第四透镜16耦合进第四单模光纤28中传输至第二光纤耦合器23。第二可变光阑15用于遮挡从视网膜14返回样品光信号中对应照明环带部分的光信号。
在参考臂中，从第三单模光纤27输出的参考光信号，被固定在第二平移台18上的第五透镜17准直、和经过色散补偿片19后，被第六透镜20耦合进第五单模光纤29中传输至第二光纤耦合器23。色散补偿片19用于补偿样品臂中各透射器件引起的色散；第二光纤耦合器23具有50:50的分光比。
分别由第四和第五单模光纤28-29传输的样品光信号和参考光信号，经过第二光纤耦合器23后各自分成两路，并分别由第六和第七单模光纤30-31传输至平衡探测器24。第一和第二偏振控制器21-22分别安装在第四和第五单模光纤28-29上，用于平衡样品光和参考光之间的偏振态。第二平移台18带着第五参考镜17移动，直至由视网膜14返回的样品光信号和从第三单模光纤27来的参考光信号之间形成干涉条纹。
本发明的控制系统如图2所示。扫频光源1进行波长扫描的同时发出采样触发信号，去控制数据采集卡33同步采集由平衡探测器24接收到的干涉光谱信号。由函数发生卡32提供的扫描驱动信号与扫频光源1发出的采样触发信号同步，分别控制垂直和水平扫描器9-10进行扫描。数据采集卡33采集到的信号传输至计算机34进行处理。
图3是用于说明环带照明光束形成原理与调节的示意图。第一和第二轴锥镜5和6为一对相同的轴锥镜，设它们的折射率为n、锥面底角为θ、两锥顶之间的距离为l，可变光阑4的孔径为d1，这些参数均为已知。平行入射光束经过第一轴锥镜5后形成圆锥环带光束，其与光轴的夹角β，可根据Snell定律求得：β＝sin-1(nsinθ)-θ。圆锥环带光束经过第二轴锥镜6后，就形成了圆柱环带光束，其外径d3与内径d2，可根据几何关系求得：
d3＝2·l·sinβ·cosθcos(β+θ)
d2＝2·l·tgβ(1-tgθ·tgβ)-d1
通过第一平移台7带着第一轴锥镜5作轴向移动，可调节两锥顶之间的距离l，从而可调节环带的外径d3，也即实现了环带大小的调节；通过调节可变光阑4的孔径d1，可调节环带的内径d2，从而实现了对环带厚度的调节。人眼像差的存在，制约着成像系统的横向分辨率，但通过对环带大小和厚度的调节，可方便地平衡人眼像差和横向分辨率的矛盾，以获得最佳的成像效果。入射轴锥镜对前的光束通常为高斯型能量分布，如左侧的光强I分布所示。通过轴锥镜对后，能量较高的中心区域光线被转换到环带的外侧，而能量较低的边缘区域光线则被转换到环带的内侧，如右侧的光强I分布所示。这一光线转换的具体过程如下：把平行入射光束的中心部分标记为光线a，边缘部分标记为光线b；平行入射光束经过第一轴锥镜5后形成圆锥环带光束，光线a转换为圆锥环带光束外侧的光线a′，光线b转换为内侧的光线b′；圆锥环带光束经过第二轴锥镜6后形成圆柱环带光束，光线a′转换为圆柱环带光束外侧的光线a″，光线b′转换为内侧的光线b″。这一反转的能量分布比高斯能量分布光束更能充分利用照明物镜的数值孔径，再加上环带照明方式本身具有的超分辨效果，就可在同等条件下获得更高的横向分辨率。
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 (8)
1.连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪，其特征在于：包括扫频光源(1)、第一光纤耦合器(2)、第一透镜(3)、第一可变光阑(4)、第一轴锥镜(5)、第二轴锥镜(5-6)、第一平移台(7)、分光片(8)、垂直扫描器(9)、水平扫描器(10)、第二透镜(11)、第三透镜(12)、第二可变光阑(15)、第四透镜(16)、第五透镜(17)、第二平移台(18)、色散补偿片(19)、第六透镜(20)、第一偏振控制器(21)、第二偏振控制器(22)、第二光纤耦合器(23)、平衡探测器(24)、第一单模光纤(25)、第二单模光纤(26)、第三单模光纤(27)、第四单模光纤(28)、第五单模光纤(29)、第六单模光纤(30)、第七单模光纤(31)、函数发生卡(32)、数据采集卡(33)和计算机(34)；
扫频光源(1)发出的光信号由第一单模光纤(25)传输至第一光纤耦合器(2)后被分成两路，分别由第二单模光纤(26)和第三单模光纤(27)传输至样品臂和参考臂；在样品臂中，从第二单模光纤(26)输出的光束，被第一透镜(3)准直和经过第一可变光阑(4)后平行入射固定在第一平移台(7)上的第一轴锥镜(5)；从第一轴锥镜(5)出射的光束为圆锥环带光束，通过第二轴锥镜(6)后成为圆柱环带光束；圆柱环带光束依次经过分光片(8)、垂直扫描器(9)、水平扫描器(10)、第二透镜(11)和第三透镜(12)后，被人眼屈光系统(13)聚焦在视网膜(14)上；被视网膜(14)后向反射或散射的样品光信号，沿原路返回至分光片(8)时，部分样品光信号被分光片(8)反射；反射后的样品光信号的边缘部分被第二可变光阑(15)遮挡，透过第二可变光阑(15)的样品光信号，被第四透镜(16)耦合进第四单模光纤(28)中传输至第二光纤耦合器(23)；
在参考臂中，从第三单模光纤(27)输出的参考光信号，被固定在第二平移台(18)上的第五透镜(17)准直，然后经过色散补偿片(19)后，被第六透镜(20)耦合进第五单模光纤(29)中传输至第二光纤耦合器(23)，色散补偿片(19)用于补偿样品臂中各透射器件引起的色散；分别由第四单模光纤(28)、第五单模光纤(29)传输的样品光和参考光信号，经过第二光纤耦合器(23)后各自分成两路，并分别由第六单模光纤(30)和第七单模光纤(31)传输至平衡探测器(24)；第一偏振控制器(21)和第二偏振控制器(22)分别安装在第四单模光纤(28)、第五单模光纤(29)上，用于平衡样品光和参考光之间的偏振态；
扫频光源(1)进行波长扫描的同时发出采样触发信号，去控制数据采集卡(33)同步采集由平衡探测器(24)接收到的干涉光谱信号；由函数发生卡(32)提供的扫描驱动信号与扫频光源(1)发出的采样触发信号同步，分别控制垂直和水平扫描器(9-10)进行扫描；数据采集卡(33)采集到的信号传输至计算机(34)进行处理。
2.根据权利要求1所述的连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的扫频光源(1)为近红外波段宽光谱光源。
3.根据权利要求1所述的连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的第一和第二轴锥镜(5-6)为一对相同的轴锥镜，它们的锥顶相对安装；通过第一平移台(7)带着第一轴锥镜(5)做轴向移动，能够调节照明环带的大小；通过调节第一可变光阑(4)的孔径，能够调节照明环带的厚度。
4.根据权利要求1所述的连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的分光片(8)具有高于70/30的反射/透射比，从视网膜(14)返回的样品光信号中的大部分被分光片(8)反射。
5.根据权利要求1所述的连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的第二透镜(11)的前焦点与第三透镜(12)的后焦点重合，二者构成一个扩束/缩束系统。
6.根据权利要求1所述的连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的第二可变光阑(15)，用于遮挡从视网膜(14)返回样品光信号中对应照明环带部分的光信号。
7.根据权利要求1所述的连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的第二平移台(18)带着第五参考镜(17)移动，直至由视网膜(14)返回的样品光和从第三单模光纤(27)来的参考光之间形成干涉条纹。
8.根据权利要求1所述的连续可调环带照明视网膜暗视场光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的第二光纤耦合器(23)具有50:50的分光比。
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