CN109645954B - 基于微透镜阵列的多光束光学相干的弹性测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统及方法，采用角膜定位子系统对角膜的激励和测量位置进行定位、采用角膜激励子系统使角膜产生微量的机械波和形变，通过OCT探测子系统对各采样点的机械波和形变进行高精度探测，实现角膜弹性参数的快速测量。所述OCT探测子系统包括宽光谱光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器组、样品臂、参考臂组以及光谱探测器组，样品臂的每一条光路均设置有相互配合的准直镜和柱镜，各光路在角膜前的位置还设置有微透镜阵列。本发明专利采用微阵列透镜作为关键光学元件，无需如传统OCE一样采用振镜扫描的方式，也无需旋转样品臂，即可同时测量单次载荷激励下样品激励点周围多方向、多位置的弹性响应。
Description
技术领域
本发明专利涉及到生物医学弹性成像领域，尤其涉及基于微透镜阵列的多光束光学相干在体角膜弹性测量系统及方法。
背景技术
人眼角膜是人眼主要的屈光介质，角膜的弹性力学特征对维持角膜的正常结构和功能具有重要作用、是研究角膜的生理和病理特性的重要基础。角膜疾病(例如圆锥角膜、角膜膨隆)及角膜手术(角膜屈光手术、紫外线交联术CXL等)会引起角膜弹性力学特征的改变。常规的临床检测方法依据角膜形态(地形图、厚度、曲率等)和眼压参数进行诊断；尽管对角膜疾病的检出率已经很高，但仍有部分角膜疾病被漏诊。而角膜结构的微小变化可引起弹性力学特征的明显改变，因此针对角膜弹性力学特征的量化研究在角膜疾病的诊断与治疗上具有重要意义。为了实现临床上角膜弹性力学特征的量化，研发非接触式、在体的人眼角膜弹性成像测量技术已成为眼科和视觉科学研究的一大需求和热点。
目前各种角膜的弹性测量技术仍不成熟，所测的角膜力学参数差别为几个量级。以兔子角膜的杨氏模量测量为例，其估算范围从大约1kPa(Thomasy etc.Acta Biomater10(2),785-791(2014))到大约11MPa(Wollensak etc.Acta Ophthalmol 87(1),48-51(2009))。Ruberti等提出了角膜弹性成像测量技术面临的若干个未解决问题(Openquestions)，其首要的三个问题为：“如何开发在体角膜弹性测量的新技术/仪器”、“如何区分在体角膜各区域的弹性力学特征”与“如何采用弹性成像测量的手段进行角膜手术的术前风险评估”(Ruberti etc.Annu Rev Biomed Eng 13,269-295(2011))。在角膜的在体弹性测量方案中，各种弹性成像技术均有其技术瓶颈：或无法达到高测量分辨率要求(Voorhees etc.Experimental Eye Research,160,85-95(2017))、或无法实现针对角膜病变区域的局部测量(Luce etc.J Cataract Refract Surg 31(1),156-162(2005)；Hongetc.IOVS54(1),659-665(2013))、或需要过长的测量时间(Scarcelli etc.Nat Photonics2(1),39-43(2008)；Scarcelli etc.IOVS 53(1),185-190(2012))，难以达到角膜在体弹性测量的临床需求。目前角膜弹性参数量化研究所面临的一个重要科学问题是：如何更准确的量化在体人眼角膜的弹性力学特征，尤其是如何进行角膜局部区域弹性参数的高精度测量、实现临床上角膜病变或手术区域与正常区域的边界区分。这需要研究符合临床需求的角膜弹性测量的新方法，开发可实现在体人眼角膜局部区域和多方位弹性参数量化的高精度、快速测量技术。
而在OCE技术中，目前尚难以采用“扫描探测式”OCE实现人眼角膜机械波传播的追踪和杨氏模量的准确在体测量。机械波传播速度约为几米/秒，而每个测量点均需要数毫秒至数十毫秒的时间来获得该点的“位移-时间”曲线。OCE难以通过单帧成像实现机械波在某个传播方向的追踪。此外，眼动对活体角膜机械波传播速度的测量引入很大的测量误差。以往的SD-OCT系统采取多次激励和多次探测的方法对样品和离体角膜各测量点的弹性响应进行拼接，从而实现对机械波传播速度的估算。但由于眼动的存在，该方法难以用于在体人眼角膜的弹性测量。高速扫频OCT(Swept source OCT)系统可提高采集速度，例如150万A-line/秒(Song etc.Applied Physics Letters 108(19)(2016).；Singh etc.Opt.Lett.40(11),2588-2591(2015).)。然而扫频OCT目前仍有较大的相位误差，需要采用额外的稳相技术来获得稳定的相位。此外，高速扫频OCT价钱昂贵，尚难以在临床上推广。线视场(Linefield)扫描的OCE方案(Liu etc.Biomedical Optics Express 7(8),3021-3031(2016).)虽然可以提高机械波的探测速度，但是由于它需要更强的光强信号，目前也尚未能成功应用于人眼角膜的测量之中。
另外现有技术中也有一些能够提高采集速度的方案诸如(1)高速扫频OCT(Sweptsource OCT)系统可提高采集速度，例如150万A-line/秒(Song etc.Applied PhysicsLetters 108(19)(2016).；Singh etc.Opt.Lett.40(11),2588-2591(2015).)。然而扫频OCT目前仍有较大的相位误差，需要采用额外的稳相技术来获得稳定的相位。此外，高速扫频OCT价钱昂贵，尚难以在临床上推广。
(2)使用线视场(Line field)扫描的OCE方案(Liu etc.Biomedical OpticsExpress 7(8),3021-3031(2016).)虽然可以提高机械波的探测速度，但是由于它需要更强的光强信号，目前也尚未能成功应用于人眼角膜的测量之中。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是：采用微阵列透镜作为关键光学元件，无需如传统OCE一样采用振镜扫描的方式，也无需旋转样品臂，即可同时测量单次载荷激励下样品(人眼角膜)激励点周围多方向、多位置的弹性响应，实现人眼角膜局部区域多弹性参数(硬度、固有频率、杨氏模量)和角膜各区域弹性参数分布(各向异性)的高精度、快速的在体测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：一方面，提供了基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，包括OCT探测子系统、载荷激励子系统，所述OCT探测子系统包括宽光谱光源、第一光纤耦合器、多个光纤耦合器组成的光纤耦合器组、样品臂组、参考臂组以及光谱探测器组，其中所述宽光谱光源连接所述第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端分为多路光纤，并与所述光纤耦合器组中对应的各个光纤耦合器连接，所述光纤耦合器组还连接有所述光谱探测器组，所述光纤耦合器组的另一端分别连接所述参考臂组以及所述样品臂组，从所述参考臂组和所述样品臂组反射回的光经过所述光纤耦合器组后其干涉光谱由所述光谱探测器组接收，所述样品臂组的每一条光路均设置有相互配合的准直镜和柱镜，各光路在角膜前的位置还设置有微透镜阵列，所述载荷激励子系统用于激励角膜使角膜产生机械波和形变，以便于所述OCT探测子系统探测。
进一步，所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统还包括角膜定位子系统，所述角膜定位子系统用于对待测角膜的测量位置进行定位，所述角膜定位子系统包括定位相机；其中，角膜沿测量系统轴向方向的动态位移由OCT探测子系统进行追踪，角膜沿测量系统横向方向的动态位移由定位相机进行跟踪定位。
进一步，所述的微透镜阵列包括多测量方向上的焦距不同且光程差各异的微透镜单元。
进一步，所述光谱探测器组中光谱探测器的个数、参考臂组中参考臂的个数、光纤耦合器组中光纤耦合器的个数以及样品臂组中的光路条数均不少于4；所述样品臂组的测量光路数不少于2。
另一方面，基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量方法，利用上述技术方案所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，包括步骤：
S1、使用定位相机对人眼角膜及瞳孔成像，根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，并通过OCT信号中A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪，当角膜的轴向位置和横向位置在测量误差范围内，开始通过载荷激励子系统对样品角膜进行激励，并通过OCT探测子系统对产生的机械波及角膜的微量形变进行探测，评估其弹性特性；
S2、在OCT探测子系统中，宽光谱光源发出的光通过第一光纤耦合器将光分为几路，每路光线又经第二光纤耦合器组的对应耦合器分光，随后分别进入到参考臂组的对应参考臂中和样品臂组的对应测量方位上，各测量方位的测量光由准直镜和柱镜的组合将该路探测光延展成长条形光斑，长条形光斑被照射到角膜前的微透镜阵列的对应测量方位上，最终由微透镜阵列聚焦于角膜该测量方位上的多个测量点上，每个测量方位上的多个测量点对应着该方位上弹性测量的采样点；各路参考臂和其对应的样品臂返回的光两两干涉，并被光谱探测器组对应的光谱探测器探测。
进一步，光谱探测器获得的信息解析之后可以得到各测量点的图像强度信号和随时间变化的相位信号，通过计算各测量点的相位信号可以得到该测量点的表面形变信息。
进一步，获取被测量角膜的恢复曲线，并通过将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，得到角膜的固有频率。
进一步，获取角膜的受激阻尼振动信息，进行快速傅里叶变换，得到角膜的固有频率。
进一步，获取各测量点的变形信息及时间延迟信息，根据机械波传播模型计算出杨氏模量。
本发明采用角膜定位子系统对角膜的激励和测量位置进行定位、采用角膜激励子系统使角膜产生微量的机械波和形变，通过多光束OCT子系统对各采样点的机械波和形变进行高精度探测，实现角膜弹性参数的快速测量。本发明通过采用微阵列透镜作为关键光学元件，无需如传统OCE一样采用振镜扫描的方式，也无需旋转样品臂，即可同时测量单次载荷激励下样品激励点周围多方向、多位置的弹性响应。
附图说明
图1是本发明基于微透镜阵列的多探测光束光学相干在体角膜弹性测量系统的结构图；
图2是微透镜阵列的结构示意图；
图3是微透镜阵列的截面结构示意图；
图4是样品臂的结构示意图；
图5是激励点和测量点在角膜上的位置示意图；
图6是对各测量点获取的信号图，(a)为各测量点的强度图；(b)为各测量点的相位图。
具体实施方式
结合图1、图2、图3、图4和图5，本实施例提供了一种基于微透镜阵列的多探测光束光学相干测量系统，包括OCT探测子系统、载荷激励子系统2，所述OCT探测子系统包括宽光谱光源11、第一光纤耦合器12、多个光纤耦合器组成的第二光纤耦合器组13、样品臂组14、参考臂组15以及光谱探测器组16，其中所述宽光谱光源11连接所述第一光纤耦合器12的一端，所述第一光纤耦合器12的另一端连接所述第二光纤耦合器组13的一端，所述第二光纤耦合器组13一端还连接有光谱探测器组16，所述第二光纤耦合器组的另一端分别连接所述参考臂组15以及所述样品臂组14，从参考臂组15和样品臂组14反射回的光经过光纤耦合器16组后其干涉光谱由光谱探测器组16探测接收，所述样品臂组14的每一条光路(样品臂)均设置有相互配合的准直镜141和柱镜142，各光路在角膜61前的位置还设置有微透镜阵列143，所述载荷激励子系统2用于激励角膜61使角膜61产生的机械波和变形以便于OCT探测子系统进行探测。其中OCT探测子系统为多光束OCT探测子系统。在参考臂中传播的光路为参考光路，在样品臂中传播的光路为探测光路。
所述的基于微透镜阵列多探测光束光学相干测量系统还包括角膜定位子系统，所述角膜定位子系统用于对待测角膜位置进行定位，所述角膜定位子系统包括定位相机31，其中，角膜61沿相干测量系统轴向方向的动态位移由OCT探测子系统进行追踪，角膜沿相干测量系统横向方向的动态位移由定位相机进行跟踪定位。
所述定位相机31聚焦于瞳孔。鉴于横向眼动会影响角膜的测量位置精度，本发明采用定位相机31对人眼瞳孔成像，并根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，减少由横向眼动引入的测量位置误差。
所述的微透镜阵列143包括各个方向的焦距不同且光程差各异的微透镜单元1431。通过采用微阵列透镜143作为关键光学元件，无需如传统OCE采用振镜扫描的方式，也无需旋转样品臂，即可同时测量单次载荷激励下样品(人眼角膜)激励点周围多方向、多位置的弹性响应，实现人眼角膜局部区域多弹性参数(硬度、固有频率、杨氏模量)和角膜各区域弹性参数分布(各向异性)的高精度、快速的在体测量。
所述载荷激励子系统2为适合人眼角膜激励的装置。载荷激励子系统2可为适合人眼角膜激励的装置，该装置应该对眼睛尤其是角膜组织无毒无害，具有安全性。本实施例采用微量气体脉冲装置，作用时所述微量气体脉冲装置对待测目标喷出微量气体，使待测目标形成瞬时的压力改变，从而使待测目标产生机械波。
本实施例采用了四个方位的探测，分别为方位1、方位2、方位3和方位4。为了方便描述，图1中只画出样品臂组14中方位1和方位3的光路。故，光谱探测器组16中的光谱探测器的个数、参考臂组15中参考臂的个数、第二光纤耦合器组13中光纤耦合器的个数以及样品臂组14中的光路条数均设置为4。
测量的初始位置为：以角膜61顶点为激励点O，对角膜61的上方(Superiordirection)、下方(Inferior direction)、颞侧(Temporal direction)和鼻侧(Nasaldirection)进行探测。在此实施例中，四方位微透镜阵列143的每个方向有多个焦距不同且光程差各异的微透镜单元1431，对角膜61该方向横向距离3到4mm区域采样。我们选择了在一个方位4个测量点的方案。即，在同一个方位中，具有4个测量点，以方位1为例，则为测量点A、测量点B、测量点C和测量点D。
样品臂组14的各透镜焦距针对人眼角膜模型设计，使各光束更有效的聚焦在角膜61的各测量点上。并且各透镜设计均引入特征光程，便于区分各测量点信号。
相应的，使用以上装置，本实施例还提供了一种基于微透镜阵列的多探测光束光学相干测量方法，包括步骤：
S1、使用定位相机31对人眼瞳孔成像，根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜61进行横向定位，并通过A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪，当角膜61的轴向位置和横向位置在测量误差范围之内，开始进行弹性测量；
S2、在OCT探测子系统中，宽光谱光源11发出的光通过第一光纤耦合器12将光分为几路，每路光线又经第二光纤耦合器组13的对应耦合器分光，随后分别进入到参考臂组15的对应参考臂中和样品臂组14的对应测量方位上，各测量方位的测量光由准直镜141和柱镜142的组合将该路探测光延展成长条形光斑(如图2所示)，每个长条形光斑被照射到角膜前的微透镜阵列143的对应方位上，最终由微透镜阵列143聚焦于角膜该方位上的多个测量点上；这样多光路的探测光路对应着角膜的多个测量方位，每个测量方位上的多个测量点对应着该方位弹性测量的采样点；各路参考臂和其对应的样品臂带返回的光两两干涉，并被光谱探测器组16对应的光谱探测器探测；
光谱探测器获得的信息解析之后可以得到：各测量点随时间变化的相位信号随着距离的增大其变形幅度递减，且各点位信号存在时间延迟，通过计算得到表面形变信息：
其中tJ和t0是在一系列A-scan信号的时间节点，t0是参考时间点，λ0是中心波长，在计算出形变信息后可以根据主要形变的幅值估算角膜的硬度。
结合图6(a)与(b)给出的针对同时采集四测量点信号的模拟示意图，由此可以根据各测量点与参考面的光程差特征(包括多光束设计时引入的光程差特征)确定各点位信号的干涉特征，对包括伪信号在内的干扰噪声进行抑制或滤除。主要形变(图6(b)中曲线)幅值受激励载荷的直接影响。在同样的驱动力下，相对硬的样品变形更小；而同等幅值的主要形变在相对硬的样品中衰减更快。因此可以通过主要形变的幅值来判定样品(角膜)的软硬程度。本技术方案针对主要形变幅值的测量方案为：1、测量同等气体脉冲压强下，测量点A处样品(角膜)主要形变的幅值大小。2、测量一定激励压强范围下，测量点A处样品(角膜)主要形变幅值随着气体脉冲压强变化的曲线。3、测量各测量点(例如测量点A到D)主要形变幅值随着传播距离增大的衰减。由此可以估算样品的硬度。
光谱探测器获得的信息解析之后可以得到：测量角膜61的恢复曲线并通过将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，实现固有频率的测量；也可以对角膜的受激阻尼振动进行高分辨探测和快速傅里叶变换(FFT)来得到角膜的固有频率。
具体的，根据恢复曲线测量固有频率的方法为：由于恢复曲线(图6(b)中曲线)与样品的黏弹性(viscoelasticity)有关，可根据动态模型(该动态模型为文献WuC.etc.IOVS.2015,56(2):1292-1300记载的动态模型)将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，实现固有频率的测量。
其中，ξ是衰减系数(Damping Ratio)，f是固有频率。对阻尼振动的微分方程(2)可根据三种情况进行求解，分别为：临界阻尼(critical-damping，ξ＝1)、欠阻尼(under-damping，0≤ξ<1)和过阻尼(over-damping，ξ>1)。
其中，幅值常数A和B由恢复曲线的指数拟合所得。
根据阻尼振动测量固有频率的方法为：FFT的频率分辨率(f0)表示的是其所能分辨的最小频率间隔。可由以下公式表示：
其中，fs为采样频率，ts为采样时间(即时间分辨率)，N为采样点数，T为采样时间长度。为了提高FFT的频率分辨率，可在FFT之前对数据进行如下两步处理。1、补零(Zeropadding)：在OCT的采样时间内(例如30ms)，角膜的阻尼振动幅度将逐渐趋于零。因此可对数据采用补零的手段，拓展采样时间。2、拼接：共光路OCT具有超稳定的相位，弹性样品受激前后相位基本保持不变。因此可将相邻激励周期内的数据(已补零)通过拼接进行周期拓展，提高总采样时间及采样点数。
根据机械波传播速度计算杨氏模量的方法为：所述光谱探测器获得的信息解析之后可以得到：机械波传播模型，并通过机械波传播模型计算出该区域杨氏模量：
其中ci,j＝(di-dj)/(ti-tj)，i、j代表任意两个测量点，di和dj表示任意两个测量点与受激点沿角膜表面的距离，ti和tj表示机械波在任意两测量点间的传播时间，ci,j表示波在两点间的传播速度，ρ是密度，ν是泊松比(≈0.5)。
以上结合附图所描述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式，并不是对本发明的保护范围的设定，任何基于本发明的思路所做的改进都理应在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量方法，利用基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，所述基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统包括：包括OCT探测子系统、载荷激励子系统，所述OCT探测子系统包括宽光谱光源、第一光纤耦合器、多个光纤耦合器组成的光纤耦合器组、样品臂组、参考臂组以及光谱探测器组，其中所述宽光谱光源连接所述第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端分为多路光纤，并与所述光纤耦合器组中对应的各个光纤耦合器连接，所述光纤耦合器组还连接有所述光谱探测器组，所述光纤耦合器组的另一端分别连接所述参考臂组以及所述样品臂组，从所述参考臂组和所述样品臂组反射回的光经过所述光纤耦合器组后其干涉光谱由光谱探测器组接收，所述样品臂组的每一条光路均设置有相互配合的准直镜和柱镜，各光路在角膜前的位置还设置有微透镜阵列，所述载荷激励子系统用于激励角膜使角膜产生机械波和形变，以便于所述OCT探测子系统探测；
所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统还包括角膜定位子系统，所述角膜定位子系统用于对待测角膜的测量位置进行定位，所述角膜定位子系统包括定位相机；其中，角膜沿测量系统轴向方向的动态位移由OCT探测子系统进行追踪，角膜沿测量系统横向方向的动态位移由定位相机进行跟踪定位；所述的微透镜阵列包括多测量方向上的焦距不同且光程差各异的微透镜单元；所述光谱探测器组中光谱探测器的个数、参考臂组中参考臂的个数、光纤耦合器组中光纤耦合器的个数以及样品臂组中的光路条数均不少于4；所述样品臂组的测量光路数不少于2；其特征在于，还包括步骤：
S1、使用定位相机对人眼角膜及瞳孔成像，根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，并通过OCT信号中A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪，当角膜的轴向位置和横向位置在测量误差范围内，开始通过载荷激励子系统对样品角膜进行激励，并通过OCT探测子系统对产生的机械波及角膜的微量形变进行探测，评估其弹性特性；
S2、在OCT探测子系统中，宽光谱光源发出的光通过第一光纤耦合器将光分为几路，每路光线又经第二光纤耦合器组的对应耦合器分光，随后分别进入到参考臂组的对应参考臂中和样品臂组的对应测量方位上，各测量方位的测量光由准直镜和柱镜的组合将该路探测光延展成长条形光斑，长条形光斑被照射到角膜前的微透镜阵列的对应测量方位上，最终由微透镜阵列聚焦于角膜该测量方位上的多个测量点上，每个测量方位上的多个测量点对应着该方位上弹性测量的采样点；各路参考臂和其对应的样品臂返回的光两两干涉，并被光谱探测器组对应的光谱探测器探测；
同时测量单次载荷激励下样品角膜的激励点周围多方向、多位置的弹性响应。
2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量方法，其特征在于：获取各测量点的图像强度信号和随时间变化的相位信号，通过计算各测量点的相位信号可以得到该测量点的表面形变信息。
3.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量方法，其特征在于：获取被测量角膜的恢复曲线，并通过将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，得到角膜的固有频率。
4.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量方法，其特征在于：获取角膜的受激阻尼振动信息，进行快速傅里叶变换，得到角膜的固有频率。
5.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量方法，其特征在于：获取各测量点的变形信息及时间延迟信息，根据机械波传播模型计算出杨氏模量。
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