CN110367931A - 一种基于飞秒激光的光断层透射成像系统 - Google Patents

一种基于飞秒激光的光断层透射成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光的光断层透射成像系统，包括：飞秒激光光源，用于提供飞秒激光照射目标生物组织；透射光信息采集装置，用于飞秒激光透射目标生物组织后形成的透射光信息；光路干涉耦合器，用于接收飞秒激光照射目标生物组织表面形成的反相散射光和参考光进行耦合形成相干光；相干光信息采集模块，用于对相干光采集相干光信息；图像显示模块；控制模块，用于根据透射光信息得到透射图像控制信息并通过图像显示模块生成透射图像，还用于根据相干光信息得到断层图像控制信息并通过图像显示模块生成断层图像。本发明具有如下优点：结构简单、成本低廉、操作简单、成像深度大、成像速度快、图像空间分辨率高、体积小、质量轻。

Description

一种基于飞秒激光的光断层透射成像系统
技术领域
本发明涉及医学及生物学成像技术领域，特别涉及一种基于飞秒激光的光断层透射成像系统。
背景技术
在目前的医学成像中，超声成像(US)分辨率低、图像质量差；计算机断层成像(CT)有辐射、图像分辨率低、放射剂量大、成像速度慢；磁共振成像(MRI)图像分辨率低、成像速度慢、成像过程复杂；荧光成像(FI)通常对表层组织实现成像。几种成像方式的缺点都比较突出，在针对软组织的术中快速成像方面，急需开发先进的成像模态实现是高分辨率、高速的成像方式。随着光学成像技术的不断提高，光透视与光学断层成像的方式能够为生物组织提供高分辨及实时的医学影像，辅助医生术中实时诊断术中病变及病变边界信息。光学断层成像技术中，主要有光散射断层成像、荧光分子断层成像、光相干断层成像(OCT)、光声断层成像等断层成像方式。其中，光散射断层成像、荧光分子断层成像、光声断层成像在临床医疗成像中尚未全面展开。当前，光相干断层成像为生物医学成像提供一种新型的成像模态，能够实现高分辨率实时的生物医学影像成像，并能够通过光相干断层成像能够对眼科、皮肤科、神经外科等的生物组织成像，通过光学衰减系数计算能够识别病变组织及区分病变组织边界。OCT技术通常能够达到约1.5mm深度，同时，通常现有的成像都是单一模态的成像技术，不能够为生物组织提供更深层的生物组织成像及功能成像。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于飞秒激光的光断层透射成像系统，该系统具有结构简单、成本低廉、操作简单、成像速度快、图像空间分辨率高、体积小、质量轻、图像效果明显的优点。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种基于飞秒激光的光断层透射成像系统，包括：飞秒激光光源，用于提供飞秒激光照射目标生物组织；透射光信息采集装置，位于所述飞秒激光照射所述目标生物组织的光路上且位于所述目标生物组织之后，所述透射光信息采集装置用于所述飞秒激光透射所述目标生物组织后形成的透射光信息；参考光路，用于提供参考光形成相干参考光；光路干涉耦合器，用于接收所述飞秒激光照射所述目标生物组织表面形成的反相散射光和所述参考光进行耦合形成相干光；设置在所述目标生物组织和所述光路干涉耦合器之间的前端扫描振镜，实现二维或三维的光学干涉成像；相干光信息采集模块，用于对所述相干光采集参考光及样品端的返回光的干涉信息；图像显示模块，用于显示透射图像和干涉断层二维或三维图像；控制模块，用于干涉扫描控制及透射断层扫描控制，还用于根据所述透射光信息得到透射图像控制信息并发送给所述图像显示模块，以便所述图像显示模块根据所述透射图像控制信息生成所述透射图像，所述控制模块还用于根据所述相干光信息得到断层图像控制信息并发送给所述图像显示模块，以便所述图像显示模块根据所述断层图像控制信息生成所述干涉断层二维或三维图像。
根据本发明实施例的基于飞秒激光的光断层透射成像系统，结构简单、成本低廉、操作简单、成像深度大、成像速度快、图像空间分辨率高、体积小、质量轻。通过高灵敏度的探测技术，将传输在生物组织中的光子探测到，并实时采集出来，提取到光子的传输变化情况，并将其解析出来，最后实现生物组织的透射成像，达到高精度的高分辨率的透射影像，最终能够实现生物组织的结构功能解析和成像。
另外，根据本发明上述实施例的基于飞秒激光的光断层透射成像系统还可以具有如下附加的技术特征：
可选地，所述透射光信息采集装置为电荷耦合器件记录仪，用于记录所述经过所述目标生物组织后的透射光，形成光学衰减计算的信号。
可选地，还包括：用于控制所述目标生物组织进行水平旋转的驱动装置。
可选地，所述相干光信息采集模块包括依次设置的平衡探测器、数字信号采集器和数字信号解调器。
可选地，所述前端扫描振镜为一维振镜或二维振镜，形成扫描过程中的二维影像或三维影像。
可选地，所述控制模块具体用于根据所述目标生物组织的光学衰减测量出所述目标生物组织的发射断层信息，并通过光学衰减系数计算生物组织的透过系数进而实现所述目标生物组织的定位与识别；所述光学衰减系数μ0由以下公式确定：
其中,I(x)表示穿透到组织深度上的平均OCT信号幅度，I0表示OCT样品臂光的背向散射光，x表示光子所达到的深度位置。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的基于飞秒激光的光断层透射成像系统的模块示意图；
图2是本发明一个实施例中光学透射成像的示意图；
图3是本发明一个实施例中光学断层成像的示意图；
图4是本发明一个实施例中光学透射成像断层三维重构基本架构及光学衰减反投影的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述本发明。
图1是本发明一个实施例的基于飞秒激光的光断层透射成像系统的模块示意图。如图1所示，本发明实施例的基于飞秒激光的光断层透射成像系统，包括飞秒激光光源、透射光信息采集装置、参考管路、光路干涉耦合器、前端扫描振镜(图中未示出)、相干光信息采集模块、图像显示模块和控制模块。
其中，飞秒激光光源用于提供超短脉冲、高穿透深度的飞秒激光照射目标生物组织。其中，飞秒激光光源包括飞秒激光发生器和飞秒激光驱动器。飞秒激光驱动器由控制模块控制。透射光信息采集装置
透射光信息采集装置位于飞秒激光照射目标生物组织的光路上且位于目标生物组织之后。透射光信息采集装置用于飞秒激光透射目标生物组织后形成的透射光信息
图2是本发明一个实施例中光学透射成像的示意图。如图2所示，在发明的一个实施例中，透射光信息采集装置为电荷耦合器件记录仪，即CCD采集仪。飞秒激光发生器发出的飞秒激光透射目标生物组织后会在CCD采集仪形成透射影像，根据透射影像形成的透射光信息。
参考光路用于提供反射耦合器的分光得到参考光。光路干涉耦合器用于接收飞秒激光照射目标生物组织表面形成的反相散射光和参考光进行耦合形成相干光。
图3是本发明一个实施例中光学断层成像的示意图。如图3所示，飞秒激光发生器发出的飞秒激光照射到目标生物组织后会有一个部分激光反相散射到光路干涉耦合器。参考光源发出的光会经过光路干涉耦合器。光路干涉耦合器将反相散射光和参考光进行耦合得到相干光。
前端扫描振镜可以为一维振镜或二维振镜。当前端扫描振镜为一维振镜时，图像显示模块最终形成的干涉断层图像为二维断层图。当前端扫描振镜为二维振镜时，图像显示模块最终形成的干涉断层图像为三维断层图。
相干光信息采集模块，用于对相干光采集参考光及样品端的返回光的干涉信息。在本发明的一个实施例中，相干光信息采集模块包括依次设置的平衡探测器、数字信号采集器和数字信号解调器。在本实施例中，前端扫描振镜为二维振镜，本发明使用平衡探测技术获取干涉光谱信号、数字信号采集不同波段下的光谱信息，以便进行图像重建与处理形成三维渲染并显示。
控制模块用于根据透射光信息得到透射图像控制信息并发送给图像显示模块，以便图像显示模块根据透射图像控制信息生成透射图像。
图4是本发明一个实施例中光学透射成像断层三维重构基本架构及光学衰减反投影的示意图。如图4所示，该结构表示了光学断层成像的一个基本原理架构，飞秒激光光源fs发出飞秒激光照射目标生物组织，然后通过使用CCD采集到光学衰减的能量，同时计算光学衰减系数μ，达到生物组织所对应的图像的灰度重建。同时，结合线阵探测和面阵探测的方式，构建生物组织的立体结构影像。
其中，控制模块根据目标生物组织的光学衰减测量出目标生物组织的发射断层信息，并通过光学衰减系数计算生物组织的透过系数进而实现目标生物组织的定位与识别；光学衰减系数μ0由以下公式确定：
其中,I(x)表示穿透到组织深度上的平均OCT信号幅度，I0表示OCT样品臂光的背向散射光，x表示光子所达到的深度位置。
根据光学衰减系数的生物组织定位进一步构建针对装置对不同生物组织的飞秒激光的衰减系数。
光学透射投影断层通过透射记录仪实现生物组织的结构功能影像，其中结构功能影像指的是生物组织的三维结构影像及血管血流量、纤维束的传导方向等功能信息。
光学透射影像通过滤波反投影构建三维结构影像，对光学衰减的计算反投影重建光学透射断层成像。
控制模块还用于根据相干光信息得到断层图像控制信息并发送给图像显示模块，以便图像显示模块根据断层图像控制信息生成断层图像。
具体地，光学断层成像包含了使用光学干涉技术的宽带成像，结合使用参考光和样品光实现两束光在耦合器中的干涉，具体包括：其中耦合器中的两束光干涉、使用平衡探测技术获取干涉光谱信号、数字信号采集不同波段下的光谱信息、后端的图像重建与处理、后续断层影像三维渲染并显示。
光学透射记录仪探测高散射后的生物组织透射光，其中，除了光学衰减系数之外的光学特征系数将被计算，从而进一步通过病理技术确定生物组织的结构特性。
另外，本发明实施例的基于飞秒激光的光断层透射成像系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种基于飞秒激光的光断层透射成像系统，其特征在于，包括：
飞秒激光光源，用于提供飞秒激光照射目标生物组织；
透射光信息采集装置，位于所述飞秒激光照射所述目标生物组织的光路上且位于所述目标生物组织之后，所述透射光信息采集装置用于所述飞秒激光透射所述目标生物组织后形成的透射光信息；
参考光路，用于反射耦合器所分光到参考臂端的光得到参考光；
光路干涉耦合器，用于接收所述飞秒激光照射所述目标生物组织表面形成的反相散射光和所述参考光进行耦合形成相干光；
设置在所述目标生物组织和所述光路干涉耦合器之间的前端扫描振镜；
相干光信息采集模块，用于对所述相干光采集参考光及样品端的返回光的干涉信息；
图像显示模块，用于显示透射图像和干涉断层二维或三维图像；
控制模块，用于干涉扫描控制及透射断层扫描控制，还用于根据所述透射光信息得到透射图像控制信息并发送给所述图像显示模块，以便所述图像显示模块根据所述透射图像控制信息生成所述透射图像，所述控制模块还用于根据所述相干光信息得到断层图像控制信息并发送给所述图像显示模块，以便所述图像显示模块根据所述断层图像控制信息生成所述干涉断层二维或三维图像。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的光断层透射成像系统，其特征在于，所述透射光信息采集装置为电荷耦合器件记录仪，用于记录所述经过所述目标生物组织后的透射光，形成光学衰减计算的信号。
3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的光断层透射成像系统，其特征在于，还包括：
用于控制所述目标生物组织进行水平旋转的驱动装置。
4.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的光断层透射成像系统，其特征在于，所述相干光信息采集模块包括依次设置的平衡探测器、数字信号采集器和数字信号解调器。
5.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的光断层透射成像系统，其特征在于，所述前端扫描振镜为一维振镜或二维振镜，形成扫描过程中的二维影像或三维影像。
6.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的光断层透射成像系统，其特征在于，所述控制模块具体用于根据所述目标生物组织的光学衰减测量出所述目标生物组织的发射断层信息，并通过光学衰减系数计算生物组织的透过系数进而实现所述目标生物组织的定位与识别；所述光学衰减系数μ0由以下公式确定：
其中，I(x)表示穿透到组织深度上的平均OCT信号幅度，I0表示OCT样品臂光的背向散射光，x表示光子所达到的深度位置。
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