CN110907451A - 一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深oct系统装置 - Google Patents

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朱羿叡
艾丝竹
谢成峰
史久林
何兴道
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Abstract

本发明公开一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，将高斯型的激光光束通过相位掩膜板转换为艾里光束，使用艾里光束扫描样品，能有效减少光的衍射效应，使光束在样品组织中穿透深度增加，进而提高OCT系统成像深度；另外，对样品进行化学试剂透明化处理过后，光束衰减程度降低，能够实现超高分辨率和超深成像的目的。本发明的优势是：采用低成本的相位掩膜板提高传统OCT系统的光束传播深度，同时利用组织透明化技术的光学特性，可以提高OCT系统的实际检测深度，且有望实现样品组织的全体积成像检测，进一步提高了OCT系统的临床适用性。

Description

一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置
技术领域
本发明涉及一种成像装置，具体为一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置。
背景技术
光学相干层析(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描得到生物组织二维或三维结构图像。但由于传统OCT系统自身的局限性和样品生物组织对光的散射和吸收性，导致光在生物组织中的穿透深度不够，不足以观察一部分组织区域的完整结构和获得更深层次的信息。
由于OCT技术的非侵入性和超高分辨率，目前OCT已被广泛应用于眼科，皮肤科等临床研究，比如视网膜病变、判断皮肤表皮层的烧伤情况等，但实际研究中常常需要看到更深层次例如皮肤真皮层和皮下组织的损伤程度等，传统的OCT技术成像深度仅为2-5毫米，已不能满足临床要求，若要更加准确判断生物组织的内在结构，还需要OCT系统具备更深的成像深度。
本发明提供的一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，能够解决上述由于成像深度不足产生的一系列问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，该系统装置可以弥补现有成像方法的技术缺陷。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，该系统装置包括低相干宽带光源，透镜L1、半波片、偏振分束器、偏振控制器、透镜L2、光纤连接器FC1、光纤连接器FC2、光纤耦合器、偏振控制器A、偏振控制器B、准直透镜L3、透镜L5、平面镜、准直透镜L4、相位掩膜板、扫描振镜、透镜L6、探测单元、图像处理单元和计算机；启动低相干宽带光源使之产生高斯型光源光束，光束经过透镜L1扩束、半波片和偏振分束器偏振化和透镜L2聚焦后，由光纤连接器FC1接入光纤耦合器将光源光束分为信号光束和参考光束，参考光束通过偏振控制器A从光纤连接器FC2出射经过一个准直透镜L3进行准直，光束准直后经过透镜L5聚焦于焦平面的平面镜上，该光束沿原光路反射回偏振分束器，样品光束通过偏振控制器B从光纤连接器FC3出射经过准直透镜L4以平行光出射，该光束经过相位掩模板后变换为有限能量的艾里光束，该艾里光束水平进入扫描振镜后垂直出光通过透镜L6聚焦于待测组织样品上，待测组织样品的后向散射光沿原光路返回至偏振分束器与参考光束发生干涉，干涉光束从偏振分束器反射至探测单元，获得待测组织样品的图像信号，图像信号经过图像处理单元传输给计算机，计算机在取得图像后，进行算法处理，分析计算并输出三维立体成像结果。
优选的，所述的光纤耦合器采用分光比为90:10，采用此分光比是为了使样品光束强度更大，避免样品光束在生物样品组织中衰减过快，偏振控制器可使光束保持偏振化，最后的干涉图样对比度大，图像更清晰。
优选的，所述的待测组织样品进行了化学试剂透明化处理。透明化处理是为了减少待测组织样品内部的散射和吸收，提高光在组织中的穿透深度，达到对深层组织成像的目的。透明化处理方法有溶剂型的3DISCO、水基型的单纯浸泡法的SeeDB或是水化法的CUBIC等，具体试剂配比依据特定组织生物介质的折射率而定，本发明不限于已提出的三种方法，任何可使样品组织透明化的方法均可在本发明中使用。
优选的，所述的探测单元包括衍射光栅、非球面透镜对和线扫CCD；干涉光束通过衍射光栅分光，由非球面透镜对聚焦至线扫CCD，将光信号转化为电信号，获得待测组织样品的图像信号。
优选的，所述的图像处理单元包括图像信号的接收、A/D转换模块、输入输出接口和总线接口。探测单元获得的待测组织样品图像信号经过图像信号的接收与A/D转换模块的放大与数字化，然后通过输入输出接口协调数字信号进行同步或实现异步传输，最终由总线接口向计算机内部总线高速输出数字数据。
本发明的优势是：采用低成本的相位掩膜板提高传统OCT系统的光束传播深度，同时利用组织透明化技术的光学特性，可以提高OCT系统的实际检测深度，且有望实现样品组织的全体积成像检测，进一步提高了OCT系统的临床适用性。
附图说明
图1是本发明的工作原理图。
图中，01、低相干宽带光源，02、透镜L1，03、半波片，04、偏振分束器，05、透镜L2，06、光纤连接器FC1，07、光纤耦合器，08、偏振控制器A，09、光纤连接器FC2，10、准直透镜L3，11、透镜L5，12、平面镜，13、偏振控制器B，14、光纤连接器FC3，15、准直透镜L4，16、相位掩模板，17、扫描振镜，18、透镜L6，19、待测组织样品，20、化学试剂，21、探测单元，22、衍射光栅，23、非球面透镜对，24、线扫CCD，25、图像处理单元，26、图像信号的接收，27、A/D转换模块，28、输入输出接口，29、总线接口，30、计算机。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：
如图1，一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，该装置首先启动低相干宽带光源，使之产生高斯型光源光束，光源光束经过透镜L1扩束、半波片和偏振分束器偏振化以及透镜L2聚焦后，由光纤连接器FC1接入单模光纤，准备做分光处理，由分光比为90：10的光纤耦合器将光源光束分为信号光束和参考光束，完成分光。参考光束通过偏振控制器从光纤连接器FC2出射进入参考臂，样品光束通过偏振控制器从光纤连接器FC3出射进入样品臂。进入参考臂的参考光束通过一个准直透镜L3进行准直，在参考光平行出射后，经过一透镜L5将光束聚焦到位于焦平面的平面镜后，又沿原光路反射回偏振分束器。与此同时，样品光束经过准直透镜L4以平行光出射，通过一个立方相位掩膜板进行相位调制，将高斯光束通过傅里叶变换产生有限能量的艾里光束。高斯型的样品光束变换为艾里光束后，水平进入扫描振镜，垂直出光通过透镜L6聚焦至动物或植物器官的待测组织样品上，用于成像的待测组织样品预先经过对应化学试剂做透明化处理，扫描样品过程中使用扫描振镜在x、y两方向将信号光横向扫描待测组织样品，获取待测组织样品横向二维表面信息。待测组织样品的后向散射光沿原光路返回至偏振分束器与参考光相遇，若样品的后向散射光与参考光的光程差小于光源的相干长度，则发生干涉。干涉光束从偏振分束器反射至探测单元，探测单元包括一个衍射光栅，一组非球面透镜对，一个线扫CCD，干涉光束通过衍射光栅分光，由非球面透镜对聚焦至线扫CCD，将光信号转化为电信号，获取得到待测组织样品进一步的深度信息，最终经过图像处理单元的图像信号的接收与A/D转换模块、输入输出接口，由总线接口将数据传输给计算机。计算机在取得图像后，用多种算法对数字图像进行处理，分析计算并输出三维立体成像结果。
进一步的，所述的光纤耦合器采用分光比为90:10，采用此分光比是为了使样品光束强度更大，避免样品光束在生物样品组织中衰减过快，偏振控制器可使光束保持偏振化，最后的干涉图样对比度大，图像更清晰。
进一步的，所述的待测组织样品进行了化学试剂透明化处理。透明化处理是为了减少待测组织样品内部的散射和吸收，提高光在组织中的穿透深度，达到对深层组织成像的目的。透明化处理方法有溶剂型的3DISCO、水基型的单纯浸泡法的SeeDB或是水化法的CUBIC等，具体试剂配比依据特定组织生物介质的折射率而定，本发明不限于已提出的三种方法，任何可使样品组织透明化的方法均可在本发明中使用。
进一步的，所述的图像处理单元包括图像信号的接收、A/D转换模块、输入输出接口和总线接口。探测单元获得的待测组织样品图像信号经过图像信号的接收与A/D转换模块的放大与数字化，然后通过输入输出接口协调数字信号进行同步或实现异步传输，最终由总线接口向计算机内部总线高速输出数字数据。
值得注意的是，虽然上述公开主要针对生物成像领域，但本发明的实施例可用于任何环境或其他领域，如植物样本分析，精细结构再现等，可通过光学相干层析成像进一步发展。所讨论的生物成像领域只是示范性的，不应被理解为有限的。

Claims (5)

1.一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，其特征在于，该系统装置包括低相干宽带光源，透镜L1、半波片、偏振分束器、透镜L2、光纤连接器FC1、光纤连接器FC2、光纤耦合器、偏振控制器A、偏振控制器B、准直透镜L3、透镜L5、平面镜、准直透镜L4、相位掩膜板、扫描振镜、透镜L6、探测单元、图像处理单元和计算机；启动低相干宽带光源使之产生高斯型光源光束，光束经过透镜L1扩束、半波片和偏振分束器偏振化和透镜L2聚焦后，由光纤连接器FC1接入光纤耦合器将光源光束分为信号光束和参考光束，参考光束通过偏振控制器A从光纤连接器FC2出射经过一个准直透镜L3进行准直，光束准直后经过透镜L5聚焦于焦平面的平面镜上，该光束沿原光路反射回偏振分束器，样品光束通过偏振控制器B从光纤连接器FC3出射经过准直透镜L4以平行光出射，该光束经过相位掩模板后变换为有限能量的艾里光束，该艾里光束水平进入扫描振镜后垂直出光通过透镜L6聚焦于待测组织样品上，待测组织样品的后向散射光沿原光路返回至偏振分束器与参考光束发生干涉，干涉光束从偏振分束器反射至探测单元，获得待测组织样品的图像信号，图像信号经过图像处理单元传输给计算机，计算机在取得数据后，进行算法处理，分析计算并输出三维立体成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，其特征在于：所述的光纤耦合器采用的是分光比为90:10。
3.据权利要求1所述的一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，其特征在于：所述的待测组织样品进行了化学试剂透明化处理；透明化处理是为了减少待测组织样品内部的散射和吸收，提高光在组织中的穿透深度，达到对深层组织成像的目的。
4.根据权利要求1所述的一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，其特征在于：所述的探测单元包括衍射光栅、非球面透镜对和线扫CCD；干涉光束通过衍射光栅分光，由非球面透镜对聚焦至线扫CCD，将光信号转化为电信号，获得待测组织样品的图像信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于艾里光束和组织透明化技术的超深OCT系统装置，其特征在于：所述的图像处理单元包括图像信号的接收、A/D转换模块、输入输出接口和总线接口；探测单元获得的待测组织样品图像信号经过图像信号的接收与A/D转换模块的放大与数字化，然后通过输入输出接口协调数字信号进行同步或实现异步传输，最终由总线接口向计算机内部总线高速输出数字数据。
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