CN111307762A - 一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法及系统，包括：注射渗透金纳米笼溶液的样品、光源系统、参考臂光路系统、样品臂光路系统、光谱仪系统和线阵CCD相机采集光信号系统；本发明通过注射渗透金纳米笼溶液的样品、光路系统、参考臂光路系统、样品臂光路系统、光谱仪系统和线阵CCD相机采集光信号系统，实现了层析成像，成功地抑制了渗透区域的信号，有效地提高了采集图像的对比度，操作简单、安全，容易实现，并有效地提高了OCT成像对比度；本发明可用于光学相干层析成像。

Description

一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法及系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法及系统。

背景技术

光学相干层析成像技术(OCT)是20世纪90年代逐步发展而成的一种新的三维层析成像技术，主要基于低相干干涉原理获得深度方向的层析能力，通过扫描重构出透明样品内部结构的二维或三维图像，目前已在生物医学等领域有所应用。通过OCT获得的高分辨生物组织内部三维层析图像，其信号对比度源于样品内部光学反射(散射)特性的空间变化。此条件下，OCT成像不足也显现了出来，比如用于对肿瘤的诊断，由于肿瘤组织与周围正常组织的成分十分相近，所以在OCT成像图中很难区分出正常和异常组织。

目前，市场上用于提高OCT成像对比度的方法主要有两大类，一是通过算法处理提高显像对比度，二是使用物理方法提高采集的原始信号对比度。传统的方法虽然简单，但是都没有考虑到局部的信息，并且全局直方图均衡化还会产生使得一些噪音过度加强。改近的方法虽然较之传统的方法提高的对比度更高，但是对比度仍然不高。并且算法的方法都只能用在提高通过OCT采集到的两个信息区别较大的区域，对于原始信息的目标区域与非目标区域的信号区域边缘差别不大时就难以准确的提取两个信号区域以及实现对比度提高，甚至使图像失真。物理方法得到的图像并不能完全的提高目标区域的信号值或抑制非目标区域的信号值，并且某些物理方法的处理过程耗时、繁琐。

发明内容

本发明旨在提出一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法，包括：

S100、将样品待扫描区域注射渗透金纳米笼溶液，并放置于系统激光扫描范围内；

S200、检查OCT系统工作状态，启动系统对样品进行实时扫描和显示，根据实时显示的扫描结果细调样品的位置，使OCT系统扫描激光准确的照射在待扫描区域上；

S300、OCT系统实现样品层析成像主要过程为：

S301、在光源系统中，低相干宽带光源产生近红外激光束经过分光比为50:50的光纤耦合器分光成两束激光；

S302、在参考臂光路上，光纤耦合器将分光的一束激光垂直射入凸透镜中心，并聚焦到反射镜上，形成一条可逆参考光束按原光路返回到光纤耦合器；步进电机带动凸透镜和反射镜运动，改变参考光束光程；

S303、在样品臂光路上，光纤耦合器将分光的另一束激光射入二维扫描振镜，二维扫描振镜改变激光的运动方向使其射入1％反射的聚焦透镜，1％反射的聚焦透镜对激光聚焦使其对放在平台上的样品进行扫描，激光经过样品反射形成另一条可逆激光按原光路返回到光纤耦合器；

S304、在光谱仪系统中，光纤耦合器实现反射回来的两条可逆激光干涉，产生干涉光进入光栅；光栅对干涉光进行分光，双胶合透镜将分光后的激光准直成平行光；

S305、在线阵CCD相机采集光信号系统中，线阵CCD相机的感光元件接收通过双胶合透镜聚焦成平行光的激光。

参考臂光路和样品臂光路反射的两束可逆激光在光纤耦合器上发生干涉后参数满足：

其中，I为发生干涉后激光光强；r1，r2分别为参考臂光路和样品臂光路的反射系数；A为激光振幅幅度；k为波矢；Δz为光程差；n为从一到不同的光程差总个数，即一到相机CCD总个数；y为干涉光不同的波长个数；x为1到y；i是虚数单位；

S400、将扫描结果进行计算和保存。

作为上述技术方案的进一步改进，S100具体为：将30μL的25μg/ml金纳米笼溶液注射到样品的待扫描目标区域，放置一小时,然后将样品的待扫描区域放至激光扫描范围内。

作为上述技术方案的进一步改进，S400具体为：创建文档，采集线阵CCD相机的触发信号数据，将线阵CCD相机的触发信号数据增加到文档，同时对线阵CCD相机的触发信号数据进行处理，减去背景光，并将不含背景光的数据加入队列，将含背景光的数据重新进行处理；将加入队列的数据出队列并存入文档；文档采集到足够帧数的数据，则结束采集，并对采集的数据进行计算得到对比度，保存数据，关闭扫描系统。

一种基于金纳米笼的光学相干层析成像系统，包括：

注射渗透金纳米笼溶液的样品；

光源系统，包括低相干宽带光源和光纤耦合器；所述低相干宽带光源用于产生近红外激光束；所述光纤耦合器用于将所述低相干宽带光源产生的近红外激光束分光成两束激光；

参考臂光路系统，包括凸透镜、单面反射镜和步进电机；光纤耦合器分光的一束激光依次垂直射入所述凸透镜和所述单面反射镜上，并经过单面反射镜反射形成一束可逆激光；所述步进电机分别连接所述凸透镜和所述单面反射镜；

样品臂光路系统，包括二维扫描振镜、1％反射的聚焦透镜、样品和样品装载台；所述样品放置在所述样品装载台上；光纤耦合器分光的另一束激光依次射入所述二维扫描振镜、所述1％反射的聚焦透镜和所述样品，并经过样品反射形成另一束可逆激光；

所述光纤耦合器还用于把两束可逆激光形成干涉光；

光谱仪系统，包括衍射光栅和双胶合透镜；

线阵CCD相机采集光信号系统，包括线阵CCD相机；光纤耦合器的干涉光依次射入所述衍射光栅、所述双胶合透镜和所述线阵CCD相机。

本发明的有益效果：本发明通过注射渗透金纳米笼溶液的样品、光路系统、参考臂光路系统、样品臂光路系统、光谱仪系统和线阵CCD相机采集光信号系统，实现了层析成像，成功地抑制了渗透区域的信号，有效地提高了采集图像的对比度，操作简单、安全，容易实现，并有效地提高了OCT成像对比度。

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是本发明提供的一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法及系统的光学相干层析成像系统结构图；

图2是本发明提供的一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法及系统的样品目标区域的横截面的信号数据图；

图3是本发明提供的一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法及系统的样品同一干涉深度的信号图；

图4是本发明提供的一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法及系统的样品两个不同位置的全部深度信息图。

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，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法，包括：

S100、将样品待扫描区域注射渗透金纳米笼溶液，并放置于系统激光扫描范围内；

具体地，将30μL的25μg/ml金纳米笼溶液注射到样品的待扫描目标区域，放置一小时,然后将样品的待扫描区域放至激光扫描范围内。

S200、检查OCT系统工作状态，启动系统对样品进行实时扫描和显示，根据实时显示的扫描结果细调样品的位置，使OCT系统扫描激光准确的照射在待扫描区域上；

S300、OCT系统实现样品层析成像主要过程为：

S301、在光源系统中，低相干宽带光源产生近红外激光束经过分光比为50:50的光纤耦合器分光成两束激光；

S302、在参考臂光路上，光纤耦合器将分光的一束激光垂直射入凸透镜中心，并聚焦到反射镜上，形成一条可逆参考光束按原光路返回到光纤耦合器；步进电机带动凸透镜和反射镜运动，改变参考光束光程；

步进电机带动凸透镜和反射镜运动，改变参考光束光程，为检测光路系统提供光程参照值。

S303、在样品臂光路上，光纤耦合器将分光的另一束激光射入二维扫描振镜，二维扫描振镜改变激光的运动方向使其射入1％反射的聚焦透镜，1％反射的聚焦透镜对激光聚焦使其对放在平台上的样品进行扫描，激光经过样品反射形成另一条可逆激光按原光路返回到光纤耦合器；

激光经过样品反射形成另一条可逆激光按原光路返回到光纤耦合器，为检测光路系统提供光程样品值。

S304、在光谱仪系统中，光纤耦合器实现反射回来的两条可逆激光干涉，产生干涉光进入光栅；光栅对干涉光进行分光，双胶合透镜将分光后的激光准直成平行光；

两个反射回来的可逆激光在光纤耦合器中相遇并发生干涉，干涉光从另一路进入光栅发生多缝衍射，对干涉光进行分光，取分光后的一级衍射条纹，用双胶合透镜将分光后的激光准直成平行光，保证全部的能量能够被采集元件吸收。

S305、在线阵CCD相机采集光信号系统中，线阵CCD相机的感光元件接收通过双胶合透镜聚焦成平行光的激光。

参考臂光路和样品臂光路反射的两束可逆激光在光纤耦合器上发生干涉后参数满足：

其中，I为发生干涉后激光光强；r1，r2分别为参考臂光路和样品臂光路的反射系数；A为激光振幅幅度；k为波矢；Δz为光程差；n为从一到不同的光程差总个数，即一到相机CCD总个数；y为干涉光不同的波长个数；x为1到y；i是虚数单位；

S400、将扫描结果进行计算和保存。

具体地，创建文档，采集线阵CCD相机的触发信号数据，将线阵CCD相机的触发信号数据增加到文档，同时对线阵CCD相机的触发信号数据进行处理，减去背景光，并将不含背景光的数据加入队列，将含背景光的数据重新进行处理；将加入队列的数据出队列并存入文档；文档采集到足够帧数的数据，则结束采集，并对采集的数据进行计算得到对比度，保存数据，关闭扫描系统。

请参照图1，一种基于金纳米笼的光学相干层析成像系统，包括：注射渗透金纳米笼溶液的样品、光路系统、参考臂光路系统、样品臂光源系统、光谱仪系统和线阵CCD相机采集光信号系统。

光源系统包括低相干宽带光源和光纤耦合器，参考臂光路系统包括凸透镜、单面反射镜和步进电机，样品臂光路系统包括二维扫描振镜、1％反射的聚焦透镜和样品装载台，光谱仪系统包括衍射光栅和双胶合透镜；线阵CCD相机采集光信号系统包括线阵CCD相机。

金纳米笼是一种中空多孔的金纳米材料。颗粒表面容易被生物分子修饰且毒性低。金纳米笼状颗粒的空心结构可以用来填充治疗疾病的药物，外层用相应的核酸适体或抗体等修饰，可以达到控释药物治疗疾病的目的。由于金纳米笼在近红外区域对光吸收截面比传统的染料分子相比高约5个数量级。因此这种纳米材料具有有效提高OCT图像对比度并同时协助诊断治疗的能力。

将30μL的25μg/ml金纳米笼溶液注射(涂抹)到样品的待扫描目标区域，让金纳米笼溶液自由渗透一小时,然后将样品的待扫描区域放至激光扫描范围内，金纳米笼材料具有较强的光学消光特性，在近红外区对光的吸收和散射能力强，表面容易被生物分子修饰，可用作光学层析成像的造影剂，金纳米笼吸收了大量的激光能量，被涂抹的区域反射光强减弱甚至消失，信号受到抑制，使OCT系统采集到的图像中目标物的反射强度降低，从而提高图像的对比度。

低相干宽带光源用于产生近红外激光束。

OCT基于低相干干涉原理获得深度方向的层析能力，通过改变光传播方向实现扫描重构生物组织或透明材料内部结构的二维或三维图像，其信号亮度的强弱源于生物组织或材料内部的光学反射(散射)特性。为了能呈现出更深的生物组织结构，OCT系统一般用穿透性强的近红外光作为光源。

光纤耦合器用于将低相干宽带光源产生的近红外激光束分成两束激光，将两束激光的可逆激光形成干涉光，分光比为50:50。分光防止激光回流打坏光源。

光纤耦合器又称分歧器、连接器、适配器、光纤法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域。实现光信号功率在不同光纤间的分配或组合的光器件。利用不同光纤面紧邻光纤芯区中导波能量的相互交换作用构成。

凸透镜用于垂直接收经过光纤耦合器分光的一束激光并将其聚焦到单面反射镜上，采用B膜凸透镜，匹配样品臂色散参数。

单面反射镜，可将投射来的光线反射回去，用于对激光进行反射形成可逆激光。

步进电机分别连接凸透镜和单面反射镜，步进电机运动带动凸透镜和单面反射镜运动，实现激光光束光程的改变。

二维扫描振镜用于接收经过光纤耦合器分光的另一束激光并改变激光方向。

1％反射的聚焦透镜，即反射率为1％的聚焦透镜，用于接收改变方向后的激光并进行聚焦。

样品装载台用于装载样品，放置在样品装载台的样品接收聚焦后的激光并反射形成可逆激光。

衍射光栅用于接收经过光纤耦合器的干涉光并对干涉光进行分光。衍射光栅是光栅的一种。它通过有规律的结构，使入射光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制。

双胶合透镜用于将分光后的激光准直成平行光。

线阵CCD相机用于接收由双胶合透镜聚焦成平行光的激光。

样品目标区域的信号数据图如图2至图4所示，图2是样品目标区域的横截面的信号数据图，因为金纳米笼对红外光谱吸收率高的特点，所以在涂抹了金纳米笼溶液的样品区域内反射光极低，激光未能进入到样品组织内部。故采集图像中有金纳米笼材料溶液渗透的区域信息比没渗透的区域低，较好的抑制了渗透区域的信号，极大的提高了采集图像的对比度。

图3是同一干涉深度的信号图，由图可知在渗透区域与非渗透区域交接处的信号产生了断层，即渗透区域与非渗透区域的信号对比度大。

图4是两个不同位置的全部深度信息图。其中虚线是非渗透区域的信号，实线是渗透区域的信号。由图可知，非渗透区域的信号随深度缓慢衰减，渗透区域的信号只在样品表面有较高的值，之后马上断层式衰减并比非渗透区域的信号离表面同等距离处低。说明金纳米笼材料溶液对OCT成像对比度有较大的提高。

本发明通过注射渗透金纳米笼溶液的样品、光路系统、参考臂光路系统、样品臂光路系统、光谱仪系统和线阵CCD相机采集光信号系统，实现了层析成像，成功地抑制了渗透区域的信号，有效地提高了采集图像的对比度，操作简单、安全，容易实现，并有效地提高了OCT成像对比度。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法，其特征在于：包括：

S100、将样品待扫描区域注射渗透金纳米笼溶液，并放置于系统激光扫描范围内；

S200、检查OCT系统工作状态，启动系统对样品进行实时扫描和显示，根据实时显示的扫描结果细调样品的位置，使OCT系统扫描激光准确的照射在待扫描区域上；

S300、OCT系统实现样品层析成像主要过程为：

S301、在光源系统中，低相干宽带光源产生近红外激光束经过分光比为50:50的光纤耦合器分光成两束激光；

S302、在参考臂光路上，光纤耦合器将分光的一束激光垂直射入凸透镜中心，并聚焦到反射镜上，形成一条可逆参考光束按原光路返回到光纤耦合器；步进电机带动凸透镜和反射镜运动，改变参考光束光程；

S303、在样品臂光路上，光纤耦合器将分光的另一束激光射入二维扫描振镜，二维扫描振镜改变激光的运动方向使其射入1％反射的聚焦透镜，1％反射的聚焦透镜对激光聚焦使其对放在平台上的样品进行扫描，激光经过样品反射形成另一条可逆激光按原光路返回到光纤耦合器；

S304、在光谱仪系统中，光纤耦合器实现反射回来的两条可逆激光干涉，产生干涉光进入光栅；光栅对干涉光进行分光，双胶合透镜将分光后的激光准直成平行光；

S305、在线阵CCD相机采集光信号系统中，线阵CCD相机的感光元件接收通过双胶合透镜聚焦成平行光的激光；

参考臂光路和样品臂光路反射的两束可逆激光在光纤耦合器上发生干涉后参数满足：

其中，I为发生干涉后激光光强；r1，r2分别为参考臂光路和样品臂光路的反射系数；A为激光振幅幅度；k为波矢；Δz为光程差；n为从一到不同的光程差总个数，即一到相机CCD总个数；y为干涉光不同的波长个数；x为1到y；i是虚数单位；

S400、将扫描结果进行计算和保存。

2.根据权利要求1所述的一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法，其特征在于：S100具体为：将30μL的25μg/ml金纳米笼溶液注射到样品的待扫描目标区域，放置一小时,然后将样品的待扫描区域放至激光扫描范围内。

3.根据权利要求1所述的一种基于金纳米笼的光学相干层析成像方法，其特征在于：S400具体为：创建文档，采集线阵CCD相机的触发信号数据，将线阵CCD相机的触发信号数据增加到文档；同时对线阵CCD相机的触发信号数据进行处理，减去背景光；并将不含背景光的数据加入队列，将含背景光的数据重新进行处理；将加入队列的数据出队列并存入文档；文档采集到足够帧数的数据，则结束采集，并对采集的数据进行计算得到对比度，保存数据，关闭扫描系统。

4.一种基于金纳米笼的光学相干层析成像系统，其特征在于：包括：

注射渗透金纳米笼溶液的样品；

光源系统，包括低相干宽带光源和光纤耦合器；所述低相干宽带光源用于产生近红外激光束；所述光纤耦合器用于将所述低相干宽带光源产生的近红外激光束分光成两束激光；

参考臂光路系统，包括凸透镜、单面反射镜和步进电机；光纤耦合器分光的一束激光依次垂直射入所述凸透镜和所述单面反射镜上，并经过单面反射镜反射形成一束可逆激光；所述步进电机分别连接所述凸透镜和所述单面反射镜；

样品臂光路系统，包括二维扫描振镜、1％反射的聚焦透镜、样品和样品装载台；所述样品放置在所述样品装载台上；光纤耦合器分光的另一束激光依次射入所述二维扫描振镜、所述1％反射的聚焦透镜和所述样品，并经过样品反射形成另一束可逆激光；

所述光纤耦合器还用于把两束可逆激光形成干涉光；

光谱仪系统，包括衍射光栅和双胶合透镜；

线阵CCD相机采集光信号系统，包括线阵CCD相机；光纤耦合器的干涉光依次射入所述衍射光栅、所述双胶合透镜和所述线阵CCD相机。

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