CN111316058B - 用于产生oct图像的oct数据采集与处理电路和oct系统 - Google Patents

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Abstract

用于基于扫频源光学相干断层成像(OCT)干涉信号来产生无混叠的采样OCT干涉信号的技术和设备。示例性设备包括：k时钟电路，所述k时钟电路被配置用于选择性地输出在从最小k时钟频率到最大k时钟频率的范围内的任意多个k时钟频率的k时钟信号，以及抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器被配置用于对扫频源OCT干涉信号进行滤波，以产生经滤波的OCT干涉信号，其中所述抗混叠滤波器的截止频率大于所述最小k时钟频率的二分之一但是小于所述最小k时钟频率。所述设备进一步包括模数(A/D)转换器电路，所述模数(A/D)转换器电路被配置用于以两倍的所述k时钟频率对所述经滤波的OCT干涉信号进行采样，以产生采样OCT干涉信号。在一些实施例中，所述A/D转换器电路在所述k时钟信号的上升沿和下降沿处都对所述经滤波的OCT干涉信号进行采样。

Description

用于产生OCT图像的OCT数据采集与处理电路和OCT系统
技术领域
本文披露的实施例涉及用于为OCT图像提供采样光学相干断层成像(OCT)干涉信号的装置、系统和方法。
背景技术
当前的眼科屈光手术方法，比如白内障手术、角膜内镶嵌术、激光辅助原位角膜磨镶术(LASIK)和屈光性角膜切削术(PRK)，都依赖于眼生物测量数据来开立最佳屈光矫正处方。历史上，眼科手术使用超声波生物测量仪器对眼睛的部分进行成像。在一些情况下，这些生物测量仪器产生眼睛的所谓的A扫描：沿成像轴线(典型地与眼睛的光轴对准)从全部接口发出的声回波信号：与其平行，或只形成小角度。其他仪器产生所谓的B扫描，实质上是将当生物测量仪器的头部或端头沿着扫描线扫描时相继进行的A扫描的集合组装。这条扫描线典型地位于眼睛光轴的外侧。这些超声波A扫描或B扫描然后用于测量和确定生物测量数据，比如眼轴长度、眼睛的前段深度、或角膜曲率半径。
在一些手术中，使用单独的第二角膜曲率计来测量角膜的屈光特性和数据。然后将超声波测量值和屈光数据组合在一个半经验公式中以便计算在随后的白内障手术中开立处方和插入的最佳人工晶状体(IOL)的特征。
近年来，基于光学相干断层成像(OCT)原理的光学成像和生物测量仪器已经迅速取代超声波生物测量仪器。OCT是一种能够实现对人类视网膜、角膜或白内障的微米级、高分辨率、截面成像的技术。光波从物体或样品反射，并且计算机通过使用关于波在反射时如何变化的信息来产生样品的截面图像或三维体积渲染图像。
可以基于傅立叶域处理的时域处理来执行OCT。后一种途径包括称为扫频源OCT的技术，其中用于照射样品的光学信号的光谱分量被实时地编码。换言之，光源扫掠(或步进)跨过光学带宽，其中在跨这个光学带宽的若干点处对由源信号和反射信号的组合产生的干涉信号进行采样。典型地被设计用于在跨光学带宽的等距间隔的点处对干涉信号采样的采样时钟被称为“k时钟”，并且所得样品(是光学频域或“k空间”中的样品)被称为“k空间”样品。
在实践中，光源被相继引导到被成像的物体(例如，眼睛)的表面上的一系列点中的每个点，其中在这些点中的每个点处收集跨光谱带宽的k空间样品。使用众所周知的数字信号处理技术来处理对应于每个点的k空间样品，以提供与成像物体中的一系列深度、即“A扫描”相对应的图像数据。对跨这一系列点的A扫描进行编译以产生B扫描；可以对与沿着成像物体的相继的“行”相对应的多个B扫描进行编译以形成三维图像数据。应了解的是，由于在扫频源OCT中使用的傅立叶域处理，因此，不需要z轴扫描(其中，干涉的参考臂的长度连续改变以获得成像物体中的不同深度处的信息)。而是，在与k空间样品的光谱频率增量的大小相反地对应的一系列深度上，通过对k空间样品的处理来获得深度信息。
OCT技术目前已广泛应用于临床实践，目前80％-90％的IOL处方病例使用这样的OCT仪器。除了其他原因，它们的成功是由于成像的非接触性质和比超声生物计更高的精度。
然而，即使有了这些最近的进步，生物测量和成像仪器的功能和性能还需要进一步的大幅度提高和发展。
发明内容
本文披露了用于基于扫频源光学相干断层成像(OCT)干涉信号来产生OCT图像的OCT数据采集与处理电路的实施例。在各种实施例中，所述OCT数据采集与处理电路包括：k时钟电路，所述k时钟电路被配置用于选择性地输出在从最小k时钟频率到最大k时钟频率的范围内的任意多个k时钟频率的k时钟信号，以及抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器被配置用于对所述扫频源OCT干涉信号进行滤波，以产生经滤波的OCT干涉信号。所述抗混叠滤波器的截止频率大于所述最小k时钟频率的二分之一但是小于所述最小k时钟频率。所述OCT数据采集与处理电路还进一步包括所耦合的模数(A/D)转换器电路，所述模数(A/D)转换器电路被配置用于以两倍的所述k时钟频率对所述经滤波的OCT干涉信号进行采样，以产生采样OCT干涉信号。
在一些实施例中，所述A/D转换器电路被配置用于在所述k时钟信号的每个上升沿和每个下降沿上对所述经滤波的OCT干涉信号进行采样。在其他实施例中，A/D转换器电路包括第一和第二A/D转换器，第一A/D转换器被配置用于使用k时钟信号以k时钟频率对经滤波的OCT干涉信号进行采样，并且第二A/D转换器被配置用于使用k时钟信号的相移副本以k时钟频率单独对经滤波的OCT干涉信号进行采样。在这些后者的实施例中，A/D转换器电路进一步包括多路复用器，以用于组合来自第一和第二A/D转换器的采样输出，从而获得采样OCT干涉信号。
在一些实施例中，所述OCT数据采集与处理电路进一步包括扫频光源和耦合到所述扫频光源的输出的干涉仪，所述干涉仪又包括检测器电路，所述检测器电路被配置用于根据所述干涉仪产生的光学干涉信号来产生所述扫频源OCT干涉信号。在一些实施例中，所述OCT数据采集与处理电路进一步包括：数字信号处理电路，所述数字信号处理电路被配置用于处理所述采样OCT干涉信号以获得OCT图像；以及显示器，所述显示器被配置用于显示所述OCT图像。
本文中所描述的实施例可以用于提供和/或操作一体化装置以便为若干不同的应用模式中的每个实现优化的OCT性能。下面描述了以上总结的实施例的其他优点和改变。
附图说明
图1展示了示例性扫频源光学相干断层成像(OCT)系统的部件。
图2展示了符合所披露的本发明的一些实施例的示例性数字采集与处理电路的部件。
图3展示了符合所披露的本发明的其他实施例的另一个示例性数字采集与处理电路的部件。
具体实施方式
在以下描述中，阐明具体细节以便描述特定的实施例。然而，本领域的技术人员应清楚的是可以在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施所披露的实施例。所呈现的具体实施例意在为说明性的，而非限制性的。本领域的技术人员可以认识到，虽然本文未明确描述，但其他材料也在本披露的范围和精神内。
在安装有显微镜和集成有显微镜的光学相干断层成像(OCT)系统中都可以采用本披露的技术和设备的实施例。
在眼科应用中，使用低相干干涉测量技术(如OCT)来提供关于眼睛层间距的信息。眼科生物测量需要从眼睛前段测量解剖学参数和光学参数、以及在全眼长度上进行的测量。然而，测量眼睛的全长相对于执行前段测量(这需要较短的测量深度)而言需要某些性能折中。
已经例示了允许OCT系统对眼睛的前房和全眼两者进行成像的若干种方法。这些方法涉及例如使用光学长延迟或光学双延迟、执行多次重新采样、在对OCT数据进行数字信号处理时消除镜像模糊、从OCT数据中消除镜像模糊、或者从OCT数据展开图像的混叠分量。然而，这些方法中的每一种方法都需要在系统性能方面做出妥协或影响系统的设计约束。
在扫频源OCT(SSOCT)中，与光学频域中的样品步长相对应的k时钟周期的选择将影响OCT成像性能。一般而言，例如，跨样品(比如人眼)较大深度进行成像需要与光学带宽中较细小步长相对应的较大采样速率。
为了对随后的这些技术的详细描述提供背景内容，首先描述图1。图1展示了示例性SSOCT系统10，所述系统包括扫频光源100、干涉仪200、检测系统150、k时钟源300、以及显示系统180。应了解的是，本文示出的细节仅是示例性的，其他系统可以以众所周知的方式变化。
扫频光源100典型地被设计用于波长调谐，以产生扫频光学信号，所述扫频光学信号以1千赫兹(kHz)或更大的扫描重复速率在例如100nm或更大的光学波长范围上的预定光学调谐范围上重复扫描。光发射的带宽，即全宽半最大(FWHM)带宽典型地小于10GHz。k时钟源300被配置用于以等距间隔的光学频率采样间隔来生成k时钟信号，因为来自扫频光源100的输出扫掠所述源的调谐带。在被实施为被设计用于例如以大约1310nm的光学波长操作的Mach-Zehnder型干涉仪的这个特定实例中，干涉仪200用于分析从成像物体5(可以是人眼)反射的光学信号。应了解的是，当干涉仪200针对不同波长设计时，所述干涉仪可以基于不同的设计。
如图中所见，来自扫频光源100的扫频光学输出经由光纤110耦合到干涉仪中的光纤耦合器210。例如，光纤耦合器210可以是90/10光纤耦合器。扫频光学信号被耦合器210在参考臂220与样品臂212之间分开。
参考臂220的光纤终止于光纤端面224。在所展示的实施方式中，从参考臂光纤端面224射出的光102R被透镜226准直并且被反射镜228反射。在一个实例中，反射镜228具有可调节的光纤到反射镜距离。这个距离决定了被成像的深度范围内的参考点，即，参考臂220与样品臂212之间的零路径长度差在样品5中的位置。在一些实施例中，可以对于不同的采样探针和/或被成像样品来调整这个距离。从参考反射镜228返回的光返回到参考臂循环器222并引向50/50光纤耦合器240。
样品臂212上的光纤终止于样品臂探针216。离开的扫频光学信号102S被探针216聚焦到样品5上。从样品5返回的光返回到样品臂循环器214并引向50/50光纤耦合器240。参考臂信号和样品臂信号在光纤耦合器240中组合产生光学干涉信号。
所述光学干涉信号在检测系统150中被检测到并进行处理。确切地，在图1所示的实施方式中，包括两个光学检测器152的平衡接收器位于光纤耦合器240的每个输出端处。来自平衡接收器152的电子干涉信号被放大器154放大，以产生干涉信号158，所述干涉信号用于被数据采集与处理电路155A处理。
检测系统150的数据采集与处理电路155A用于采样从放大器154输出的干涉信号。数据采集电路155A使用来自k时钟源300的k时钟信号来使系统数据采集与扫频光源系统100的频率调谐同步。应注意，由于扫频光源系统100的光学调谐相对于时间可能不是线性的，因此k时钟信号可能具有不规则的周期，因此不具有基频，而是具有频率范围，所述频率范围的特征为出于本披露的目的可以被视为k时钟频率的平均频率。
典型地，一旦通过对样品上的聚焦探针束点进行空间光栅扫描(例如，以x-y方式或θ-z方式)而收集样品5的完整数据集，使得通过扫频光源100的频率调谐在这些点中的每一个点处产生光谱响应，则数据采集与处理电路155A就根据众所周知的技术对数据执行傅立叶变换，以重建样品5的图像并执行2D或3D层析重建。接着，通过数据采集与处理电路155A产生的信息可以用显示系统180、比如视频监视器来显示。
图2展示了示例性数据采集与处理电路155A的进一步细节，如在本披露的若干实施例中可以发现的。如图中所见，数据采集与处理电路155A包括模数(A/D)转换器15，所述转换器被配置用于使用k时钟信号302作为采样时钟来采样干涉信号158。这在采样通道17上产生采样OCT信号，所述信号被提供给数字信号处理电路20以进行傅里叶处理与图像重建。
然而，在将干涉信号158提供给A/D转换器电路15之前，首先通过抗混叠滤波器12对所述干涉信号进行滤波。此抗混叠滤波器12具有截止频率fc，选择所述截止频率以防止混叠，所述混叠是在数字采样电路中众所周知的现象，当采样信号包括的信号能量的频率高于系统采样速率的二分之一时出现。如果输入信号中存在高于此乃奈奎斯特频率(Nyquist frequency)的能量，则在采样过程中此能量会被“折叠”到低频能量上，从而在数字样品中提供输入信号的失真表示。为了防止这种现象，通常将抗混叠滤波器的截止频率fc选择为远低于采样速率的二分之一，使得高于所述频率的任何能量在到达A/D转换器之前都会被滤波器充分衰减。应了解的是，在工业上使用了滤波器的截止频率的各种特定定义。相应地，出于清楚和确定性的目的，本文中的术语用于指代半功率点，即滤波器的衰减为滤波器的标称通带衰减的-3dB的频率。
如上所述，与光学频域中的样品步长相对应的k时钟周期的选择将影响OCT成像性能，以促进OCT在一系列应用中的使用，当前的OCT系统可以包括变速k时钟，所述变速k时钟具有最小k时钟频率和最大k时钟频率。然而，在这些系统中，抗混叠滤波器是针对最大k时钟频率fmax设计的，使得fc<fmax/2。结果，当使用较低的k时钟频率时，例如在最低的k时钟频率fmin下，可能会发生混叠，即，当fc>fmin/2时，因为抗混叠滤波器将于是允许A/D电路采样的信号包括超过采样速率二分之一的输入频率。
所披露的本发明的实施例通过以两倍的k时钟的频率对提供给A/D电路15的信号进行采样(例如，通过在k时钟的上升沿和下降沿都进行采样)来解决这个问题。抗混叠滤波器12的截止频率fc被选择为具有小于最小k时钟频率fmin的截止频率，但是由于采样速率提高了一倍，因此所述截止频率不必小于最小k时钟频率fmin的二分之一。(由于采样速率提高了一倍，因此最小采样速率为2x fmin)。因此，在实践中，抗混叠滤波器12的截止频率fc可以大于最小k时钟频率的二分之一但小于最小k时钟频率。
通过这种方法，可以在整个k时钟频率范围内进行性能折中，并且在任何一个极端情况下都不会出现混叠。在较高的k时钟频率下，有效地对干涉信号进行过采样，因为是以两倍的k时钟信号对所述干涉信号进行采样的，而且现有的A/D转换器电路和数字信号处理电路容易地接纳这种较高的采样速率和信号处理速率。如果希望，可以采用对采样信号进行抽取。
在图2所展示的数据采集与处理电路中，A/D转换器电路15被配置为双采样A/D转换器，例如，在k时钟信号302的上升沿和下降沿处，或等效地，在k时钟信号302的每个零交点处都采样输入信号。图3展示了符合所披露的本发明的一些实施例的数据采集与处理电路155B的另一个实例。如图3中所见，数据采集与处理电路155B包括两个A/D转换器55，这两个转换器被配置成并行的，使得每个转换器被配置用于在通过抗混叠滤波器12采样之后，单独采样干涉信号158。分别到第一和第二A/D转换器的时钟(CLK)输入由k时钟信号的两个不同副本(在附图中分别被示为时钟信号58A和58B)驱动，其中一个时钟信号(58B)相对于另一个时钟信号(58A)被相移、即延迟。在所展示的实例中，这种相移为大致180度，但是可以采用多个不同的相移，例如以在k域中提供均匀的采样间隔。第一k时钟信号58A和第二k时钟信号58B在图3所示的电路中由k时钟倍频电路57产生。第一和第二A/D转换器55的输出通过多路复用器(MUX)60组合，以产生经由采样通道37提供给数字信号处理电路40的采样OCT干涉信号。正如图3所示的电路的情况，数字信号处理电路40同样使用众所周知的技术、基于经由采样通道37提供给它的采样OCT干涉信号来执行傅立叶处理与图像重建，以分别对应于半速率和全速率模式选择性地产生半深度OCT图像或全深度OCT图像。
如上所述，图2和图3展示了用于基于扫频源OCT干涉信号来产生OCT图像的OCT数据采集与处理电路的特定实例。这些实例和这些实例的变型例如可以在像图1所展示的SSOCT系统中使用，但是当然可以在具有变化的设计和配置的系统中使用。因此，所展示的电路是OCT数据采集与处理电路的特定实例，所述OCT数据采集与处理电路包括：k时钟电路，所述k时钟电路被配置用于选择性地输出在从最小k时钟频率到最大k时钟频率的范围内的任意多个k时钟频率的k时钟信号；抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器被配置用于对扫频源OCT干涉信号进行滤波，以产生经滤波的OCT干涉信号，其中抗混叠滤波器的截止频率大于最小k时钟频率的二分之一但是小于最小k时钟频率，以及所耦合的A/D转换器电路，所述A/D转换器电路被配置用于以两倍的k时钟频率对经滤波的OCT干涉信号进行采样，以产生采样OCT干涉信号。
应了解的是，在本文所披露的数据采集与处理电路的一些实施例中，A/D转换器电路被配置用于在k时钟信号的每个上升沿和每个下降沿上对经滤波的OCT干涉信号进行采样。在其他实施例中，A/D转换器电路包括第一和第二A/D转换器，第一A/D转换器被配置用于使用k时钟信号以k时钟频率对经滤波的OCT干涉信号进行采样，并且第二A/D转换器被配置用于使用k时钟信号的相移副本以k时钟频率单独对经滤波的OCT干涉信号进行采样。在这些后者的实施例中，A/D转换器电路进一步包括多路复用器，以用于组合来自第一和第二A/D转换器的采样输出，从而获得采样OCT干涉信号。
在一些实施例中，包括本文所披露的OCT数据采集与处理电路的OCT系统可以进一步包括扫频光源和耦合到扫频光源的输出的干涉仪，所述干涉仪又包括检测器电路，所述检测器电路被配置用于根据干涉仪产生的光学干涉信号来产生扫频源OCT干涉信号。在一些实施例中，包括本文所披露的OCT数据采集与处理电路的OCT系统可以进一步包括：数字信号处理电路，所述数字信号处理电路被配置用于处理采样OCT干涉信号以获得OCT图像；以及显示器，所述显示器被配置用于显示OCT图像。
上述具体实施例展示但不限制本发明。如上所述和如下文要求保护的，还应理解的是，根据本发明的原理的许多修改和变化是可能的。

Claims (7)

1.一种用于基于扫频源光学相干断层成像OCT干涉信号来产生OCT图像的OCT数据采集与处理电路，所述OCT数据采集与处理电路包括：
k时钟，所述k时钟被配置用于选择性地输出在从最小k时钟频率到最大k时钟频率的范围内的任意多个k时钟频率的k时钟信号；
抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器被配置用于对所述扫频源OCT干涉信号进行滤波，以产生经滤波的OCT干涉信号，所述抗混叠滤波器的截止频率大于所述最小k时钟频率的二分之一但是小于所述最小k时钟频率；以及
模数A/D转换器电路，所述A/D转换器电路耦合到所述抗混叠滤波器的输出，并且被配置用于以两倍的所述k时钟频率对所述经滤波的OCT干涉信号进行采样，以产生采样OCT干涉信号，
其中，所述A/D转换器电路包括第一A/D转换器和第二A/D转换器，所述第一A/D转换器被配置用于使用所述k时钟信号以所述k时钟频率对所述经滤波的OCT干涉信号进行采样，并且所述第二A/D转换器被配置用于使用所述k时钟信号的相移副本以所述k时钟频率单独对所述经滤波的OCT干涉信号进行采样，所述A/D转换器电路进一步包括多路复用器，以用于组合来自所述第一A/D转换器和第二A/D转换器的采样输出，从而获得所述采样OCT干涉信号。
2.如权利要求1所述的OCT数据采集与处理电路，进一步包括：
k时钟倍频器，所述k时钟倍频器被配置用于产生所述k时钟信号的相移副本。
3.一种OCT系统，包括如权利要求1所述的OCT数据采集与处理电路，并且进一步包括：
扫频光源；以及
耦合到所述扫频光源的输出的干涉仪，所述干涉仪包括检测器电路，所述检测器电路被配置用于根据所述干涉仪产生的光学干涉信号来产生所述扫频源OCT干涉信号。
4.一种OCT系统，包括如权利要求1所述的OCT数据采集与处理电路，并且进一步包括：
数字信号处理电路，所述数字信号处理电路被配置用于处理所述采样OCT干涉信号以获得OCT图像；以及
显示器，所述显示器被配置用于显示所述OCT图像。
5.一种用于基于扫频源光学相干断层成像OCT干涉信号来产生OCT图像的OCT数据采集与处理电路，所述OCT数据采集与处理电路包括：
k时钟，所述k时钟被配置用于选择性地输出在从最小k时钟频率到最大k时钟频率的范围内的任意多个k时钟频率的k时钟信号；
k时钟倍频器，所述k时钟倍频器被配置用于产生所述k时钟信号的相移副本；
抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器被配置用于对所述扫频源OCT干涉信号进行滤波，以产生经滤波的OCT干涉信号，所述抗混叠滤波器的截止频率大于所述最小k时钟频率的二分之一但是小于所述最小k时钟频率；
模数A/D转换器电路，包括第一A/D转换器和第二A/D转换器，所述第一A/D转换器被配置用于使用所述k时钟信号以所述k时钟频率对所述经滤波的OCT干涉信号进行采样，并且所述第二A/D转换器被配置用于使用所述k时钟信号的相移副本以所述k时钟频率单独对所述经滤波的OCT干涉信号进行采样，所述A/D转换器电路进一步包括多路复用器，以用于组合来自所述第一A/D转换器和第二A/D转换器的采样输出，从而获得采样OCT干涉信号；
数字信号处理器，所述数字信号处理器的输入耦合到所述A/D转换器电路的输出；
所述多路复用器耦合到所述第一A/D转换器的输出，并且耦合到所述第二A/D转换器的输出；以及
所述数字信号处理器耦合到所述多路复用器的输出。
6.一种OCT系统，包括如权利要求5所述的OCT数据采集与处理电路，并且进一步包括：
扫频光源；以及
耦合到所述扫频光源的输出的干涉仪，所述干涉仪包括检测器电路，所述检测器电路被配置用于根据所述干涉仪产生的光学干涉信号来产生所述扫频源OCT干涉信号。
7.一种OCT系统，包括如权利要求5所述的OCT数据采集与处理电路，并且进一步包括：
数字信号处理电路，所述数字信号处理电路被配置用于处理所述采样OCT干涉信号以获得OCT图像；以及
显示器，所述显示器被配置用于显示所述OCT图像。
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