CN112587084A - 一种成像深度可实时调整的光学相干成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于医疗器械领域，公开了成像深度可实时调整的光学相干成像系统，包括光源、干涉仪、参考束单元、图像束单元、探测单元、数据采集单元、光电转换单元、图像分析显示单元和控制单元，参考束单元包括第一准直透镜、第一扩束器、反射镜、第二扩束器、声光移频器和线圈电机，反射镜设置在线圈电机上，且线圈电机用于调节反射镜与第一准直透镜之间的距离，声光移频器设于第二扩束器与干涉仪之间，并用于调整第二扩束器输出的光束的频率偏移，光学相干成像系统在参考束单元设置移频器和线圈电机构成探测深度可实时变化的成像装置，实现高精度轴向扫描，完成从眼角膜顶表面到晶状体后囊膜的整个人眼前节的高分辨率成像。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种成像深度可实时调整的光学相干成像系统。
背景技术
飞秒激光辅助白内障手术，是利用飞秒激光脉冲、光学相干层析技术高精度检测和计算机精密计算进行轨迹规划，将传统白内障手术中由人工碎核等几个关键步骤自动化、智能化实现的一种眼科手术。
光学相干成像系统术前、术中需要精确测量晶状体和前后囊膜的位置及轮廓，特别是后囊膜，术后观测人工晶状体的位置。主要有三种技术方案：时域光学相干层析技术、谱域光学相干层析技术、扫频光学相干层析技术。时域光学相干层析技术利用照射在生物组织上散射的弹道光子、蛇形光子与参考臂上的反射光发生干涉，产生干涉条纹，利用干涉条纹信息计算出散射组织的结构信息，但该方法的扫描速度有限；谱域光学相干层析技术利用波长的变化实现扫描深度的变化，该方法探测精度虽然高，但是探测范围却相对有限；扫频光学相干层析技术虽然扫描速度快、扫描深度大、采集信号信噪比高，但是，由于是离散波长采样，检测结果精度相比于谱域光学相干层析技术有所降低。
人眼晶状体的深度约为8mm，谱域光学相干层析技术测量的有效深度约为3mm，无法完全覆盖整个晶状体和前、后囊膜约8mm的探测深度。因此迫切需要研制出一种成像深度可以根据眼组织实时情况可调整的光学相干成像系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其旨在解决现有光学相干成像系统无法试试调整成像深度的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供的方案是：
一种成像深度可实时调整的光学相干成像系统，包括光源、干涉仪、参考束单元、图像束单元、探测单元、数据采集单元、光电转换单元、图像分析显示单元和控制单元，所述参考束单元包括第一准直透镜、第一扩束器、反射镜、第二扩束器、声光移频器和线圈电机，所述第一准直透镜、所述第一扩束器、所述反射镜和所述第二扩束器沿光路依次设置，所述反射镜设置在所述线圈电机上，且所述线圈电机用于调节所述反射镜与所述第一准直透镜之间的距离，所述声光移频器设于所述第二扩束器与所述干涉仪之间，并用于调整所述第二扩束器输出的光束的频率偏移；
所述光源发出的扫描波长束经过干涉仪分为第一图像束和第一参考束，所述第一参考束传输至所述参考束单元，所述第一参考束经所述第一准直透镜依次传输至所述第一扩束器、所述反射镜和所述第二扩束器，所述第二扩束器输出的光束经所述声光移频器调整后形成第二参考束，所述第一图像束传输至所述图像束单元，所述图像束单元将所述第一图像束传输至眼睛，经眼睛反射和散射的光为第二图像束，所述第二参考束和所述第二图像束在所述干涉仪处进行相干产生相干光，所述相干光传输至所述探测单元；
所述探测单元将所述相干光进行检测并传输至所述数据采集单元，所述数据采集单元生成数据并将数据传输至所述光电转换单元；所述光电转换单元接收所述数据并将光信号转换成电信号后传输至所述图像分析显示单元，所述图像分析处理单元对所述电信号分析处理，生成图像信息并显示；所述控制单元根据接收来自所述图像分析处理单元的图像信息，并根据所述图像信息控制所述声光移频器和所述线圈电机的工作以调整成像深度。
优选地，所述图像束单元包括通过光纤传输线路依次连接的第二准直透镜、2D扫描单元和聚焦透镜，所述第一图像束经所述第二准直透镜、所述2D扫描单元和所述聚焦透镜传输至眼睛。
优选地，所述探测单元为探测器阵列、探测芯片和高速相机中的任意一种。
优选地，所述光源、所述干涉仪、所述参考束单元、所述图像束单元通过光纤传输线路连接。
优选地，所述探测单元、所述数据采集单元、所述光电转换单元、所述图像分析显示单元和所述控制单元通过电信号线路连接。
优选地，所述光源的中心波长为840nm。
优选地，所述光学相干成像系统的成像时间为0.01-0.1 秒。
优选地，所述光学相干成像系统的帧率为 50-100 帧/秒。
优选地，所述光学相干成像系统的成像深度为1-8mm。
优选地，所述光学相干成像系统的成像分辨率为3-5μm。
本发明提供的成像深度可实时调整的光学相干成像系统在参考束单元设置移频器和线圈电机构成探测深度可实时变化的成像装置，实现高精度轴向扫描，完成从眼角膜顶表面到晶状体后囊膜的整个人眼前节的高分辨率成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的成像深度可实时调整的光学相干成像系统的结构示意图。
附图标号说明：
1、光源；2、干涉仪；3、参考束单元；31、第一准直透镜；32、第一扩束器；33、反射镜；34、第二扩束器；35、声光移频器；36、线圈电机；4、图像束单元；41、第二准直透镜；42、2D扫描单元；43、聚焦透镜；5、探测单元；6、数据采集单元；7、光电转换单元；8、图像分析显示单元；9、控制单元；10、人眼。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1，本发明实施例提供一种成像深度可实时调整的光学相干成像系统，光学相干成像系统在眼科手术期间不仅能够提供数个更新的图像，而且能够提供手术进程的基本上实况图像。基本上实况反馈可以传递非常宝贵及时且可付诸实施的信息给外科医生以监控手术进程，改进手术精确度，并且根据实时情况做出实时反应。
成像深度可实时调整的光学相干成像系统包括光源1、干涉仪2、参考束单元3、图像束单元4、探测单元5、数据采集单元6、光电转换单元7、图像分析显示单元8和控制单元9，探测单元5、数据采集单元6、光电转换单元7、图像分析显示单元8和控制单元9通过电信号线路连接，参考束单元3包括第一准直透镜31、第一扩束器32、反射镜33、第二扩束器34、声光移频器35和线圈电机36，第一准直透镜31、第一扩束器32、反射镜33和第二扩束器34沿光路依次设置，反射镜33设置在线圈电机36上，且线圈电机36用于调节反射镜33与第一准直透镜31之间的距离，声光移频器35设于第二扩束器34与干涉仪2之间，并用于调整第二扩束器34输出的光束的频率偏移。
光源1用于生成扫描长波束，光源1发出的扫描波长束经过干涉仪2分为第一图像束和第一参考束，第一参考束传输至参考束单元3，第一参考束经第一准直透镜31依次传输至第一扩束器32、反射镜33和第二扩束器34，第二扩束器34输出的光束经声光移频器35调整后形成第二参考束，第一图像束传输至图像束单元4，图像束单元4将第一图像束传输至眼睛，经眼睛反射和散射的光为第二图像束，第二参考束和第二图像束在干涉仪2处进行相干产生相干光，相干光传输至探测单元5。
探测单元5将相干光进行检测并传输至数据采集单元6，数据采集单元6生成数据并将数据传输至光电转换单元7。
光电转换单元7接收数据并将光信号转换成电信号后传输至图像分析显示单元8，图像分析处理单元对电信号分析处理，生成图像信息并显示。
控制单元9根据接收来自图像分析处理单元的图像信息，并根据图像信息控制声光移频器35和线圈电机36的工作以调整成像深度。
可以理解的是，通过改变移频器的偏移频率来扩展成像深度，能够实现从角膜顶表面到晶状体后囊膜的整个人眼10前节成像。
可选地，线圈电机36为微米级别线圈电机。
可以理解的是，由于光学相干层析探测技术的有效探测深度约为3mm，不足以覆盖整个晶状体及前后囊膜约8mm的探测，本发明的反射镜33与线圈电机36构成探测深度可变化的模块，控制单元9可以根据实时成像情况调整反射镜33与第一准直透镜31之间的距离，从而将成像深度扩展至8mm。
可以理解的是，一方面通过利用线圈电机36高速的动态响应能力补偿由于人眼10沿着光轴方向的颤动所引入的测量误差；另一方面，利用线圈电机36的一维方向移动，完成光学相干层析探测范围的轴向平移。
本发明实施例的成像深度可实时调整的光学相干成像系统在参考束单元3设置移频器和线圈电机36构成探测深度可实时变化的成像装置，实现高精度轴向扫描，完成从眼角膜顶表面到晶状体后囊膜的整个人眼10前节的高分辨率成像。
优选地，图像束单元4包括通过光纤传输线路依次连接的第二准直透镜41、2D扫描单元42和聚焦透镜43，第一图像束经第二准直透镜41、2D扫描单元42和聚焦透镜43传输至眼睛。
优选地，探测单元5为探测器阵列、探测芯片和高速相机中的任意一种。
优选地，光源1、干涉仪2、参考束单元3、图像束单元4通过光纤传输线路连接，本发明实施例的光路是通过光纤连接的，不是通过镜片来连接的，因此光路更加简单、更加柔性。
优选地，光源1的中心波长为840nm。
本实施例的光学相干成像系统从全部z深度同时平行收集(x,y)点处的图像数据，从不同深度收集图像数据的平行或同时属性，通过使用复杂图像辨识和处理电路整合相邻深度图像生成具有较大范围的单个图像。
优选地，光学相干成像系统的成像时间为0.01-0.1 秒。
本实施例的光学相干成像系统成像速度快，成像时间短，意味着可以生成可以提供关于眼科手术进程的及时且因此有用的反馈给医生的图像使得医生可以响应于反馈修改手术过程，可以在进行人眼10结构成像过程中可实时观察。在进行飞秒激光辅助眼科手术中，医生可以实时观察患者手术进程，能同时完成人眼10结构三维模型成像和手术实施过程观察。
优选地，光学相干成像系统的帧率为 50-100 帧/秒。
实况视频图像通常使用的刷新速率是约24帧/秒。因此，50-100帧/秒的刷新速率或帧率提供图像的成像系统可以提供高分辨率的实况图像给医生。而帧率或刷新速率远小于20到25帧/秒的系统可能不被视为实况视频成像，而是被视为不稳定、跳跃图像，可能甚至使医生从眼科手术分散注意力。
优选地，光学相干成像系统的成像深度为1-8mm，成像分辨率为3-5μm。
本实施例的光学相干成像系统可以达到成像深度1-8mm，可以完成从角膜至晶状体至眼底视网膜的整个全眼的图像信息的采集并成像，而且光学相干成像系统可以达到成像分辨率3-5μm，可以提供清晰度高的全眼的图像信息。
本实施例的光学相干成像系统工作方式如下：
步骤S1，光源1发出的光经过干涉仪2分为第一图像束和第一参考束，第一参考束通过光纤传输线路传输至参考束单元3，参考束单元3中的声光移频器35调整频率偏移，参考束单元3中的微米级别线圈电机36直线移动，调整反射镜33与第一准直透镜31之间的距离，且参考束单元3传输从参考束单元3返回的第二参考束；第一图像束通过光纤传输线路传输至图像束单元4，将第一图像束传输至眼睛且传输从眼睛返回的第二图像束。
步骤S2，将第二参考束和第二图像束在干涉仪2处进行相干产生相干光，相干光传输至探测单元5，探测单元5将相干光进行检测并传输至数据采集单元6，数据采集单元6生成数据并将数据传输至光电转换单元7，光电转换单元7将光信号转换成电信号，并将电信号传输至图像分析处理单元，图像分析处理单元对接收的信号进行分析处理，生成图像信息并显示。
步骤S3，当成像需要从眼角膜顶表面变为人眼10晶状体及其后囊膜时，的控制单元9根据接收到的图像信息控制声光移频器35和微米级别线圈电机36的工作。
具体的，声光移频器35调整频率偏移，微米级别线圈电机36直线移动，调整反射镜33与第一准直透镜31之间的距离，达到探测深度为3mm-8mm，且参考束单元3传输从参考束单元3返回的第二参考束；图像束通过光纤传输线路传输至图像束单元4，将图像束传输至眼睛且传输从眼睛返回的第二图像束。
步骤S4，将第二参考束和第二图像束在干涉仪2处进行相干产生相干光，相干光传输至探测单元5，探测单元5将相干光进行检测并传输至数据采集单元6，数据采集单元6生成数据并将数据传输至光电转换单元7，光电转换单元7将光信号转换成电信号，并将电信号传输至图像分析处理单元，图像分析处理单元对接收的信号进行分析处理，生成图像信息并显示。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，包括光源、干涉仪、参考束单元、图像束单元、探测单元、数据采集单元、光电转换单元、图像分析显示单元和控制单元，所述参考束单元包括第一准直透镜、第一扩束器、反射镜、第二扩束器、声光移频器和线圈电机，所述第一准直透镜、所述第一扩束器、所述反射镜和所述第二扩束器沿光路依次设置，所述反射镜设置在所述线圈电机上，且所述线圈电机用于调节所述反射镜与所述第一准直透镜之间的距离，所述声光移频器设于所述第二扩束器与所述干涉仪之间，并用于调整所述第二扩束器输出的光束的频率偏移；
所述光源发出的扫描波长束经过干涉仪分为第一图像束和第一参考束，所述第一参考束传输至所述参考束单元，所述第一参考束经所述第一准直透镜依次传输至所述第一扩束器、所述反射镜和所述第二扩束器，所述第二扩束器输出的光束经所述声光移频器调整后形成第二参考束，所述第一图像束传输至所述图像束单元，所述图像束单元将所述第一图像束传输至眼睛，经眼睛反射和散射的光为第二图像束，所述第二参考束和所述第二图像束在所述干涉仪处进行相干产生相干光，所述相干光传输至所述探测单元；
所述探测单元将所述相干光进行检测并传输至所述数据采集单元，所述数据采集单元生成数据并将数据传输至所述光电转换单元；所述光电转换单元接收所述数据并将光信号转换成电信号后传输至所述图像分析显示单元，所述图像分析处理单元对所述电信号分析处理，生成图像信息并显示；所述控制单元根据接收来自所述图像分析处理单元的图像信息，并根据所述图像信息控制所述声光移频器和所述线圈电机的工作以调整成像深度。
2.如权利要求1所述的成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，所述图像束单元包括通过光纤传输线路依次连接的第二准直透镜、2D扫描单元和聚焦透镜，所述第一图像束经所述第二准直透镜、所述2D扫描单元和所述聚焦透镜传输至眼睛。
3.如权利要求1所述的成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，所述探测单元为探测器阵列、探测芯片和高速相机中的任意一种。
4.如权利要求1所述的成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，所述光源、所述干涉仪、所述参考束单元、所述图像束单元通过光纤传输线路连接。
5.如权利要求1所述的成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，所述探测单元、所述数据采集单元、所述光电转换单元、所述图像分析显示单元和所述控制单元通过电信号线路连接。
6.如权利要求1所述的成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，所述光源的中心波长为840nm。
7.如权利要求1所述的成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，所述光学相干成像系统的成像时间为0.01-0.1 秒。
8.如权利要求1所述的成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，所述光学相干成像系统的帧率为 50-100 帧/秒。
9.如权利要求1所述的成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，所述光学相干成像系统的成像深度为1-8mm。
10.如权利要求1所述的成像深度可实时调整的光学相干成像系统，其特征在于，所述光学相干成像系统的成像分辨率为3-5μm。
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