CN112683812B - 一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统及方法，所述系统包括角膜定位子系统、载荷激励子系统和OCT探测子系统；OCT探测子系统包括非线性微透镜阵列，非线性微透镜阵列包括在各方位上设置的多个非线性微透镜单元，相邻两个非线性微透镜单元之间的距离不同，非线性微透镜单元与前一个非线性微透镜单元的距离随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大；各个非线性微透镜单元的透镜口径大小不同，透镜口径大小随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大。非线性采样得到的信息更能反映软组织生物力学特性，并且更有效收集返回的光能，避免探测光到达测量点时离焦。

Description

一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统及方法

技术领域

本发明涉及生物医学弹性成像领域，尤其涉及一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统及方法。

背景技术

光学相干弹性成像(OCE)是一种新兴的量化软组织生物力学特性的光学技术，为软组织生物力学性能评估提供了新方法，在现代医学上被广泛应用。当OCE应用于医学时，系统通常需要载荷来激发组织产出一定的变形，并采用时域或者频域光学相干断层扫描系统对变形进行测量，然后对组织力学性能进行重建。这是一个将成像、弹性成像和计算建模相结合以构建软组织力学特性图的过程。

在专利(公开号CN109620131A)共光路微透镜阵列多光束光学相干弹性测量系统及方法中提到了建立求解探测光矩阵的空间线性采样和光程线性排布的数学模型。一般来说，软组织是粘弹性的、各向异性的和不可压缩的，故生物软组织并不能真正显示其弹性响应，采用线性采样得到的信息并不能反映软组织生物力学特性。

发明内容

本发明提供一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统及方法，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。

第一方面，本发明实施例提供了一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，包括角膜定位子系统、载荷激励子系统和OCT探测子系统；

角膜定位子系统，用于对角膜进行定位；

载荷激励子系统，用于刺激角膜以使角膜产生机械波和形变；

OCT探测子系统，用于对角膜的弹性响应进行测量，其中OCT探测子系统包括宽光谱光源、光纤耦合器、光开关、样品臂、参考臂和光谱探测器；宽光谱光源和光谱探测器分别通过光纤耦合器连接光开关的一端，宽光谱光源发出的光经过光纤耦合器分光，一路通向参考臂，另一路由光开关控制通向样品臂，所述光开关的另一端分别连接样品臂的对应光路，各光路分别对应相应的探测方位，所述样品臂的每条光路均依次设置有相互配合的准直镜和柱面镜；

样品臂位于角膜前的位置还设置非线性微透镜阵列，所述非线性微透镜阵列包括在各方位上设置的多个非线性微透镜单元，非线性微透镜阵列的中间设有激励孔，各方位探测光经非线性微透镜阵列聚焦在角膜的各测量点，角膜的各测量点反射回的探测光束和参考臂反射回的参考光束发生干涉，其干涉光谱由光谱探测器进行探测；

每个方位上的多个非线性微透镜单元在径向方向上的排列满足：相邻两个非线性微透镜单元之间的距离不同，非线性微透镜单元与前一个非线性微透镜单元的距离随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大；

每个方位上的多个非线性微透镜单元的透镜口径大小满足：各个非线性微透镜单元的透镜口径大小不同，透镜口径大小随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大。

进一步，每个方位上设置m个非线性微透镜单元，非线性微透镜单元与前一个非线性微透镜单元的距离随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大指多个非线性微透镜单元与激励点的距离呈指数增大，具体为：m个非线性微透镜单元在径向方向上排列，并且m个非线性微透镜单元的光心与激励孔的距离的关系为：

其中，1≤p≤m，p为递增的自然数，p表示第p个非线性微透镜单元，L_p表示第p个非线性微透镜单元的光心与激励孔的距离，d₁为常数，并且d₁>0。

进一步，透镜口径大小随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大为指数增大，具体为：m个非线性微透镜单元在径向方向上排列，并且m个非线性微透镜单元的口径大小为：

其中，1≤p≤m，p为递增的自然数，p表示第p个非线性微透镜单元，D_p表示第p个非线性微透镜单元的口径，d₂为常数，并且d₂>0。

进一步，各探测光束设计时需要引入特征光程OP_ij，这样到达角膜时的总光程g_ij为：

其中，g_ij量为到达第i个测量方向的第j个测量点的总光程，R为角膜曲率半径，x_ij为测量点到激励点所在的角膜曲率半径的垂直距离，OP_ij为宽光谱光源发出的光到达激励点的光程，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m，i和j均为递增的自然数；

优化OP_ij参数，使得Δg_ik满足：

Δg_ik＝g_i(k+1)-g_ik＝Δg_i(k+1)＝g_i(k+2)-g_i(k+1)；

其中，g_ik为到达第i个测量方向的第k个测量点的总光程，g_i(k+1)为到达第i个测量方向的第k+1个测量点的总光程，g_i(k+2)为到达第i个测量方向的第k+2个测量点的总光程，Δg_ik为到达第i个测量方向的第k+1个测量点和第i个测量方向的第k个测量点的光程差，Δg_i(k+1)为到达第i个测量方向的第k+2个测量点和第i个测量方向的第k+1个测量点的光程差，k∈j，k＝1,2,...,m-2，k为递增的自然数。

进一步，每个方位上设置的多个非线性微透镜单元的焦距不同。

进一步，所述角膜定位子系统包括定位相机，用于对角膜和瞳孔成像，根据瞳孔的边缘及中心位置对角膜进行横向定位。

进一步，光开关为超快速光开关，所述超快速光开关指开/关转换时间不超过1ms的光开关，所述超快速光开关实现各方位按顺序的交替重复采集。

进一步，所述多个探测方位包括至少4个方位。

进一步，每个方位上的测量点不少于3个。

第二方面，本发明实施例还提供了一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量方法，包括：

S1、搭建第一方面所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统；

S2、使用角膜定位子系统对角膜和瞳孔成像，根据瞳孔的边缘及中心位置对角膜进行横向定位，并通过OCT信号中A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪；

S3、当角膜的轴向位置和横向位置在测量误差范围之内时，载荷激励子系统对样品角膜表面进行激励；

S4、在OCT探测子系统中，宽光谱光源发出的光经过光纤耦合器分光，一路通向参考臂，另一路由光开关控制通向样品臂，光开关控制了多方位的探测光路，实现各方位按顺序地交替重复采集；每路探测光路对应了一个测量方向，各探测光路的光经过准直镜与柱面镜的组合作用后，其光束被延展成了长条形光斑，并分别照射到角膜前的非线性微透镜阵列的对应方位上，并由非线性微透镜阵列聚焦于角膜的若干测量点上；角膜的各测量点反射回的探测光束和参考臂反射回的参考光束发生干涉，并被光谱探测器探测。

本发明实施例的一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统及方法，至少具有以下有益效果：采用非线性微透镜阵列，非线性微透镜阵列在每个方位上的多个非线性微透镜单元在径向方向上非等距排列，使得离激励点越近，透镜的排列越密集，离激励点越远，透镜的排列越稀疏，以形成角膜表面力学响应的有效采样，另外，每个方位上的多个非线性微透镜单元的透镜口径大小非等大，使得离激励点越近，口径小，离激励点越远，口径增大，更有效收集返回的光能，避免探测光到达测量点时离焦，本发明的非线性采样得到的信息更能反映软组织生物力学特性。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是本发明实施例提供的一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种非线性微透镜阵列的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的一种非线性微透镜阵列的截面结构示意图。

图4是本发明实施例提供的样品臂的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的激励点和测量点在角膜上的放大位置的示意图。

图6本发明实施例提供的激励点和测量点在角膜上的放大位置的光程图。

图7是本发明实施例提供的光谱探测器对角膜四个方位的多点干涉叠加信号按顺序进行交替重复收集图；

图8是本发明实施例提供的对各测量点获取的信号图，(a)为各测量点的强度图；(b)为各测量点的相位图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，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。

需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本实施例提供了一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，如图1所示，包括载荷激励子系统1、OCT探测子系统和角膜定位子系统。角膜定位子系统，用于对角膜的各测量点进行定位；载荷激励子系统1，用于刺激角膜以使角膜产生机械波和形变；OCT探测子系统，用于对角膜的弹性响应进行测量。

OCT探测子系统包括宽光谱光源21、光纤耦合器22、光开关23、样品臂24、光谱探测器25和参考臂26；宽光谱光源21和光谱探测器25分别通过光纤耦合器22连接光开关23的一端，宽光谱光源21发出的光经过光纤耦合器22分光，一路通向参考臂26，另一路由光开关23控制通向样品臂24，所述光开关232的另一端分别连接样品臂24的多个光路，多个光路与多个的探测方位一一对应，参考臂26包括两个准直镜和反射镜，两个准直镜分别为第一准直镜和第二准直镜，第一准直镜、第二准直镜和反射镜依次设置，如图4所示，所述样品臂的每条光路均依次设置有相互配合的准直镜241和柱面镜242；样品臂还包括非线性微透镜阵列243，如图3所示，非线性微透镜阵列243包括在各方位上设置的多个非线性微透镜单元2431，非线性微透镜阵列243的中间设有激励孔2432。各方位探测光经非线性微透镜阵列243聚焦在角膜的各测量点，角膜的各测量点反射回的探测光束和参考臂26反射回的参考光束发生干涉，其干涉光谱由光谱探测器25进行探测；

每个方位上的多个非线性微透镜单元2431在径向方向上的排列满足：相邻两个非线性微透镜单元之间的距离不同，非线性微透镜单元与前一个非线性微透镜单元的距离随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大；

每个方位上的多个非线性微透镜单元2431的透镜口径大小满足：各个非线性微透镜单元的透镜口径大小不同，透镜口径大小随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大。

在非线性微透镜阵列243上，各方向的长条型光斑有部分光被非线性微透镜单元2431聚焦在角膜61各测量点上并反射回系统，这部分光为探测光；另有部分光被参考臂26反射回来，为参考光，角膜多位置点反射回的探测光束和参考臂26反射回的参考光束发生干涉，其干涉光谱由与所述光纤耦合器22连接的光谱探测器25进行探测。

在本非线性采样设计的探测光路中，各方位的光经过非线性微透镜阵列243该方位上多个焦距不同且光程差各异的非线性微透镜单元2431后，聚焦在角膜该方位上横向距离3mm到4mm区域内，并对该区域进行采样。各透镜焦距针对人眼角膜模型设计，使各光束更有效的聚焦在角膜的各测量点上。

所述角膜定位子系统用于对待测角膜61的位置进行定位，所述角膜定位子系统包括定位相机31，其中，角膜61沿相干测量系统轴向方向的动态位移由OCT进行追踪，角膜沿相干测量系统横向方向的动态位移由定位相机进行跟踪定位。鉴于横向眼动会影响角膜的测量位置精度，本发明采用定位相机31对人眼瞳孔成像，并根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，减少由横向眼动引入的测量位置误差。

所述载荷激励子系统1为适合人眼角膜激励的装置，例如微量气体脉冲等。该装置应对角膜组织无毒无害，具有安全性。载荷激励子系统1的作用是对角膜61激励，使角膜61产生受激形变和机械波。

所述样品臂24对角膜61的激励点O周围不少于4个方位进行测量，每个方位上的测量点数不少于3个。本实施例采用了4个方位的探测，分别为方位1、方位2、方位3和方位4，为了方便描述，图1中只画出方位1和方位3的样品臂24的光路。在同一个方位中，具有4个测量点，以方位1为例，则为测量点A、测量点B、测量点C和测量点D。测量的初始位置为：以角膜顶点为激励点O，对角膜的上方、下方、颞侧和鼻侧进行探测。各透镜焦距针对人眼角膜模型设计，使各光束更有效的聚焦在角膜的各测量点上。并且各透镜设计均引入特征光程，使非均匀采样信号在OCT的A-scan方向呈现均匀分布，便于各测量点信号的识别；同时同一方位上的各透镜的排列做成非等距设计，以形成角膜表面力学响应的有效采样，各透镜的口径也应该做成大小非等大设计，便于更有效收集返回的光能。

专利(公开号CN109620131A)基于线性微透镜阵列的多光束角膜OCE弹性探测方法仍然存在着不足之处：首先，线性采样的方法难以满足针对角膜的力学形变幅值非线性衰减的探测要求；然后，线性微透镜阵列更适用的于分析表面平整的模型，而对于表面为弧型的角膜来说，线性的探测方式容易造成离焦。因此，为了能够更有效地采用多光束的方法对角膜力学性能进行探测和重构，需要针对弧型的角膜，建立一个以非线性微透镜阵列243为关键元件的三维的、非线性的探测和力学识别模型。

(1)在径向方向，根据角膜的力学响应的形变幅值随着距离的增加按指数函数衰减，而基于Li等采用猪的离体角膜(“Differentiating untreated and cross-linkedporcine corneas of the same measured stiffness with optical coherenceelastography”，Li J.et al.，Journal of Biomedical Optics，Vol.19(11)，2014.11)作为OCE测量实验的模型，通过分析结果，我们建立了指数衰减模型，其公式为：

其中，y为形变幅值，x_ij为测量点到角膜顶点(激励点)所在的角膜曲率半径的垂直距离，其中i为第i个测量方向，j为第i个测量方向上的第j个测量点，如图2只列出4个测量方向，每个方向四个测量点，如图6中列出了第一测量方向的四个测量点，a为初始形变幅值，b为衰减速度，b<0。

因此，非线性微透镜阵列排布特点为：透镜在径向方向上近端透镜(靠近激励点的透镜)排布密，远端透镜(远离激励点的透镜)排布疏，以形成角膜表面力学响应的有效采样。激励之后，越靠近激励点的地方形变就会越大，近端透镜密集是在形变大的区域测量更多的点，而离激励点越远的测量点，形变越小，则远端透镜排布疏，通过非线性微透镜阵列排布特点以形成角膜表面力学响应的有效采样，如图2所示，图2只列出4个测量方位，每个方位四个测量点。

因此，根据非线性微透镜阵列排布特点，每个方位上的多个非线性微透镜单元在径向方向上的排列满足：两个非线性微透镜单元之间的距离不同，非线性微透镜单元与前一个非线性微透镜单元的距离随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大。由于角膜形变是指数变化，所以非线性微透镜单元与前一个非线性微透镜单元的距离随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大指多个非线性微透镜单元与激励点的距离呈指数增大。

每个方位上设置m个非线性微透镜单元，当非线性微透镜单元与前一个非线性微透镜单元的距离随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大指多个非线性微透镜单元与激励点的距离呈指数增大时，具体为：m个非线性微透镜单元在径向方向上排列，并且m个非线性微透镜单元的光心与激励孔的距离的关系为：

其中，1≤p≤m，p为递增的自然数，p表示第p个非线性微透镜单元，L_p表示第p个非线性微透镜单元的光心与激励孔的距离，d₁为常数，并且d₁>0。

(2)由于角膜表面为弧形结构，故随着测量点与角膜顶点(激励点)距离的增大，返回系统光能逐渐越少，并且越远离角膜顶点的测量点，测量光达到测量点时越可能离焦，故探测光束的透镜口径大小应按近端小、远端大设计。透镜口径的大小可根据密度的设计而按指数排列，在越靠近角膜顶点的地方，镜片口径越小；而在相对越远离角膜顶点的地方，镜片口径应相对增大，远端透镜的口径增大，更有效收集返回的光能，避免探测光到达远端的测量点时离焦，同时应具有一定的占空比(例如90％)，以实现有效的探测光能利用和有效的光束区分，如图2、图3所示。

因此，每个方位上的多个非线性微透镜单元的透镜口径大小满足：各个非线性微透镜单元的透镜口径大小不同，透镜口径大小随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大，其增大形式可为指数增大或线性增大，或者一个维度按指数形式增大，另一个维度保持不变或者线性增大，具体可以根据样品的形状而确定。本发明针对在角膜由于表面呈弧线结构，故优选透镜口径大小随着非线性微透镜单元与激励点的距离呈指数形式增大。

透镜口径大小随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大为指数增大，具体为：

其中，1≤p≤m，p为递增的自然数，p表示第p个非线性微透镜单元，D_p表示第p个非线性微透镜单元的口径，d₂为常数，并且d₂>0。

(3)角膜多位置点反射回的探测光束和样品臂内反射回的参考光束形成等光程差的干涉，经傅立叶变换后，径向非均匀采样的信号在OCT的A-scan方向近呈现均匀排布，便于各点位信号的识别。其中干涉光谱为I(k)：

其中S(k)为光源的功率密度谱函数，ρ是探测器的响应度(单位是Amperes/Watt)，k为波数R_R为参考臂的反射率，/>为样品不同方位、不同深度的反射率，/>表示第i个测量方向第j个测量点的反射率，/>表示第i₁个测量方向第j₁个测量点的反射率，/>表示第i₂个测量方向第j₂个测量点的反射率，z_R为参考臂的光程，为第i个测量方向第j个测量点的光程，/>为第i₁个测量方向第j₁个测量点的光程，为第i₂个测量方向第j₂个测量点的光程。干涉光谱分为三个部分：第一部分为常数项，是一个固定值，为探测器电流的最大分量；第二部分是互相关项，取决于光源波数k和参考臂与样品之间的路径长度差，表示从样品不同深度、不同方位反射回来的光的叠加；第三部分为自相关项，表示从样品内反射回来互不相关的光之间的互相关关系，此项一般远小于参考光强度，故可忽略，因此，干涉光谱为I(k)可以表示为：

(4)各探测光束设计时均需引入特征光程OP_ij,这样到达角膜测量点时的总光程g_ij为：

其中，g_ij量为到达第i个测量方向的第j个测量点的总光程，R为角膜曲率半径，R的值为7.8mm，x_ij为测量点到激励点所在的角膜曲率半径的垂直距离，OP_ij为宽光谱光源发出的光到达激励点的光程，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m，i和j均为递增的自然数；

优化OP_ij的参数，使得Δg_ik满足以下公式：

Δg_ik＝g_i(k+1)-g_ik＝Δg_i(k+1)＝g_i(k+2)-g_i(k+1)；

则角膜的各测量点反射回的探测光束和参考臂反射回的参考光束发生干涉，经过傅里叶变换后，径向非均匀采样的信号可形成A-scan方向呈现均匀排布，便于各点位信号的识别。

其中，g_ik为到达第i个测量方向的第k个测量点的总光程，g_i(k+1)为到达第i个测量方向的第k+1个测量点的总光程，g_i(k+2)为到达第i个测量方向的第k+2个测量点的总光程，Δg_ik为到达第i个测量方向的第k+1个测量点和第i个测量方向的第k个测量点的光程差，Δg_i(k+1)为到达第i个测量方向的第k+2个测量点和第i个测量方向的第k+1个测量点的光程差，k∈j，k＝1,2,...,m-2，k为递增的自然数。

需要说明的是，允许Δg_ik和Δg_i(k+1)存在误差，当误差小于阈值时，认为Δg_ik＝Δg_i(k+1)。

如图6所示，为第1个测量方向的4个测量点的光程图，x₁₁为测量点A到激励点O所在的角膜曲率半径的垂直距离，x₁₂光为测量点B到激励点O所在的角膜曲率半径的垂直距离，x₁₃光为测量点C到激励点O所在的角膜曲率半径的垂直距离，x₁₄光为测量点D到激励点O所在的角膜曲率半径的垂直距离。

(5)光谱探测器25获得的信息解析之后可以得到：各测量点随时间变化的相位信号随着距离的增大其形变幅度递减，且各点位信号存在时间延迟，通过计算得到表面形变信息Δdef：

其中t_Q和t₀是在一系列A-scan(轴向信号)信号的时间节点，t₀是参考时间点，λ₀是中心波长，Δφ_i为两次A-scan之间(t_Q和t₀之间)的相位差，在计算出形变信息后可以根据主要形变的幅值估算角膜的硬度。

结合图8中(a)与(b)给出的针对同时采集四测量点信号(测量点#1、测量点#2、测量点#3、测量点#4分别对应图5-6中测量点A、测量点B、测量点C、测量点D)的模拟示意图，由此可以根据各测量点与参考平面(即参考臂)的光程差特征(包括多光束设计时引入的特征光程)确定各点位信号的干涉特征，对包括伪信号在内的干扰噪声进行抑制或滤除。主要形变幅值受激励载荷的直接影响。在同样的驱动力下，相对硬的样品形变更小；而同等幅值的主要形变在相对硬的样品中衰减更快。因此可以通过主要形变的幅值来判定样品(角膜)的软硬程度。

本发明针对主要形变幅值的测量方案为：

1、测量同等气体脉冲压强下，测量点A处样品(角膜)主要形变的幅值大小。

2、测量一定激励压强范围下，测量点A处样品(角膜)主要形变幅值随着气体脉冲压强的变化。

3、测量在同等气体脉冲压强下，同一方位下各测量点(如测量点A到D)主要形变幅值随着传播距离增大的衰减。

由此可以估算样品的硬度。

光谱探测器25获得的信息解析之后可以得到：采用共光路相敏OCE系统，观测琼脂和在体人眼角膜在瞬态激励后的微振幅欠阻尼简谐震荡，通过自由度Voigt模型(该模型引用文献“Characterization of natural frequencies from nanoscale tissueoscillations using dynamic optical coherence elastography”，Lan G.et al.，Biomedical optics express,2020,11(6))对琼脂和人眼角膜的固有频率进行高分辨率测量。欠阻尼简谐震荡的位移-时间函数y_A(t)与固有频率的关系式为：

其中A为初始振幅，为相位，f_n为固有频率，ε为阻尼比，t为时间。

光谱探测器25获得的信息解析之后可以得到机械波传播模型，根据剪切波计算均匀的各向同性样品计算出该区域杨氏模量，其中剪切波是在软组织弹性性能测量中最常用到的弹性波，杨氏模块E为：

其中ρ是密度，ν是泊松比，ν可以取值0.5，V_S为剪切波的波速。

本发明实施例还提供了一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量方法，包括：

S1、搭建符合上述图1-8的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统；

S2、使用角膜定位子系统对角膜和瞳孔成像，根据瞳孔的边缘及中心位置对角膜进行横向定位，并通过OCT信号中A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪；

S3、当角膜的轴向位置和横向位置在测量误差范围之内时，载荷激励子系统对样品角膜表面进行激励；

S4、在OCT探测子系统中，宽光谱光源发出的光通过光纤传入光纤耦合器通向光开关，光开关控制了多方位的探测光路，实现各方位按顺序地交替重复采集；每路探测光路对应了一个测量方向，各探测光路的光经过准直镜与柱面镜的组合作用后，其光束被延展成了长条形光斑，并分别照射到角膜前的非线性微透镜阵列的对应方位上，并由非线性微透镜阵列聚焦于角膜的若干测量点上；角膜的各测量点反射回的探测光束和参考臂反射回的参考光束发生干涉，并被光谱探测器探测。

光开关是超快速的光开关，其开/关转换时间不超过1ms，例如，开/关转换时间为0.5ms。

本发明实施例的一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统及方法，至少具有以下有益效果：采用非线性微透镜阵列，非线性微透镜阵列在每个方位上的多个非线性微透镜单元在径向方向上按指数方式排列，使得离激励点越近，透镜的排列越密集，离激励点越远，透镜的排列越稀疏，以形成角膜表面力学响应的有效采样，另外，每个方位上的多个非线性微透镜单元的透镜口径大小非等大，使得离激励点越近，口径小，离激励点越远，口径越大，更有效收集返回的光能，避免探测光到达测量点时离焦，本发明的非线性采样得到的信息更能反映软组织生物力学特性。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，包括角膜定位子系统、载荷激励子系统和OCT探测子系统；

角膜定位子系统，用于对角膜进行定位；

载荷激励子系统，用于刺激角膜以使角膜产生机械波和形变；

OCT探测子系统，用于对角膜的弹性响应进行测量，其中OCT探测子系统包括宽光谱光源、光纤耦合器、光开关、样品臂、参考臂和光谱探测器；宽光谱光源和光谱探测器分别通过光纤耦合器连接光开关的一端，宽光谱光源发出的光经过光纤耦合器分光，一路通向参考臂，另一路由光开关控制通向样品臂，所述光开关的另一端分别连接样品臂的对应光路，各光路分别对应相应的探测方位，所述样品臂的每条光路均依次设置有相互配合的准直镜和柱面镜；

其特征在于，样品臂位于角膜前的位置还设置非线性微透镜阵列，所述非线性微透镜阵列包括在各方位上设置的多个非线性微透镜单元，非线性微透镜阵列的中间设有激励孔，各方位探测光经非线性微透镜阵列聚焦在角膜的各测量点，角膜的各测量点反射回的探测光束和参考臂反射回的参考光束发生干涉，其干涉光谱由光谱探测器进行探测；

每个方位上的多个非线性微透镜单元在径向方向上的排列满足：相邻两个非线性微透镜单元之间的距离不同，非线性微透镜单元与前一个非线性微透镜单元的距离随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大；

每个方位上的多个非线性微透镜单元的透镜口径大小满足：各个非线性微透镜单元的透镜口径大小不同，透镜口径大小随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大。

2.根据权利要求1所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于，每个方位上设置m个非线性微透镜单元，非线性微透镜单元与前一个非线性微透镜单元的距离随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大指多个非线性微透镜单元与激励点的距离呈指数增大，具体为：m个非线性微透镜单元在径向方向上排列，并且m个非线性微透镜单元的光心与激励孔的距离的关系为：

其中，1≤p≤m，p为递增的自然数，p表示第p个非线性微透镜单元，L_p表示第p个非线性微透镜单元的光心与激励孔的距离，d₁为常数，并且d₁>0。

3.根据权利要求2所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于，透镜口径大小随着非线性微透镜单元与激励点的距离的增大而增大为指数增大，具体为：m个非线性微透镜单元在径向方向上排列，并且m个非线性微透镜单元的口径大小为：

其中，1≤p≤m，p为递增的自然数，p表示第p个非线性微透镜单元，D_p表示第p个非线性微透镜单元的口径，d₂为常数，并且d₂>0。

4.根据权利要求2或3所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于，各探测光束设计时需要引入特征光程OP_ij，这样到达角膜时的总光程g_ij为：

其中，g_ij量为到达第i个测量方向的第j个测量点的总光程，R为角膜曲率半径，x_ij为测量点到激励点所在的角膜曲率半径的垂直距离，OP_ij指宽光谱光源发出的光到达激励点的光程，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m，i和j均为递增的自然数；

优化OP_ij参数，使得Δg_ik满足：

Δg_ik＝g_i(k+1)-g_ik＝Δg_i(k+1)＝g_i(k+2)-g_i(k+1)；

其中，g_ik为到达第i个测量方向的第k个测量点的总光程，g_i(k+1)为到达第i个测量方向的第k+1个测量点的总光程，g_i(k+2)为到达第i个测量方向的第k+2个测量点的总光程，Δg_ik为到达第i个测量方向的第k+1个测量点和第i个测量方向的第k个测量点的光程差，Δg_i(k+1)为到达第i个测量方向的第k+2个测量点和第i个测量方向的第k+1个测量点的光程差，k∈j，k＝1,2,...,m-2，k为递增的自然数。

5.根据权利要求1所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于，每个方位上设置的多个非线性微透镜单元的焦距不同。

6.根据权利要求1所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于，所述角膜定位子系统包括定位相机，用于对角膜和瞳孔成像，根据瞳孔的边缘及中心位置对角膜进行横向定位。

7.根据权利要求1所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于，光开关为超快速光开关，所述超快速光开关指开/关转换时间不超过1ms的光开关，所述超快速光开关实现各方位按顺序的交替重复采集。

8.根据权利要求1所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于，所述多个探测方位包括至少4个方位。

9.根据权利要求1所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于，每个方位上的测量点不少于3个。

10.一种非线性采样的多光束光学相干弹性测量方法，其特征在于，包括：

S1、搭建权利要求1-9任一项所述的非线性采样的多光束光学相干弹性测量系统；

S2、使用角膜定位子系统对角膜和瞳孔成像，根据瞳孔的边缘及中心位置对角膜进行横向定位，并通过OCT信号中A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪；

S3、当角膜的轴向位置和横向位置在测量误差范围之内时，载荷激励子系统对样品角膜表面进行激励；

S4、在OCT探测子系统中，宽光谱光源发出的光经过光纤耦合器分光，一路通向参考臂，另一路由光开关控制通向样品臂，光开关控制了多方位的探测光路，实现各方位按顺序地交替重复采集；每路探测光路对应了一个测量方向，各探测光路的光经过准直镜与柱面镜的组合作用后，其光束被延展成了长条形光斑，并分别照射到角膜前的非线性微透镜阵列的对应方位上，并由非线性微透镜阵列聚焦于角膜的若干测量点上；角膜的各测量点反射回的探测光束和参考臂反射回的参考光束发生干涉，并被光谱探测器探测。