CN113397481B - 基于光纤扫描的光声-oct双模态内窥成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤扫描的光声‑OCT双模态内窥成像系统及方法，系统包括光学相干层析成像OCT系统、光声信号激发系统、微型内窥探头扫描装置、回撤控制系统和计算机控制处理系统；利用波分复用器完成脉冲激光束与OCT低相干激光的共路，通过微型内窥探头扫描装置照射生物样品。生物组织的反射光与参考光发生干涉并被光谱仪接收；脉冲激光照射生物组织中产生超声信号，被多元环形换能器接收，由计算机重建为光声、OCT内窥图像。本发明将光声、OCT成像两种方法通过一体化内窥探头实现，简化检测程序；此外还采用了PZT驱动管带动光纤悬臂进行环形扫描的方式，减小扫描装置尺寸和成本，且保证较高的扫描速度。

Description

基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统及方法

技术领域

本发明属于内窥成像的技术领域，具体涉及一种基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统及方法。

背景技术

光声成像技术是一种新兴的多物理场耦合的成像技术，它以生物组织的光声效应为物理基础，利用短脉冲激光从管腔内照射管壁组织，组织吸收光能以后受热膨胀产生超声波(即光声信号)。探测器接收携带组织光学特性信息的超声波，转化成电信号，并传送至计算机，反演重建出管臂横断面上的光吸收分布图，进而定量分析不同成分组织的光学特性参数(主要是光吸收系数和散射系数)。光声成像技术结合了光学成像技术的高对比度和超声成像技术的高穿透深度等优点，具有较高的光吸收对比度以及超声检测分辨率，为一些早期病变诊断提供更加准确可靠的参考信息。但该成像技术不足的是会丢失一些弱吸收的组织信息，而且由于生物组织声速的限制，其纵向分辨率不如OCT成像技术。

光学相干层析成像(OCT)技术：光学相干层析成像技术(OCT)是一种新兴的生物医学技术。它的原理类似于超声成像，不同之处是它利用的是光，而不是声波。首先由宽带光源发出光束，经过光纤耦合器进行分光，一束光进入参考臂后被臂端的反射镜反射形成参考光返回到光纤耦合器，另一束光进入样品臂在样品不同深度层反射回形成样品光，参考光和样品光在光纤耦合器发生干涉，由光栅分光将不同波长的干涉光谱信号在空间上分开，再由线阵CCD将光信号转换为电信号，最后通过将光谱仪采集得到的干涉光谱信号进行傅里叶变换得到样品的深度信息即内部的结构信息。该技术能够以微米级的分辨率观察和分析生物体的结构变化。然而OCT信号受光的散射影响较大，穿透深度有限，不能识别到管壁组织的深层信号。

光声-OCT双模态内窥成像技术将两种成像方法结合起来，有效的克服了单一模式成像的不足，充分发挥各成像模态的优势，可对管腔组织进行高精度和高对比度的成像，并对其功能成分进行定性和定量的评价。

在生物科学的研究中，现实对生物体内进行内窥成像技术提出了很高的要求，尤其是对于较小型化和较稳定扫描的内窥探头。

目前，通过旋转带侧向反射光学元件的微型内窥探头就可以实现最简单的径向内窥断层成像。而后通过使用光学组件的近端拉回扫描螺旋图案的方式来获取三维(3D)数据。然而，由于某些实验条件的限制比如动物的呼吸、探头的回撤扫描最终都会导致成像目标在体成像过程中的轻微运动进而导致图像整合变形或失败，减小了图像的有效尺寸。

通过近端光滑环带动远端在体内窥镜探头实现旋转扫描也会增加对管腔组织的侵入性，从而导致图像拼接失败、组织损伤以及图像失真。如若使用内窥胶囊内的微型电机带动反射镜的方式实现旋转扫描的话，在封装结构上又会占据内窥镜的大部分空间，限于现有技术和手段难以实现内窥镜探头的微型化设计。

而且基于微电机的远端扫描内窥镜造价成本高昂且通常很脆弱，尤其是对可磁化材料以及外部磁场高度敏感的交流微电机。该类电机在扫描过程中不稳定，成像系统难以获得良好的高质量的三维成像结果，特别是在长探头的内窥应用中。另外电磁辐射会对人体的细胞及体液内环境产生影响，危害人体的健康。对于利用微型中空超声马达带动前端光纤透镜进行径向扫描的方法也是难以更为快速稳定的实时扫描成像。

近年来，通过将光纤与具有振动特性的压电器件整合，实现光纤的振动扫描是光纤应用的一个重要突破。比如最常见的前向光纤扫描型内窥镜装置，是通过对压电陶瓷管驱动进行二维振动以能够摆动的方式使支承的光纤进行振动驱动，从而使从光纤的出射端射出的照明光经过成像透镜在被观察物上进行扫描，并通过固定在内窥镜外围的光纤束接收反射光并进行提取重构成图像。这不可避免地增加了内窥镜的直径，难以降低内窥镜尺寸。

在以往前向内窥镜中已知的光纤扫描器使用的管状致动器，该致动器由锆钛酸铅(PZT)构成，将光纤保持成单支撑梁状。在对致动器施加交变电压时，致动器沿光纤的长度方向进行伸缩振动，由此对光纤激励弯曲振动。因此，能够使作为自由端的光纤的末端振动，并扫描从该末端射出的光。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统及方法，该成像系统无需通过旋转探头或应用微型电机、亦或利用MEMS带动反射镜进行侧向光束的偏转扫描即可实现侧向360°扫描的光声-OCT双模态快速成像，同时获得生物体内管腔组织的多尺度的结构信息与多参量生理功能信息，提高病变的检测精度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，包括光学相干层析成像OCT系统、光声信号激发系统、微型内窥探头扫描装置、回撤控制系统和计算机处理系统；

所述光学相干层析成像OCT系统包括SLD宽带光源、宽带光纤耦合器、参考臂、样品臂和光谱仪；所述SLD宽带光源用于产生低相干光；所述低相干光由宽带光纤耦合器分束为参考光和OCT信号激发光；所述参考光进入参考臂并沿原路返回，所述OCT信号激发光输入样品臂并经样品臂上的波分复用器进入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品，返回的后向散射光与沿原路返回的参考光在宽带光纤耦合器发生干涉，并由光谱仪采集转化为OCT干涉光谱信号，传输至计算机处理系统；

所述光声信号激发系统包括脉冲激光器、光束整形器和光纤合束器；所述脉冲激光器用于产生激发光声信号的脉冲光；所述激发光声信号的脉冲光由光束整形器和光纤合束器整形和合束后经样品臂上的波分复用器输入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品；

所述微型内窥探头扫描装置包括GRIN光纤、抛物面反射镜、PZT驱动管以及多元环形超声换能器；所述GRIN光纤用于传输输入的激发光声信号的脉冲光、OCT信号激发光；所述抛物面反射镜用于使从GRIN光纤出射的光在曲率较低的镜面上侧向反射同时确保光束反射后最大程度上引入较小的像差，并使光焦点以合适的角度恰好落在多元环形换能器上方附近，进而获得高分辨率的光声-OCT双模态图像；所述PZT驱动管带有±X、±Y两电极，用于带动GRIN光纤悬臂进行二维谐振，实现环形扫描；所述多元环形超声换能器用于采集从生物样品反射的光声信号并将其转换为光声-电信号；

所述回撤控制系统包括轴向步进电机和平移平台；所述平移平台上固定有微型内窥探头扫描装置；所述轴向步进电机用于驱动平移平台，实现对待测样品的不同位置进行成像信号激发与采集；

所述计算机处理系统包括信号放大器、高速采集卡和计算机；所述信号放大器用于放大由多元环形超声换能器转换的光声-电信号；所述高速采集卡用于将OCT干涉光谱信号和光声-电信号采集传输至计算机；所述函数发生器用于控制PZT驱动管带有的±X、±Y两电极的扫描周期以实现二维谐振和环形扫描；所述计算机用于将高速采集卡采集的OCT干涉光谱信号和光声-电信号重建为待测样品的内窥OCT图像和光声图像，并通过指令控制回撤控制系统。

作为一种优选的技术方案，在光学相干层析成像OCT系统中，所述宽带光纤耦合器分别与SLD宽带光源、参考臂、样品臂和光谱仪相连；所述宽带光纤耦合器与SLD宽带光源间还设置有只允许光单向通过的法拉第隔离器。

作为一种优选的技术方案，所述参考臂包括第一偏振控制器、第一光纤准直镜、聚焦透镜和平面反射镜；从宽带光纤耦合器出射的参考光依次经过参考臂的第一偏振控制器、第一光纤准直镜和聚焦透镜，到达平面反射镜后被反射，沿原路返回。

作为一种优选的技术方案，所述样品臂包括第二偏振控制器和波分复用器；从宽带光纤耦合器出射的OCT信号激发光依次经过样品臂的第二偏振控制器和波分复用器输入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品；返回的后向散射光依次经过样品臂的波分复用器和偏振控制器b回到宽带光纤耦合器。

作为一种优选的技术方案，所述光谱仪包括第二光纤准直镜、闪耀光栅、双胶合聚焦透镜以及线阵CCD；所述后向散射光与参考光在宽带光纤耦合器相遇并发生干涉，干涉光谱信号由第二光纤准直镜准直，并经闪耀光栅分光，其中不同的干涉光谱分量经双胶合聚焦透镜聚焦在线阵CCD的不同位置，线阵CCD采集形成的OCT干涉光谱并将之转化为电信号，然后通过高速采集卡传输至计算机。。

作为一种优选的技术方案，所述微型内窥探头扫描装置还包括反射镜固定座以及透明塑料外壳；

所述反射镜固定座将抛物面反射镜固定于微型内窥探头扫描装置的最前端并与PZT驱动管的中心小孔、GRIN光纤同轴；所述透明塑料外壳用于固定GRIN光纤、PZT驱动管、多元环形换能器、反射镜固定座和抛物面反射镜，且使从GRIN光纤出射并经抛物面反射镜的光反射到待测样品。

作为一种优选的技术方案，所述计算机处理系统还包括函数发生器；所述函数发生器用于控制PZT驱动管上的±X、±Y两电极的扫描周期以实现二维谐振和环形扫描，由计算机通过指令进行控制。

本发明的另一方面还提供了一种基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像方法，应用于所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，包括以下步骤：

脉冲激光器产生光声信号激发光，所述光声信号激发光先后经过光束整形器和光纤合束器，再耦合进入波分复用器；

SLD宽带光源产生低相干光，依次经过法拉第隔离器及宽带光纤耦合器后分为参考光和OCT信号激发光；其中参考光依次经过样品臂的第一偏振控制器、第一光纤准直镜和聚焦透镜，到达平面反射镜后被反射，沿原路返回；其中OCT信号激发光经过样品臂的第二偏振控制器，再耦合进入波分复用器；

波分复用器将光声信号激发光和OCT信号激发光进行合束，并输入微型内窥探头扫描装置内的GRIN光纤，随后被抛物面反射镜反射，透过透明塑料外壳侧向照射到样品表面，分别激发光声信号和OCT信号；

激发出的光声信号经水传导后由多元环形超声换能器所采集并转换为电信号，再由信号放大器接收并放大，最后由高速采集卡采集，传输至计算机并处理重建为光声图像；

激发出的OCT信号由GRIN光纤的纤芯接收，并沿原路返回至宽带光纤耦合器，与原路返回的参考光相遇并发生干涉，干涉光谱信号由第二光纤准直镜准直光束，并经闪耀光栅分光，其中不同的光谱分量经双胶合聚焦透镜聚焦在线阵CCD的不同位置，采集形成的OCT干涉光谱并转化为电信号，然后通过高速采集卡传输至计算机并处理重建为管腔组织的内窥OCT图像；

当完成管腔组织某一位置的双模态成像信号数据采集后，通过计算机发送指令，使轴向步进电机工作，轴向步进电机驱动平移平台，平移平台驱动微型内窥探头扫描装置平移，从而对管腔组织下一截面进行数据采集，进而获得大范围的三维管壁内窥成像。

作为一种优选的技术方案，所述微型内窥探头扫描装置内还包括PZT驱动管；所述PZT驱动管上的±X、±Y两电极扫描周期同步，实现GRIN光纤悬臂沿着环状的轨迹进行二维扫描，并最终实现对管状样品内壁的径向环形扫描成像。

作为一种优选的技术方案，通过函数发生器改变PZT驱动管上的±X、±Y两对电极的电压，且使其扫描周期同步，以实现侧向的不同视场范围内的扫描成像。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明探头内部光纤的谐振频率可调，以匹配不同扫描速度的OCT系统和不同重复频率的光声系统

2、本发明通过改变驱动电压的幅值，此探头结构可以实现不同视场大小的扫描；又可以通过外固定回撤步进轴向电机实现轴向大范围的环扫。

3、本发明与传统的内窥探头结构相比，该探头结构更灵活更紧凑，更容易实现小型化

4、本发明采用环形扫描方式，鲁棒性较强且易于进行位置校准。探头扫描成像可重复率较高。

5、本发明采用了管状PZT致动器以带动成像光纤悬臂进行环形扫描，代替了光电滑环带动扭矩线圈及整个探头旋转实现高速扫描成像的模式，减小了扫描装置的尺寸和所需成本。

6、本发明采用谐振光纤扫描方法将PZT致动管与光纤扫描悬臂的完美组合，使得整个微型内窥扫描装置可以达到甚至超过使用MEMS扫描仪或使用微型旋转电机带动反射镜的扫描速度。

7、本发明所采用的谐振光纤扫描方法将PZT致动管与光纤悬臂的组合，同时加入反射镜实现了侧向扫描成像，有望实现更为快速的侧向360°扫描和图像采集，扩大其潜在的临床应用。

8、本发明将光声成像、OCT成像两种内窥成像方法在一体化内窥探头中同时实现，达到了简化检测程序，同时实现两种成像方法的技术效果。

9、本发明所采用光束聚焦方式并非普通透镜聚焦方式，而是直接采用了自聚焦光纤的方法，避免了光束经过透镜整形所引起的像差。

10、本发明所采用的GRIN光纤直接可以实现出射光的聚焦，避免了微型聚焦元件与侧向反射镜的应用及复杂的封装，而且在一定程度上达到了低激光能量传输，高成像分辨率的技术效果。

11、本发明采用抛物面反射镜作为聚焦光的侧向反射元件，同时又不会引入较多的像差，可以实现较高质量的光声-OCT双模态内窥成像。

附图说明

图1是本发明实施例的光声成像部分以及OCT内窥成像部分的系统结构图；

图2是本发明实施例的计算机控制处理系统、光声信号激发系统、光学相干层析成像OCT系统、微型内窥探头扫描装置的连接结构示意图；

图3是本发明实施例的微型内窥探头扫描装置的连接结构示意图。

图4是本发明实施例的微型内窥探头扫描装置的拆分的结构示意图

附图标号说明：

1、GRIN光纤；2、PZT驱动管保持部件；3、PZT驱动管；4、多元环形超声换能器；5、透明塑料外壳；6、抛物面反射镜；7、反射镜固定座；8、SLD宽带光源；9、法拉第隔离器；10、宽带光纤耦合器；11、第一偏振控制器；12、第一光纤准直镜；13、聚焦透镜；14、平面反射镜；15、第二偏振控制器；16、波分复用器；17、微型内窥探头扫描装置；18、第二光纤准直镜；19、闪耀光栅；20、双胶合聚焦透镜；21、线阵CCD；22、脉冲激光器；23、光束整形器；24、光纤合束器；25、信号放大器；26、高速采集卡；27、计算机；28、函数发生器；29、稳压电源。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本发明的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。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例

如图1、图2所示，本实施例提供了一种基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，包括光声信号激发系统、光学相干层析成像OCT系统、微型内窥探头扫描装置17、回撤控制系统和计算机控制处理系统；

特别的，如图3、图4所示，本实施例中的微型内窥探头扫描装置17包括GRIN光纤1、PZT驱动管保持部件2、PZT驱动管3、多元环形超声换能器4、透明塑料外壳5、抛物面反射镜6以及反射镜固定座7；

进一步的，所述GRIN光纤1用于传输脉冲光和低相干光/扫频光，并在光纤远端实现传输光的聚焦。

进一步的，所述抛物面反射镜6用于使从GRIN光纤1出射的光在曲率较低的镜面上侧向反射同时确保光束反射后最大程度上引入较小的像差，并使光焦点以合适的角度恰好落在多元环形换能器4上方附近，进而获得高分辨率的光声-OCT双模态图像；

进一步的，所述PZT驱动管3用于带动GRIN光纤1悬臂进行二维谐振，实现环形扫描。

进一步的，所述GRIN光纤1输出的聚焦光经过抛物面反射镜6光束质量不发生较大改变。

进一步的，所述抛物面反射镜6与光传输部件的光轴应保持在同一直线上。

进一步的，所述透明塑料外壳5用于固定使GRIN光纤1穿过具有光纤贯穿插入用的内孔的PZT驱动管保持部件2以使PZT驱动管3于壳体的正中央，并在与光纤光轴方向垂直的二维方向上进行圆周扫描。

进一步的，所述透明塑料外壳5还用于固定抛物面反射镜6于壳体的正中央(同光轴)，同时使经过抛物面反射镜6的反射光尽可能地反射出去。

进一步的，所述多元环形超声换能器4用于探测从生物样品反射回来的光声信号并通过同轴引线传给信号放大器25。

特别的，本实施例中的计算机控制处理系统包括信号放大器25、高速采集卡26、计算机27、函数发生器28和稳压电源29；

进一步的，所述信号放大器25用于放大由多元环形超声换能器4转换的光声-电信号；

进一步的，所述高速采集卡26用于将OCT干涉光谱信号和光声-电信号采集传输至计算机27；

进一步的，所述函数发生器28用于控制PZT驱动管3带有的±X、±Y两电极的扫描周期以实现二维谐振和环形扫描；

进一步的，所述计算机27用于将高速采集卡26采集的OCT干涉光谱信号和光声-电信号重建为待测样品的内窥OCT图像和光声图像，并通过指令控制回撤控制系统；

进一步的，所述稳压电源29与信号放大器相连，以提供直流电压；

特别的，本实施例所述回撤控制系统包括轴向步进电机和平移平台；所述平移平台上固定有微型内窥探头扫描装置17；所述轴向步进电机用于驱动平移平台，实现对待测样品的不同位置进行成像信号激发与采集；

(1)光声成像部分；

所述光声信号激发系统、微型内窥探头扫描装置17和计算机控制处理系统配合完成光声图像的成像，具体如下：

所述光声信号激发系统包括脉冲激光器22、光束整形器23和光纤合束器24；所述脉冲激光器22、光束整形器23和光纤合束器24顺序连接；所述光纤合束器24与微型内窥探头扫描装置17内的GRIN光纤1通过波分复用器16相连；

进一步的，所述脉冲激光器22用于产生激发光声信号的脉冲光；

进一步的，所述光束整形器23和光纤合束器24用于将从脉冲激光器22出射的脉冲光进行整形和合束；

从光纤合束器24出射的脉冲光经波分复用器16输入微型内窥探头扫描装置17内的GRIN光纤1，再经抛物面反射镜6反射，侧向照射待测样品并激发光声信号，光声信号经水传导后再由多元环形超声换能器4转化成电信号，由同轴线缆传输至信号放大器25，经高速采集卡26采集传输至计算机27处理重建光声图像。

(2)所述光学相干层析成像OCT系统、微型内窥探头扫描装置17和计算机控制处理系统配合完成光声图像的成像，具体如下：

所述光学相干层析成像OCT系统包括SLD宽带光源8、法拉第隔离器9、宽带光纤耦合器10、参考臂、样品臂和光谱仪；

进一步的，所述SLD宽带光源8用于产生低相干光；

进一步的，所述法拉第隔离器9只允许低相干光单向通过；

进一步的，所述宽带光纤耦合器10用于将低相干光由分束为参考光和OCT信号激发光；

进一步的，所述参考臂包括第一偏振控制器11、第一光纤准直镜12、聚焦透镜13和平面反射镜14；所述第一偏振控制器11、第一光纤准直镜12、聚焦透镜13和达平面反射镜14顺序连接；

进一步的，所述样品臂包括第二偏振控制器15和波分复用器16；所述第二偏振控制器15和波分复用器16相连；

进一步的，所述光谱仪包括第二光纤准直镜18、闪耀光栅19、双胶合聚焦透镜20以及线阵CCD21；所述第二光纤准直镜18、闪耀光栅19、双胶合聚焦透镜20和线阵CCD21顺序连接；

进一步的，所述SLD宽带光源8和法拉第隔离器9相连，所述宽带光纤耦合器10分别与法拉第隔离器9、参考臂、样品臂和光谱仪相连；

从SLD宽带光源8产生的低相干光经法拉第隔离器9后，由宽带光纤耦合器分束为参考光和OCT信号激发光；所述参考光进入参考臂并沿原路返回，所述OCT信号激发光输入样品臂并经样品臂上的波分复用器16进入微型内窥探头扫描装置17的GRIN光纤1，抛物面反射镜6反射，侧向照射待测样品，返回的后向散射光由GRIN光纤1接收，并传输至宽带光纤耦合器10，与沿原路返回的参考光发生干涉，干涉光谱信号由光谱仪的光纤准直镜b18准直，并经闪耀光栅19分光，其中不同的光谱分量经双胶合聚焦透镜20聚焦在线阵CCD21的不同位置，采集形成的OCT干涉光谱并转化为电信号，然后通过高速采集卡26传输至计算机27处理重建为管腔组织的内窥OCT图像。

(3)当完成管腔组织某一位置的双模态成像信号数据采集后，通过计算机7发送指令，使轴向步进电机工作，轴向步进电机驱动平移平台，平移平台驱动微型内窥探头扫描装置平移，从而对管腔组织下一截面进行数据采集，进而获得大范围的三维管壁内窥成像。

进一步的，通过计算机7发送指令通过函数发生器28控制PZT驱动管3带有的±X、±Y两电极的扫描周期，实现GRIN光纤1的悬臂沿着环状的轨迹进行二维扫描，并最终实现对管状样品内壁的径向环形扫描成像。

在此需要说明的是，上述实施例提供的系统仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能，该系统可应用于下述实施例的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像方法。

本实施例的另一方面，还提供了一种基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像方法，包括如下步骤：

脉冲激光器22产生光声信号激发光，所述光声信号激发光先后经过光束整形器23和光纤合束器24，再耦合进入波分复用器16；

SLD宽带光源8产生低相干光，依次经过法拉第隔离器9及宽带光纤耦合器10后分为参考光和OCT信号激发光；其中参考光依次经过样品臂的第一偏振控制器11、第一光纤准直镜12和聚焦透镜13，到达平面反射镜14后被反射，沿原路返回；其中OCT信号激发光经过样品臂的第二偏振控制器15，再耦合进入波分复用器16；

波分复用器16将光声信号激发光和OCT信号激发光进行合束，并输入微型内窥探头扫描装置17内的GRIN光纤1，随后被抛物面反射镜6反射，透过透明塑料外壳5侧向照射到样品表面，分别激发光声信号和OCT信号；

激发出的光声信号经水传导后由多元环形超声换能器4所采集并转换为电信号，再由信号放大器25接收并放大，最后由高速采集卡26采集，传输至计算机27并处理重建为光声图像；

激发出的OCT信号由GRIN光纤的纤芯接收，并沿原路返回至宽带光纤耦合器10，与原路返回的参考光相遇并发生干涉，干涉光谱信号由第二光纤准直镜18准直光束，并经闪耀光栅19分光，其中不同的光谱分量经双胶合聚焦透镜20聚焦在线阵CCD21的不同位置，采集形成的OCT干涉光谱并转化为电信号，然后通过高速采集卡26传输至计算机27并处理重建为管腔组织的内窥OCT图像；

进一步的，当完成管腔组织某一位置的双模态成像信号数据采集后，通过计算机27发送指令，使轴向步进电机工作，轴向步进电机驱动平移平台，平移平台驱动微型内窥探头扫描装置17平移，从而对管腔组织下一截面进行数据采集，进而获得大范围的三维管壁内窥成像。

进一步的，通过计算机7发送指令令函数发生器28改变PZT驱动管3上的±X、±Y两对电极的电压，且使其扫描周期同步，进行小径向范围的扫描(即不同半径的环扫)，最终获取到一个较小Z向范围的3D图像。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，包括光学相干层析成像OCT系统、光声信号激发系统、微型内窥探头扫描装置、回撤控制系统和计算机处理系统；

所述光学相干层析成像OCT系统包括SLD宽带光源、宽带光纤耦合器、参考臂、样品臂和光谱仪；所述SLD宽带光源用于产生低相干光；所述低相干光由宽带光纤耦合器分束为参考光和OCT信号激发光；所述参考光进入参考臂并沿原路返回，所述OCT信号激发光输入样品臂并经样品臂上的波分复用器进入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品，返回的后向散射光与沿原路返回的参考光在宽带光纤耦合器发生干涉，并由光谱仪采集转化为OCT干涉光谱信号，传输至计算机处理系统；

所述光声信号激发系统包括脉冲激光器、光束整形器和光纤合束器；所述脉冲激光器用于产生激发光声信号的脉冲光；所述激发光声信号的脉冲光由光束整形器和光纤合束器整形和合束后经样品臂上的波分复用器输入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品；

所述微型内窥探头扫描装置包括GRIN光纤、抛物面反射镜、PZT驱动管以及多元环形超声换能器；所述GRIN光纤用于传输输入的激发光声信号的脉冲光、OCT信号激发光；所述抛物面反射镜用于使从GRIN光纤出射的光在曲率较低的镜面上侧向反射同时确保光束反射后最大程度上引入较小的像差，并使光焦点以合适的角度恰好落在多元环形超声 换能器上方附近，进而获得高分辨率的光声-OCT双模态图像；所述PZT驱动管带有±X、±Y两电极，用于带动GRIN光纤悬臂进行二维谐振，实现环形扫描；所述多元环形超声换能器用于采集从生物样品反射的光声信号并将其转换为光声-电信号；

所述回撤控制系统包括轴向步进电机和平移平台；所述平移平台上固定有微型内窥探头扫描装置；所述轴向步进电机用于驱动平移平台，实现对待测样品的不同位置进行成像信号激发与采集；

所述计算机处理系统包括信号放大器、高速采集卡和计算机；所述信号放大器用于放大由多元环形超声换能器转换的光声-电信号；所述高速采集卡用于将OCT干涉光谱信号和光声-电信号采集传输至计算机；函数发生器用于控制PZT驱动管带有的±X、±Y两电极的扫描周期以实现二维谐振和环形扫描；所述计算机用于将高速采集卡采集的OCT干涉光谱信号和光声-电信号重建为待测样品的内窥OCT图像和光声图像，并通过指令控制回撤控制系统。

2.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，在光学相干层析成像OCT系统中，所述宽带光纤耦合器分别与SLD宽带光源、参考臂、样品臂和光谱仪相连；所述宽带光纤耦合器与SLD宽带光源间还设置有只允许光单向通过的法拉第隔离器。

3.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，所述参考臂包括第一偏振控制器、第一光纤准直镜、聚焦透镜和平面反射镜；从宽带光纤耦合器出射的参考光依次经过参考臂的第一偏振控制器、第一光纤准直镜和聚焦透镜，到达平面反射镜后被反射，沿原路返回。

4.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，所述样品臂包括第二偏振控制器和波分复用器；从宽带光纤耦合器出射的OCT信号激发光依次经过样品臂的第二偏振控制器和波分复用器输入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品；返回的后向散射光依次经过样品臂的波分复用器和第二 偏振控制器回到宽带光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，所述光谱仪包括第二光纤准直镜、闪耀光栅、双胶合聚焦透镜以及线阵CCD；所述后向散射光与参考光在宽带光纤耦合器相遇并发生干涉，干涉光谱信号由第二光纤准直镜准直，并经闪耀光栅分光，其中不同的干涉光谱分量经双胶合聚焦透镜聚焦在线阵CCD的不同位置，线阵CCD采集形成的OCT干涉光谱并将之转化为电信号，然后通过高速采集卡传输至计算机。

6.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，所述微型内窥探头扫描装置还包括反射镜固定座以及透明塑料外壳；

所述反射镜固定座将抛物面反射镜固定于微型内窥探头扫描装置的最前端并与PZT驱动管的中心小孔、GRIN光纤同轴；所述透明塑料外壳用于固定GRIN光纤、PZT驱动管、多元环形超声 换能器、反射镜固定座和抛物面反射镜，且使从GRIN光纤出射并经抛物面反射镜的光反射到待测样品。

7.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，所述计算机处理系统还包括函数发生器；所述函数发生器用于控制PZT驱动管上的±X、±Y两电极的扫描周期以实现二维谐振和环形扫描，由计算机通过指令进行控制。

8.基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统，包括以下步骤：

脉冲激光器产生光声信号激发光，所述光声信号激发光先后经过光束整形器和光纤合束器，再耦合进入波分复用器；

SLD宽带光源产生低相干光，依次经过法拉第隔离器及宽带光纤耦合器后分为参考光和OCT信号激发光；其中参考光依次经过样品臂的第一偏振控制器、第一光纤准直镜和聚焦透镜，到达平面反射镜后被反射，沿原路返回；其中OCT信号激发光经过样品臂的第二偏振控制器，再耦合进入波分复用器；

波分复用器将光声信号激发光和OCT信号激发光进行合束，并输入微型内窥探头扫描装置内的GRIN光纤，随后被抛物面反射镜反射，透过透明塑料外壳侧向照射到样品表面，分别激发光声信号和OCT信号；

激发出的光声信号经水传导后由多元环形超声换能器所采集并转换为电信号，再由信号放大器接收并放大，最后由高速采集卡采集，传输至计算机并处理重建为光声图像；

激发出的OCT信号由GRIN光纤的纤芯接收，并沿原路返回至宽带光纤耦合器，与原路返回的参考光相遇并发生干涉，干涉光谱信号由第二光纤准直镜准直光束，并经闪耀光栅分光，其中不同的光谱分量经双胶合聚焦透镜聚焦在线阵CCD的不同位置，采集形成的OCT干涉光谱并转化为电信号，然后通过高速采集卡传输至计算机并处理重建为管腔组织的内窥OCT图像；

当完成管腔组织某一位置的双模态成像信号数据采集后，通过计算机发送指令，使轴向步进电机工作，轴向步进电机驱动平移平台，平移平台驱动微型内窥探头扫描装置平移，从而对管腔组织下一截面进行数据采集，进而获得大范围的三维管壁内窥成像。

9.根据权利要求8所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像方法，其特征在于，所述微型内窥探头扫描装置内还包括PZT驱动管；所述PZT驱动管上的±X、±Y两电极扫描周期同步，实现GRIN光纤悬臂沿着环状的轨迹进行二维扫描，并最终实现对管状样品内壁的径向环形扫描成像。

10.根据权利要求8所述的基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像方法，其特征在于，通过函数发生器改变PZT驱动管上的±X、±Y两对电极的电压，且使其扫描周期同步，以实现侧向的不同视场范围内的扫描成像。

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