CN115191947A - 连续波光源非接触式的光学断层扫描系统及扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续波光源非接触式的光学断层扫描系统及扫描方法，利用一套硬件系统同时实现了表面信息、DOT、FMT和BLT数据采集，实现任意角度激光扫描。系统包括光源模块、扫描模块、成像模块以及作为含处理器的控制模块。光源模块依次包括激光器、耦合器、光纤、准直器和聚焦透镜，将激光整形投射入扫描振镜。扫描模块包括扫描振镜、滑轨、旋转台和反射镜，扫描模块完成线扫描和点扫描的切换以及采集表面信息和断层扫描数据，滑轨完成透射式和反射式扫描切换以采集DOT、FMT、BLT数据，旋转台实现任意角度照明。该系统结构简单、成本低，可应用于多种对比度的宏观尺度生物体三维成像，服务于新药开发、疾病研究、手术图像导航、农业检测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学成像技术，特别涉及一种连续波光源非接触式的光学断层扫描系统及扫描方法。
背景技术
光学成像具备非侵入、高灵敏、无电离辐射、低成本等众多优势，可广泛应用于新药开发、疾病研究、手术图像导航等领域。其中荧光断层扫描(Fluorescent moleculartomography,FMT)、扩散光学断层扫描(Diffuse Optical Tomography,DOT)、自发荧光断层扫描(Bioluminescence Tomography,BLT)是目前几种新兴的宏观光学分子成像技术手段。相较于平面的光学成像方法，这几种方式可通过建立扩散光传播数学模型，获取三维的生物组织光学性质或荧光分子分布。
目前，DOT技术主要的应用方面是脑功能成像和乳腺成像等。对于乳腺成像，当组织发生癌变时，由于血管的富集和较高的细胞代谢水平，使得该区域呈现出富血乏氧的特征，导致该区域与正常组织相比对光的吸收更强，因此，DOT技术可以利用对乳腺内的血红蛋白、水、脂类等内源性物质的显像获得肿瘤组织与正常组织间生理参数的差异。
FMT是用于捕捉生物组织中特定荧光材料分子产生的荧光在生物组织中的分布。其流程为：先在小动物体内植入肿瘤和相应靶向荧光试剂，使用激光在小动物所在区域的某一平面内扫描，荧光试剂受激光激发，发射近红外光，之后通过检测器获得激发光的图片，最后通过三维重建确定肿瘤在动物体内的位置和分布情况。
BLT采用荧光素酶基因和荧光报告基团,如绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白等进行标记细胞或DNA，利用灵敏的光学检测仪器,观测活体动物体内疾病的发生发展、肿瘤的生长及转移、基因的表达及反应等生物学过程,从而监测活体生物体内的细胞活动和基因行为。
光学断层扫描系统基础结构主要由光源、扫描振镜、载物台与信号接收器组成。现有的光学断层扫描系统根据光源性质，分为时域(Time domain，TD)、频域(frequencydomain，FD)和连续波(continuous wave，CW)三种模式；根据光源照明和探测器相对位置，分为透射式和反射式；根据其扫描方式，分为点扫描、线扫描和面扫描；根据照明光路设计，分为接触式(主要用光纤)和非接触式(主要用空间自由光)
目前多数商用或实验室独立开发的光学断层成像系统具有的共同缺点：
1、一些商用化设备，如Perkin Elmer的IVIS系统，使用机械结构连接光纤的照明方式，扫描点的间隔和扫描位置较为固定、扫描点数量有限，对于复杂精细的目标，难以实现有效三维重建。
2、大部分光学断层扫描系统缺乏表面信息提取功能，只能对简单几何形状的物体(如立方体、圆柱体等)进行三维断层重建；对于复杂表面的物体，只能用规则的几何体对其表面进行近似，从而降低了断层重建的精度。
3、其他一些系统采用整合多模态成像的方式获取表面信息，例如结合MRI、CT、超声；另外，还有一些系统采用独立于本身光学断层扫描功能的表面信息提取模块(比如通过安装空间光调制器、双目摄像头或深度相机等)，得到表面信息。这两种方式都增加了系统的复杂度并提高了系统的成本，并且带来了图像配准等新的难题。
4、DOT、FMT、BLT三种成像模态的系统设计多样，单一系统往往难以满足多种成像模态。
发明内容
针对现在光学断层成像系统存在的问题，提出了一种连续波光源非接触式的光学断层扫描系统及扫描方法，该系统可以获取高精度的三维表面信息，整合实现了DOT、FMT、BLT三种成像模态，并且完成了反射式-透射式的自由切换。该系统造价低廉、成像精度高、可获取多种生物体信息，有望实现产业化。
本发明的技术方案为：一种连续波光源非接触式的光学断层扫描系统，括光源模块、扫描模块、成像模块以及含处理器的控制模块；扫描模块包括扫描振镜、光路切换单元、透射光路调整单元和反射光路调整单元；光源模块输出整形后连续波光束入射扫描振镜，扫描振镜根据控制模块输出控制信号以线扫描和点扫描射出扫描光，扫描光经过光路切换单元实现透射式和反射式切换后，进入透射光路调整单元或反射光路调整单元调整入射光扫描角度，透射式扫描光直接入射成像模块实现扫描采集，反射式扫描光经过反射镜入射成像模块实现扫描采集，扫描采集数据送处理器。
优选的，所述透射光路调整单元包括装载第一反射镜的第一360度旋转台和第一旋转台支撑装置，第一360度旋转台固定在第一旋转台支撑装置上，第一旋转台支撑装置固定在作为光路切换单元的滑轨上，所述扫描振镜输出扫描光经过第一反射镜反射投向成像模块；第一360度旋转台包括位移盘和角度盘，角度盘固定于位移盘上，角度盘随位移盘移动而移动，角度位移盘中间装载反射镜，角度位移盘上有刻度值，第一360度旋转台用于调节第一反射镜的位置状态。
优选的，所述反射光路调整单元包括装载第二反射镜的第二360度旋转台、第二旋转台支撑装置和第三反射镜，第二360度旋转台固定在第二旋转台支撑装置上，第二360度旋转台结构同第一360度旋转台，所述扫描振镜输出扫描光依次经过第二反射镜、第三反射镜反射投向成像模块。
优选的，所述透射式或反射式扫描光通过装载对应的反射镜的360度旋转台的调节使扫描光以任意的角度照射到成像模块中的成像载物台。
优选的，所述光源模块包括激光器、耦合器、光纤、准直器和聚焦透镜，所述激光器发出激光通过耦合器耦合进光纤一端，再由光纤另一端输入到准直器进行准直后再经过聚焦透镜聚焦，使光束整形到小于或等于直径1mm的光束，进入扫描模块。
优选的，所述成像模块包括成像载物台、滤波轮和CMOS/CCD成像探测器，所述CMOS/CCD相机置于成像载物台正上方，用于拍摄线扫描图像以及作为断层重建数据采集时的探测器；置于CMOS/CCD相机和成像载物台之间的滤波轮中放置不同中心波长的带通滤波片，所述滤波轮用于切换数据采集时所需的不同波长滤波片。
一种连续波光源非接触式的光学断层扫描方法，具体包括如下步骤：
1)搭建连续波光源非接触式的光学断层扫描系统；
2)将扫描振镜的扫描模式设置为点扫描模式，开启激光器，激光通过光源模块进行整形成为直径小于或等于1mm的光束，进入扫描振镜；
3)然后使用扫描振镜对标定板打标，采集CMOS/CCD相机与扫描振镜的标定图片，寻找标定图片上的激光中心点，计算相机坐标系与振镜坐标系的转换矩阵Tcg；
4)采集被测样品的白光图并且设定实际需要的点扫描范围，提取样品台上标定点，计算样品坐标系和相机坐标系的转换矩阵Tpc，并利用Tpc和Tcg将实际需要的扫描点转化为振镜扫描坐标；
5)进行预扫描，验证打点是否正确后，开始正式扫描；
6)在扫描结束后，关闭激光并拍摄环境光图片。
进一步，所述步骤5)正式扫描为DOT原始数据采集：将扫描振镜扫描模式设置为点扫描模式，开启激光器，激光通过光源模块进行整形成为直径小于或等于1mm的光束，并进入扫描振镜，利用光路切换单元切换透射和反射扫描模态，使用控制模块控制扫描振镜进入自动打标流程，同时CMOS/CCD相机获得扫描图片。
进一步，所述步骤5)正式扫描为FMT或BLT原始数据采集：将扫描振镜扫描模式设置为点扫描模式，开启激光器，激光通过光源模块进行整形成为直径小于或等于1mm的光束，并进入扫描振镜，利用光路切换单元切换透射和反射扫描模态，调整滤波轮中滤波片波长来收集荧光，使用电脑控制扫描振镜进入自动打标流程，根据同时CMOS/CCD相机采集扫描图片。
进一步，所述步骤5)正式扫描为提取表面信息：将扫描振镜的扫描模式设置为线扫描模式，开启激光器，激光通过光源模块进行整形成为直径小于或等于1mm的光束，进入扫描振镜，移动光路切换单元切换为反射扫描模式，控制扫描振镜对样品表面进行线扫描，同时CMOS/CCD相机拍摄线扫描图片，利用线扫描对应的光平面方程计算得到样品表面的三维点云，通过插值补全物体底部点云后生成完整的三维表面信息以供断层扫描重建。
本发明的有益效果在于：本发明连续波光源非接触式的光学断层扫描系统及扫描方法，能实现透射式和反射式，点扫描和线扫描模式快速切换；系统结构简单、成本低，利用一套硬件系统同时实现了表面信息、DOT、FMT和BLT数据采集；可实现任意角度激光扫描；使用振镜进行扫描操作，扫描点不受光纤数量约束，可重复性强，系统器件不易损坏；一切采集流程由GUI界面控制，操作简单。可应用于多种对比度的宏观尺度生物体三维成像，服务于新药开发、疾病研究、手术图像导航、农业等领域。
附图说明
图1为本发明连续波光源非接触式的光学断层扫描系统结构示意图；
图2为本发明系统采集流程图；
图3为本发明系统自动化打标采集流程图；
图4为本发明系统DOT原始数据采集流程图；
图5为本发明系统FMT原始数据采集流程图；
图6为本发明系统BLT原始数据采集流程图；
图7为本发明系统表面信息采集与重建流程图；
图8为本发明系统360度旋转台示意图；
图9为本发明系统360度旋转台侧视图；
图10为本发明系统仪器控制线路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示连续波光源非接触式的光学断层扫描系统结构示意图，系统包括光源模块、扫描模块、成像模块以及含处理器的控制模块；光源模块包括激光器201、耦合器202、光纤203、准直器204和聚焦透镜205；扫描模块包括扫描振镜1、滑轨2、360度旋转台(4、8)、旋转台支撑装置(5、6)和三个反射镜(3、7、9)；成像模块包括成像载物台101、滤波轮102和CMOS/CCD成像探测器103。
光源模块中激光器201发出激光通过耦合器202耦合进光纤203一端，再由光纤203另一端输入到准直器204进行准直后再经过聚焦透镜204聚焦，使光束整形到直径小于或等于1mm的光束，进入扫描模块。
所述扫描模块是将整形好的激光束形成扫描光对成像载物台101上所测样品进行扫描。扫描模式可分为线扫描和点扫描。线扫描用于提取样品表面信息；点扫描用于采集断层重建数据。扫描模态设置可分透射式和反射式，使用光路切换单元可以对透射式和反射式采集模式进行切换，实现透射或反射的扫描模式获得DOT、FMT和BLT扫描数据；反射镜3、7都连接在各自的360度旋转台上，以实现任意角度入射光扫描，最后入射至成像载物台101上，对被测样品进行扫描。如图2所示系统采集流程图。
所述扫描模块包括作为光路切换单元、透射光路调整单元和反射光路调整单元，所述光路切换单元包括滑轨2；所述透射光路调整单元包括反射镜3、360度旋转台4、旋转台支撑装置5；所述反射光路调整单元包括旋转台支撑装置5、反射镜7、360度旋转台8和反射镜9。反射镜3固定在360度旋转台4上，360度旋转台4固定在旋转台支撑装置5上，旋转台支撑装置5固定在滑轨2上，通过360度旋转台4调整反射镜3的入射角度，可实现透射光入射角度的调整。通过滑轨2移动实现反射式和透射式光路的切换。光路处于透射模式时，光束从扫描振镜1出来后直接经过反射镜3反射并投向载物台；当切换为反射式模式时，通过滑轨2移开反射镜3、旋转台4和旋转台支撑装置5，光束从扫描振镜1出来后经过反射镜7和9反射并投向载物台。反射镜7固定在360度旋转台8上，360度旋转台8固定在旋转台支撑装置6上，通过360度旋转台8调整反射镜7的入射角度，可实现反射光入射角度的调整。
CMOS/CCD相机103置于成像载物台101正上方，所述CMOS/CCD相机103用于拍摄线扫描图像以及作为断层重建数据采集时的探测器。
置于CMOS/CCD相机103和成像载物台101之间的滤波轮102用于切换数据采集时所需的不同波长的滤波片。
所述的自动化打标采集流程为：首先将扫描振镜1的扫描模式设置为点扫描模式，开启激光器201。激光通过光源模块进行整形成为直径1mm的光束，进入扫描振镜1。然后使用扫描振镜1对标定板打标，采集CMOS/CCD相机103与扫描振镜1的标定图片。随后寻找标定图片上的激光中心点，计算相机坐标系与振镜坐标系的转换矩阵Tcg。接着，采集被测样品的白光图并且设定实际需要的点扫描范围。然后，提取样品台上标定点，计算样品坐标系和相机坐标系的转换矩阵Tpc，并利用Tpc和Tcg将实际需要的扫描点转化为振镜扫描坐标。接着进行预扫描，验证打点是否正确后，如果打点不满足实际需求，则停止运行，并重新设置实际需要的扫描点范围，然后再次进入自动预打标流程，如正确则开始正式扫描。最后，在扫描结束后，关闭激光并拍摄环境光图片。流程图如图3所示。
所述的DOT原始数据采集流程为：将扫描振镜1扫描模式设置为点扫描模式，开启激光器201。激光通过光源模块进行整形成为直径小于或等于1mm的光束，并进入扫描振镜1。利用光路切换单元可切换透射和反射扫描模态，使用电脑控制扫描振镜1进入自动打标流程，同时CMOS/CCD相机103获得扫描图片。流程图如图4所示。
所述的FMT原始数据采集流程为：将扫描振镜1扫描模式设置为点扫描模式，开启激光器201。激光通过光源模块进行整形成为直径1mm的光束，并进入振镜。利用移动光路切换单元可切换透射和反射扫描模态，调整滤波轮102中滤波片波长来收集荧光，使用电脑控制扫描振镜1进入自动打标流程，根据同时CMOS/CCD相机103采集扫描图片。流程图如图5所示。
所述的BLT原始数据采集流程为：将扫描振镜扫1描模式设置为点扫描模式，开启激光器。激光通过光源模块进行整形成为直径1mm的光束，并进入扫描振镜1。利用移动光路切换单元可切换透射和反射扫描模态，调整滤波轮102中滤波片波长来收集自发荧光，使用电脑控制扫描振镜1进入自动打标流程，根据同时CMOS/CCD相机103采集扫描图片。流程图如图6所示。
所述的提取表面信息流程为：首先将扫描振镜1的扫描模式设置为线扫描模式，开启激光器201。激光通过光源模块进行整形成为直径1mm的光束，进入扫描振镜1。移动光路切换单元，切换为反射扫描模式，控制扫描振镜1对样品表面进行线扫描，同时CMOS/CCD相机103拍摄线扫描图片。利用线扫描对应的光平面方程计算得到样品表面的三维点云，通过插值补全物体底部点云后生成完整的三维表面信息以供断层扫描重建。流程图如图7所示。
一个实施例中，扫描模块是进行两种模式的扫描。其中光路切换单元的目的是作为开关随时切换透射模式和反射模式。透射模式的光路为：光线从扫描振镜1射出，经过反射镜3，最终发射到成像载物台101的成像目标上。使用反射模式时，通过滑轨切换装置2移开反射镜3，反射式的光路为：光线从扫描振镜1射出，经过反射镜7、9，最终发射到成像载物台101上的成像目标。
一个实施例中，成像模块为：成像载物台101的功能为放置检测样品。滤波轮102放置不同中心波长的带通滤波片，且置于CMOS/CCD探测器103和成像目标之间。滤波轮102的目的是滤除来自激光器的激发光，让荧光通过并进入成像探测器103。
一个实施例中，多角度扫描模块为：反射镜3、7都各自接在360度旋转台4、8上，位移盘竖直的固定在90度直角支架401上，角度盘402固定于位移盘上，可随着位移盘移动而移动，角度盘402中间装载反射镜3。角度台402上有刻度值，可以调节刻度使扫描光以任意的角度照射到成像载物台101。如图8、9所示。
一个实施例中，所述的表面信息提取和DOT、FMT、BLT图片采集为：在光源区的经整形的激光光束射入振镜后，可设定为两个扫描模式：点扫描和线扫描，当选择扫描模式为反射式线扫描模式时，则能进行样品表面信息提取。在进行表面信息提取后，则可以通过切换光路切换单元和扫描振镜1的扫描模式，实现透射或反射的点扫描模式获得DOT、FMT和BLT扫描数据。
一个实施例中，所述处理器为电脑作为控制层，相机、滤波轮、扫描振镜和激光器作为现场层设备。具体为：电脑控制激光的开启与关闭，控制振镜的扫描模式(点扫描或者线扫描)、扫描的点数，滤波轮的内滤波片位置的转换以及相机的拍摄和图片的存储。所有通信接口均为USB数据线连接。控制示意图如图10所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种连续波光源非接触式的光学断层扫描系统，其特征在于，括光源模块、扫描模块、成像模块以及含处理器的控制模块；扫描模块包括扫描振镜、光路切换单元、透射光路调整单元和反射光路调整单元；光源模块输出整形后连续波光束入射扫描振镜，扫描振镜根据控制模块输出控制信号以线扫描和点扫描射出扫描光，扫描光经过光路切换单元实现透射式和反射式切换后，进入透射光路调整单元或反射光路调整单元调整入射光扫描角度，透射式扫描光直接入射成像模块实现扫描采集，反射式扫描光经过反射镜入射成像模块实现扫描采集，扫描采集数据送处理器。
2.根据权利要求1所述连续波光源非接触式的光学断层扫描系统，其特征在于，所述透射光路调整单元包括装载第一反射镜的第一360度旋转台和第一旋转台支撑装置，第一360度旋转台固定在第一旋转台支撑装置上，第一旋转台支撑装置固定在作为光路切换单元的滑轨上，所述扫描振镜输出扫描光经过第一反射镜反射投向成像模块；第一360度旋转台包括位移盘和角度盘，角度盘固定于位移盘上，角度盘随位移盘移动而移动，角度位移盘中间装载反射镜，角度位移盘上有刻度值，第一360度旋转台用于调节第一反射镜的位置状态。
3.根据权利要求2所述连续波光源非接触式的光学断层扫描系统，其特征在于，所述反射光路调整单元包括装载第二反射镜的第二360度旋转台、第二旋转台支撑装置和第三反射镜，第二360度旋转台固定在第二旋转台支撑装置上，第二360度旋转台结构同第一360度旋转台，所述扫描振镜输出扫描光依次经过第二反射镜、第三反射镜反射投向成像模块。
4.根据权利要求2或3所述连续波光源非接触式的光学断层扫描系统，其特征在于，所述透射式或反射式扫描光通过装载对应的反射镜的360度旋转台的调节使扫描光以任意的角度照射到成像模块中的成像载物台。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述连续波光源非接触式的光学断层扫描系统，其特征在于，所述光源模块包括激光器、耦合器、光纤、准直器和聚焦透镜，所述激光器发出激光通过耦合器耦合进光纤一端，再由光纤另一端输入到准直器进行准直后再经过聚焦透镜聚焦，使光束整形到小于或等于直径1mm的光束，进入扫描模块。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述连续波光源非接触式的光学断层扫描系统，其特征在于，所述成像模块包括成像载物台、滤波轮和CMOS/CCD成像探测器，所述CMOS/CCD相机置于成像载物台正上方，用于拍摄线扫描图像以及作为断层重建数据采集时的探测器；置于CMOS/CCD相机和成像载物台之间的滤波轮中放置不同中心波长的带通滤波片，所述滤波轮用于切换数据采集时所需的不同波长滤波片。
7.一种连续波光源非接触式的光学断层扫描方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)搭建连续波光源非接触式的光学断层扫描系统；
2)将扫描振镜的扫描模式设置为点扫描模式，开启激光器，激光通过光源模块进行整形成为直径小于或等于1mm的光束，进入扫描振镜；
3)然后使用扫描振镜对标定板打标，采集CMOS/CCD相机与扫描振镜的标定图片，寻找标定图片上的激光中心点，计算相机坐标系与振镜坐标系的转换矩阵Tcg；
4)采集被测样品的白光图并且设定实际需要的点扫描范围，提取样品台上标定点，计算样品坐标系和相机坐标系的转换矩阵Tpc，并利用Tpc和Tcg将实际需要的扫描点转化为振镜扫描坐标；
5)进行预扫描，验证打点是否正确后，开始正式扫描；
6)在扫描结束后，关闭激光并拍摄环境光图片。
8.根据权利要求7所述连续波光源非接触式的光学断层扫描方法，其特征在于，所述步骤5)正式扫描为DOT原始数据采集：将扫描振镜扫描模式设置为点扫描模式，开启激光器，激光通过光源模块进行整形成为直径小于或等于1mm的光束，并进入扫描振镜，利用光路切换单元切换透射和反射扫描模态，使用控制模块控制扫描振镜进入自动打标流程，同时CMOS/CCD相机获得扫描图片。
9.根据权利要求7所述连续波光源非接触式的光学断层扫描方法，其特征在于，所述步骤5)正式扫描为FMT或BLT原始数据采集：将扫描振镜扫描模式设置为点扫描模式，开启激光器，激光通过光源模块进行整形成为直径小于或等于1mm的光束，并进入扫描振镜，利用光路切换单元切换透射和反射扫描模态，调整滤波轮中滤波片波长来收集荧光，使用电脑控制扫描振镜进入自动打标流程，根据同时CMOS/CCD相机采集扫描图片。
10.根据权利要求7所述连续波光源非接触式的光学断层扫描方法，其特征在于，所述步骤5)正式扫描为提取表面信息：将扫描振镜的扫描模式设置为线扫描模式，开启激光器，激光通过光源模块进行整形成为直径小于或等于1mm的光束，进入扫描振镜，移动光路切换单元切换为反射扫描模式，控制扫描振镜对样品表面进行线扫描，同时CMOS/CCD相机拍摄线扫描图片，利用线扫描对应的光平面方程计算得到样品表面的三维点云，通过插值补全物体底部点云后生成完整的三维表面信息以供断层扫描重建。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202210859035.5A CN115191947A (zh) | 2022-07-21 | 2022-07-21 | 连续波光源非接触式的光学断层扫描系统及扫描方法 |
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Cited By (1)
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| CN117224859A (zh) * | 2023-11-14 | 2023-12-15 | 浙江大学 | 一种焦虑状态评估和多靶点时序光刺激和成像系统 |
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| CN117224859B (zh) * | 2023-11-14 | 2024-02-06 | 浙江大学 | 包括焦虑状态评估装置和多靶点时序光刺激和成像装置的系统 |
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