CN116712031A - 一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物光学成像领域，公开了一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统，用以解决现有OCT系统中光谱仪分辨率不足的问题。包括OCT成像干涉组件和干涉数据捕获组件，其中，干涉数据捕获组件包括了衍射光栅、聚焦透镜、点探测器及高精度亚纳米位移台，衍射光栅接收OCT成像干涉组件所产生的相干光，并将射到衍射光栅上的相干光按波长不同的进行色散；聚焦透镜将色散后的相干光按照波长聚焦到聚焦面上不同位置点；高精度亚纳位移台按照设置的步距，带动点探测器逐点位移，点探测器在位移过程中实时采集聚焦面上各点的光强，位移结束后将采集到的所有采集点的光强合成为宽光谱信息，并对合成的宽光谱信息进行波长标定。本发明适用于医疗成像。
Description
技术领域
本发明涉及生物光学成像领域，特别涉及一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统。
背景技术
光学相干断层成像(OCT)技术，利用低相干光干涉原理，基于迈克尔逊干涉仪系统，是一种无接触、无损伤、快速、高分辨率、具有深度信息的实时2D和3D成像技术，被广泛运用于人眼成像检测，如眼角膜和视网膜成像，同时随着其快速发展，也逐渐开始发展到皮肤、牙齿等检查领域。其中，频域OCT因其高信噪比被广泛使用，通过光谱数据重建图像。
频域OCT的成像深度主要取决于光源波长及光谱仪的光谱分辨率，其具体可表达为
其中，Zmax为纵向最大成像深度，λ为光源中心波长，δλ为光谱分辨率。可以看出，当光源中心波长一定时，OCT的纵向成像深度与光谱分辨率成反比，即：光谱分辨率越高，OCT的成像深度越深，反之光谱分辨率越低，则导致OCT的成像深度变浅。所以，为了提高OCT的成像深度，国内外研究团队都积极聚焦于如何降低光谱分辨率的工作上。如美国Wasatch公司致力于高分辨率光谱仪研究，通过增加线相机采样密度来提高光谱分辨率，但制作成本极高且无法同时满足高光谱分辨率和大光谱带宽。国内天津大学研究团队提出了一种基于微小裂缝的光谱仪，能够将光谱分辨率提高三倍，然而由于光强信息的降低，导致光谱仪信噪比整体下降，同时其光谱分辨率提升也十分有限。另外，频域OCT的纵向分辨率与其光的相干长度有关，即：采集的光谱范围越大，OCT的纵向分辨率越高，反之采集的光谱范围越窄，OCT的纵向分辨率则越低。
综上所述，如果能够同时提高光谱分辨率和光谱采集范围，将有助于实现大深度高分辨率光学相干断层成像。而现有技术大多致力于光谱仪的优化设计，在一定范围内提升光谱分辨率，但均难以在实现高光谱分辨率的同时，保证信号的高信噪比和宽光谱范围。总之，目前频域OCT技术受光谱仪限制，很难同时满足成像高分辨率和成像大深度的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统，用以解决现有OCT系统中光谱仪分辨率不足的问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统，包括OCT成像干涉组件和干涉数据捕获组件，所述OCT成像干涉组件用于使参考臂反射回来的光与样品臂反射回来的光发生干涉；所述干涉数据捕获组件包括衍射光栅、聚焦透镜、电控位移台以及点探测器；
所述衍射光栅用于接收OCT成像干涉组件所产生的相干光，并将射到衍射光栅上的相干光按波长的不同进行色散；
所述聚焦透镜用于将色散后的相干光按照波长聚焦到聚焦面上不同位置点；
所述电控位移台按照设置的步距，带动点探测器逐点位移，且点探测器在位移过程中实时采集聚焦面上各点的光强，位移结束后将采集到的所有采集点的光强合成为宽光谱信息，并对合成的宽光谱信息进行波长标定。
进一步的，所述OCT成像干涉组件可包括近红外激光光源、分光棱镜和扫描振镜；
所述近红外激光光源用于产生不同波长的近红外激光；
所述分光棱镜用于将近红外激光光源产生的近红外激光按照比例分光，得到A、B两种比例的光束，A＞B，并将A比例光束传播到样品臂的待测样品处，将B比例光束传播到参考臂；
扫描振镜用于通过自身的振动使得A比例光束的传播方向在一定范围内变动，进而实现对样品臂的待测样品区域进行逐点扫描。
进一步的，所述分光棱镜一般为10：90分光棱镜，将近红外激光光源产生的近红外激光按照10：90分光，将90％光束传播到样品臂的待测样品处，将10％光束传播到参考臂。
进一步的，所述电控位移台可为PZT位移台，按照亚纳米精度的步距进行位移。PZT位移台具有体积小,响应快,位移量大及精度高等优点。
进一步的，点探测器可通过相位差标定方法，来实现每个采集点对应的波长标定。
本发明的有益效果如下：
1、本发明对被衍射光栅分光后的干涉光谱数据实行位移式逐点扫描，通过亚纳米位移台，利用高灵敏度点探测器来获取更小波长间隔的光强信息，可以最大程度上提升光谱采集分辨率，不受限于传统光谱仪像素的点不够、像素点间信号串扰等问题，能够有效提高光谱采集分辨率，增强光谱信号采集信噪比以及拓展光谱的采集带宽。
2、本发明基于传统OCT成像系统，但完全改变了传统光谱仪采集干涉光谱数据的方式，通过位移式采集波长数据并合成光谱信息，最终实现OCT成像，能够提升光谱分辨率，增强OCT成像深度，同时增强光谱采集范围，从而提升OCT纵向分辨率。最终实现大深度高分辨率的光学相干断层成像，将有助于进一步拓展OCT技术的运用范围。
附图说明
图1为实施例提供的光学相干断层成像系统的结构示意图；
图2为实施例所合成的宽光谱示意图。
其中：1、近红外宽光谱光源；2、光束准直透镜；3、10：90分光棱镜；4、参考平面镜；5、二维振镜；6、成像物镜；7、待测生物样品；8、衍射光栅；9、高灵敏度点探测器；10、亚纳米PZT位移台。
具体实施方式
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于位移式光谱细分的大深度高分辨率光学相干断层成像系统，解决了现有OCT系统中光谱仪分辨率不足的问题，且同时能够实现更宽光谱的数据采集，同时提升成像深度和成像分辨率。
为了达到上述发明目的，本发明提出了一种基于位移式光谱细分的大深度高分辨率光学相干断层成像系统，其包括OCT成像干涉组件、干涉数据捕获组件和光谱仪；
OCT成像干涉组件采用近红外宽光谱光源，基于迈克尔逊干涉仪原理，通过分束棱镜将光分成两部分，一部分光进入参考臂，另一部分光进入样品臂，进而使得参考臂反射回来的光与样品臂反射回来的光发生干涉；
干涉数据捕获组件包括了衍射光栅、聚焦透镜、电控位移台以及点探测器；
宽光谱相干光到达衍射光栅后，衍射光栅将射到其上的相干光按波长不同的进行色散，聚焦透镜进一步将色散后的相干光按照波长聚焦到聚焦面上不同位置点；电控位移台按照所设置的步距，带动点探测器逐点位移，点探测器在位移过程中实时采集聚焦面上各点的光强，位移结束后将采集到的所有采集点的光强合成为宽光谱信息，并对合成的宽光谱信息进行波长标定，以确保各点对应的波长精度，实现更高分辨率的光谱数据采集。
光谱仪对标定好的宽光谱干涉信息进行背景光消除、波长重采样以及窗函数滤波等前期处理，对处理后的光谱数据进行傅里叶变换，求得其绝对值后，通过对数据进行对数化等处理，获取A-line成像，进而通过扫描振镜对样品逐点扫描，最终重建出B-scan和三维OCT图像。
本发明中，所述OCT成像干涉组件可包括近红外激光光源、分光棱镜和扫描振镜；其中：所述近红外激光光源用于产生不同波长的近红外激光；所述分光棱镜用于将近红外激光光源产生的近红外激光按照比例(例如10：90)分光，得到A、B两种比例的光束，由于样品臂的待测样品处需要更多光，因此通常将更大比例A(例如90％)光束传播到样品臂的待测样品处，将更小比例B(例如10％)光束传播到参考臂；扫描振镜一般为二维振镜，用于通过自身的振动使得A比例光束的传播方向在一定范围内变动，进而实现对样品臂的待测样品区域进行逐点扫描。
本发明中，所述电控位移台可为PZT位移台，位移时可按照亚纳米精度的步距进行位移。在波长标定时，点探测器可通过相位差标定方法，来实现每个采集点对应的波长标定。
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，实施例提供了一种基于位移式光谱细分的大深度高分辨率光学相干断层成像系统，该基于位移式光谱细分的大深度高分辨率光学相干断层成像系统中：近红外宽光谱激光光源1发射处的近红外激光通过准直透镜2射入10：90分光棱镜3，10：90分光棱镜3将90％的光束通过二维振镜5传播到样品臂的成像物镜6，进而扫描待测生物样品区域7，将10％比例的光束传播到参考臂参考平面镜4处，从样品臂的待测生物样品6和光束传播到参考臂4反射回来的光线进入10：90分光棱镜3后开始产生干涉，利用衍射光栅8对宽光谱相干光进行分光，不同波长的光将被聚焦透镜聚焦到聚焦面上不同位置点；通过高精度亚纳米PZT位移台10，移动高灵敏度点探测器9，点探测器在位移过程中实时采集聚焦面上各点的光强，位移结束后将采集到的所有采集点的光强合成为宽光谱信息，并对合成的宽光谱信息进行波长标定，最终得到所需的光谱原始数据。
其中近红外激光光源1可以采用Thorlabs公司的SLD1325，其中心波长为1325nm，带宽为100nm，可以根据不同的成像区域来调节最优光强度。二维振镜5可以采用GVS112/M系列Galvo扫描振镜，光束直径可达10mm，能够覆盖本实验中的所有波长范围。成像物镜为Thorlabs公司的LSM03系列，其有效焦距为36mm，工作距离为25.1mm，横向分辨率可达13μm。高灵敏度点探测器9可选滨松品牌的PMT，能够实现单光子的计数，亚纳米PZT位移台选用PhysikInstrumente(PI)公司的单轴位移台，其位移精度可以达0.1nm。
该基于位移式光谱细分的大深度高分辨率光学相干断层成像系统，通过点探测器逐点采集光谱数据，从800nm到1800nm的超带宽光谱数据，其中共采集20,000个点，光谱分辨率可达到0.05nm，可以实现大带宽的高分辨率光谱数据合成，合成结果如图2所示，进而可重建出大深度高分辨率光学相干断层图像。
Claims (5)
1.一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统，包括OCT成像干涉组件和干涉数据捕获组件，所述OCT成像干涉组件用于使参考臂反射回来的光与样品臂反射回来的光发生干涉；其特征在于，所述干涉数据捕获组件包括衍射光栅、聚焦透镜、电控位移台以及点探测器；
所述衍射光栅用于接收OCT成像干涉组件所产生的相干光，并将射到衍射光栅上的相干光按波长进行色散；
所述聚焦透镜用于将色散后的相干光按照波长聚焦到聚焦面上不同位置点；
所述电控位移台按照设置的步距，带动点探测器逐点位移，且点探测器在位移过程中实时采集聚焦面上各点的光强，位移结束后将采集到的所有采集点的光强合成为宽光谱信息，并对合成的宽光谱信息进行波长标定。
2.如权利要求1所述的一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统，其特征在于，所述OCT成像干涉组件包括近红外激光光源、分光棱镜和扫描振镜；
所述近红外激光光源用于产生不同波长的近红外激光；
所述分光棱镜用于将近红外激光光源产生的近红外激光按照比例分光，得到A、B两种比例的光束，A＞B，并将A比例光束传播到样品臂的待测样品处，将B比例光束传播到参考臂；
扫描振镜用于通过自身的振动使得A比例光束的传播方向在一定范围内变动，进而实现对样品臂的待测样品区域进行逐点扫描。
3.如权利要求2所述的一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统，其特征在于，所述分光棱镜为10：90分光棱镜，将近红外激光光源产生的近红外激光按照10：90分光，将90％光束传播到样品臂的待测样品处，将10％光束传播到参考臂。
4.如权利要求1所述的一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统，其特征在于，所述电控位移台为PZT位移台，按照亚纳米精度的步距进行位移。
5.如权利要求1所述的一种基于位移式光谱细分的光学相干断层成像系统，其特征在于，点探测器通过相位差标定方法，来实现每个采集点对应的波长标定。
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