CN116849625B - 一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，属于光计算和生物医学光子学成像技术领域。该成像系统包括宽带光源、噪声源、色散器件、环形器、聚焦透镜、反射镜、二维扫描系统、偏振控制器、耦合器、平衡探测器、强度调制器；在本发明中，使用强度调制器对宽带光进行调制，进而利用色散介质对光信号进行实时全光处理，使参考光与测量光的干涉信号的时域波形包含了特定的干涉光谱的信息，最终通过数据处理得到干涉光谱所对应的待测样品的结构信息。本发明避免了传统方法中所必需的复杂、昂贵的设备。并且由于光计算的实时光学处理等特点，使得本发明具有低成本、高速度的成像优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，属于光计算和生物医学光子学成像技术领域。
背景技术
光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）是一种利用生物组织散射光相干原理成像的微米尺度的活体组织高分辨断层成像手段。
光学相干层析成像（OCT）最早被应用于眼科领域，现已成为眼科诊断的金标准，近年来随着技术的成熟，逐步应用于冠状动脉和颅内领域、皮肤科领域、癌症治疗等方面。在眼科方面，OCT主要用来诊断黄斑水肿、视网膜脱离层次、青光眼等眼部疾病。在冠状动脉和颅内医学方面，OCT在评估血管内壁斑块形态，评价支架植入术前术后效果和颅内动脉狭窄患者随访检测方面有着独特的优势。在皮肤科方面，OCT被用于鲜红斑痣、皮肤癌的诊断和治疗前后评估。在癌症治疗方面，OCT被用于观察肿瘤边界、切缘，用于指导制定手术治疗的方案、评估效果。
随着技术的发展，传统的时域OCT（Time Domain OCT，TD-OCT）已被成像速度更快的频域OCT（Fourier Domain OCT，FD-OCT）所取代。FD-OCT具体可分为：谱域OCT（SpectralDomain OCT，SD-OCT）和扫频OCT（Swept Source OCT，SS-OCT）。其中，SD-OCT中使用直流宽带光源，通过光谱仪和线阵相机来采集干涉光谱信号；SS-OCT中则使用输出波长随时间变化的扫频光源，并通过平衡探测器收集每一波长返回的信号。SD-OCT和SS-OCT均是先采集干涉光谱信号，再对探测到的干涉光谱做傅里叶变换得到样品深度反射率分布(A-Scan)，由此得到样品深度上的结构信息。但是，SD-OCT必须依赖于光谱仪，因而面临着光谱仪设计及制作复杂、且无法全光纤化的问题；而SS-OCT中必需的扫频光源也存在着制作工艺要求高、所需成本高等问题。因此，现有的频域OCT系统所需的装置设计难度较大、成本较高且系统灵活性低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统。
本发明的技术解决方案是：
一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，该成像系统包括宽带光源、第一耦合器、噪声源、色散器件、第一环形器、第二环形器、第一聚焦透镜、反射镜、第二聚焦透镜、二维扫描系统、待测样品、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第二耦合器、平衡探测器、计算机、强度调制器；
所述宽带光源用于发出宽带光，并将发出的宽带光输出至强度调制器；
所述强度调制器用于接收宽带光源发出的宽带光，并对接收到的宽带光进行强度调制，之后输出强度调制后的宽带光至色散器件；强度调制器对接收到的宽带光进行强度调制时是由噪声源输出的波形进行控制的；
所述色散器件用于接收强度调制器输出的强度调制后的宽带光，并对接收到的宽带光进行色散后输出色散后的宽带光给第一耦合器；
所述第一耦合器用于接收色散器件输出的色散后的宽带光，并将接收到的色散后的宽带光分为参考光和测量光，测量光输出至第一环形器的一端口，参考光输出至第二环形器的一端口；
所述第一环形器的一端口用于接收第一耦合器输出的测量光，并将接收到的测量光通过第一环形器的二端口输出至第二聚焦透镜；
所述第二聚焦透镜用于接收第一环形器的二端口输出的测量光，并对接收到的测量光进行会聚后输出至二维扫描系统；第二聚焦透镜还用于接收二维扫描系统输出的原路返回的测量光，并对接收到的原路返回的测量光进行会聚后输出至第一环形器的二端口，第一环形器的三端口将接收到的原路返回的测量光输出至第一偏振控制器；
所述二维扫描系统用于接收第二聚焦透镜输出的测量光，并对接收到的测量光进行偏转后使偏转后的测量光照射到待测样品上，测量光在待测样品处由于散射或反射等效应原路返回至二维扫描系统上，二维扫描系统再将原路返回的测量光进行偏转后使偏转后的测量光输出至第二聚焦透镜；
所述第一偏振控制器用于接收第一环形器的三端口输出的测量光，并对接收到的测量光进行偏振调节后输出偏振调节后的测量光至第二耦合器；
所述第二环形器的一端口用于接收第一耦合器输出的参考光，并将接收到的参考光通过第二环形器的二端口输出至第一聚焦透镜；第二环形器的二端口用于接收第一聚焦透镜输出的反射后的参考光并将接收到的反射后的参考光通过第二环形器的三端口输出至第二偏振控制器；
所述第一聚焦透镜用于接收第二环形器的二端口输出的参考光，并对接收到的参考光进行会聚后输出至反射镜，第一聚焦透镜还用于接收反射镜反射的参考光，并将反射后的参考光会聚后输出至第二环形器的二端口；
所述反射镜用于接收第一聚焦透镜输出的参考光，并将接收到的参考光进行反射至第一聚焦透镜；
所述第二偏振控制器用于接收第二环形器的三端口输出的参考光，并对接收到的参考光进行偏振调节后输出偏振调节后的参考光至第二耦合器；
所述第二耦合器用于接收第一偏振控制器输出的测量光，还用于接收第二偏振控制器输出的参考光，测量光和参考光在第二耦合器内进行干涉后输出干涉光至平衡探测器，平衡探测器将干涉光转换为电信号并输出至计算机，计算机根据接收到的电信号进行数据处理后得到待测样品的结构信息；
所述根据电信号得到待测样品的结构信息的方法为：
第一步，将电信号进行自相关运算，得到该电信号的自相关函数；
第二步，将第一步得到的电信号的自相关函数乘以窗函数，得到抑制杂波后的自相关函数；
第三步，将第二步得到的抑制杂波后的自相关函数进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果；
第四步，截取第三步得到的傅里叶变换结果的正频率范围并取模，再取对数，得到对数域的图像信息即待测样品的结构信息；
所述第四步还可以是：截取第三步得到的傅里叶变换结果的正频率范围并取模，再开方，得到线性域的图像信息即待测样品的结构信息；
所述第二步中，窗函数为高斯窗、切比雪夫窗、汉宁窗、布莱克曼窗或海明窗，用于抑制自相关中央信号以外的噪声；
所述第四步中，取对数时以2、自然常数e或10为底；
所述噪声源产生的随机噪声信号波形为高斯白噪声型波形；
所述色散器件为色散光纤；
所述宽带光源的工作波段采用850nm、1064nm、1310nm和1550nm中的一种。
所述宽带光源输出的光可以是直流光，也可以是具有波动的准直流光。
应用该系统进行光学相干层析成像时，宽带光源发出宽带光，宽带光经过强度调制器进行强度调制后进入色散器件，色散后的宽带光在第一耦合器中分为参考光和测量光；
测量光依次经过第一环形器输出至第二聚焦透镜，测量光经过第二聚焦透镜的会聚后再经二维扫描系统的偏转后照射到待测样品上，测量光经待测样品的散射及反射后返回至第一环形器，测量光再经第一环形器、第一偏振控制器后输出至第二耦合器；
参考光进入到第二环形器后输出至第一聚焦透镜，在第一聚焦透镜进行会聚后再经反射镜反射后再次会聚回至第二环形器，参考光再经过第二环形器、第二偏振控制器后输出至第二耦合器；
参考光和测量光在第二耦合器中进行干涉后输出干涉光至平衡探测器；
平衡探测器将干涉光转换为电信号并输出至计算机；
计算机根据接收到的电信号进行数据处理后得到待测样品的结构信息。
有益效果
在本发明中，使用强度调制器对宽带光进行调制，进而利用色散介质对光信号进行实时全光处理，使参考光与测量光的干涉信号的时域波形包含了特定的干涉光谱的信息，最终通过数据处理得到干涉光谱所对应的待测样品的结构信息。本发明避免了传统方法中所必需的复杂、昂贵的设备。并且由于光计算的实时光学处理等特点，使得本发明具有低成本、高速度的成像优势。
相比于传统频域OCT需要先直接测量干涉光谱，再利用计算机对测量到的光谱做傅里叶变换得到样品深度上的结构信息，及其所面临的SD-OCT中所需的光谱仪设计及制作复杂、无法全光纤化，SS-OCT中所需的扫频光源制造工艺要求高，成本高等问题，本发明提出的基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统无需测量光谱，而是测量光计算结果之后再处理得到光谱的傅里叶变换，因此，本发明的光学相干层析成像系统具有以下优点：
（1）本发明的系统不依赖于光谱仪及扫频光源，系统结构更为简单，极大地降低了系统的设计难度及装置成本；
（2）本发明的系统中均可采用全光纤器件实现全光纤化，使系统的能量利用率、稳定性和集成度更高；
（3）本发明的系统具有成像速度快、成像速度可灵活调整等优势。
（4）本发明的系统不再需要光谱仪或扫频光源，这样就大大降低了所需的实现难度和成本。
相比传统光计算OCT，传统光计算OCT系统需要两个光调制器，并且需要一台用于输出指定波形的信号发生器。因此，传统光计算OCT成本非常高。另外，传统的光计算OCT不得不用到包络检波器取得最终结果，然而，包络检波器的非线性效应会导致信号中的低幅度成分丢失，以致结果不准确，传统的光计算OCT先做全光傅里叶变换，再用探测器获取结果，所以，探测过程中存在的散粒噪声就会叠加在结果上，降低信噪比，本发明的显著优势如下：
（1）本发明的系统只需要单一的光调制器，而传统光计算OCT系统需要两个光调制器；
（2）本发明的系统不再需要信号发生器用于输出指定波形，取而代之的是噪声源，众所周知，信号发生器内置的高精度高速数模转换器价格高昂，而某些价格低廉的电子器件在特定工作模式下都能作为一个噪声源来使用。因此，同样带宽条件下，后者的市场价格不及前者的十分之一。又因为传统光计算OCT的90%以上成本都集中于信号发生器，所以本发明可大大降低光计算OCT系统的成本。
（3）本发明的系统提取最终结果无需包络检波器处理信号，也就避免了包络检波器的非线性效应带来的信号失真问题。
（4）本发明对结果做自相关运算消去随机噪声的影响，再对自相关的结果做加窗运算并做傅里叶变换，即可得到光谱信号的频谱的平方。最后再经过开方或对数运算，即可得到OCT的一次线扫描的数据，它代表样品在深度上的一线结构信息。本发明在取得探测结果之后应用傅里叶变换，由于OCT的光谱信号在频域存在能量集中的特性，而散粒噪声在频域的能量是平均分散的，因此傅里叶变换后信号的强度会得到n倍的放大，显著提高了取得结果的信噪比。其中，n是每次线扫描对应的自相关数据所含有的数据点数，它的数量级通常为千量级。所以，较之传统方法，本发明可大大提升获取结果的信噪比。
附图说明
图1为本发明的基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统的结构示意图。
图2为实施例中待测样品为玻璃片时得到的一次线扫描对应的结构信息。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例
待测样品14为玻璃片，使用一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统对待测样品14进行成像时，强度调制器20根据噪声源3输出的噪声信号波形对宽带光的强度进行调制；
如图1所示，宽带光源1发出工作波段为1550nm的直流宽带光，直流宽带光经过强度调制器20进行强度调制后进入色散器件5，色散后的宽带光在第一耦合器2中分为参考光和测量光；
测量光依次经过第一环形器6输出至第二聚焦透镜12，测量光经过第二聚焦透镜12的会聚后再经二维扫描系统13的偏转后照射到待测样品14上，测量光经待测样品14的散射及反射后返回至第一环形器6，测量光再经第一环形器6、第一偏振控制器15后输出至第二耦合器17；
参考光进入到第二环形器7后输出至第一聚焦透镜10，在第一聚焦透镜10进行会聚后再经反射镜11反射后再次会聚回至第二环形器7，参考光再经过第二环形器7、第二偏振控制器16后输出至第二耦合器17；
参考光和测量光在第二耦合器17中进行干涉后输出干涉光至平衡探测器18；
平衡探测器18将干涉光转换为电信号并输出至计算机19；
计算机19根据接收到的电信号进行数据处理，具体包括：先进行自相关运算，得到该电信号的自相关函数，将得到的自相关函数乘以高斯窗，得到抑制杂波后的自相关函数；对得到的抑制杂波后的自相关函数进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果；截取得到的傅里叶变换结果的正频率范围并取模，再取以2为底的对数，得到对数域的结构信息即待测样品14的结构信息如图2所示，在图2中可分辨出玻璃片的上下表面结构。
上述实施例中，光路中的相应光学器件的工作波长与宽带光源1所选择的输出波长相适应。二维扫描系统13包括X方向和Y方向的两个扫描振镜，所述二维扫描系统13与所述第二聚焦透镜12的位置可交换，并不影响系统工作。第一聚焦透镜10和第二聚焦透镜12可换为其他能够起到会聚功能的光学镜或光学镜组，如反射式凹面镜。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (7)
1.一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，其特征在于：
该成像系统包括宽带光源(1)、第一耦合器(2)、噪声源(3)、色散器件(5)、第一环形器(6)、第二环形器(7)、第一聚焦透镜(10)、反射镜(11)、第二聚焦透镜(12)、二维扫描系统(13)、第一偏振控制器(15)、第二偏振控制器(16)、第二耦合器(17)、平衡探测器(18)、计算机(19)、强度调制器(20)；
所述宽带光源(1)用于发出宽带光，并将发出的宽带光输出至强度调制器(20)；
所述强度调制器(20)用于接收宽带光源(1)发出的宽带光，并对接收到的宽带光进行强度调制，之后输出强度调制后的宽带光至色散器件(5)；强度调制器(20)对接收到的宽带光进行强度调制时是由噪声源(3)输出的波形进行控制的；
所述色散器件(5)用于接收强度调制器(20)输出的强度调制后的宽带光，并对接收到的宽带光进行色散后输出色散后的宽带光给第一耦合器(2)；
所述第一耦合器(2)用于接收色散器件(5)输出的色散后的宽带光，并将接收到的色散后的宽带光分为参考光和测量光，测量光输出至第一环形器(6)的一端口，参考光输出至第二环形器(7)的一端口；
所述第一环形器(6)的一端口用于接收第一耦合器(2)输出的测量光，并将接收到的测量光通过第一环形器(6)的二端口输出至第二聚焦透镜(12)；
所述第二聚焦透镜(12)用于接收第一环形器(6)的二端口输出的测量光，并对接收到的测量光进行会聚后输出至二维扫描系统(13)；第二聚焦透镜(12)还用于接收二维扫描系统(13)输出的原路返回的测量光，并对接收到的原路返回的测量光进行会聚后输出至第一环形器(6)的二端口，第一环形器(6)的三端口将接收到的原路返回的测量光输出至第一偏振控制器(15)；
所述二维扫描系统(13)用于接收第二聚焦透镜(12)输出的测量光，并对接收到的测量光进行偏转后使偏转后的测量光照射到待测样品(14)上，测量光在待测样品(14)处原路返回至二维扫描系统(13)上，二维扫描系统(13)再将原路返回的测量光进行偏转后使偏转后的测量光输出至第二聚焦透镜(12)；
所述第一偏振控制器(15)用于接收第一环形器(6)的三端口输出的测量光，并对接收到的测量光进行偏振调节后输出偏振调节后的测量光至第二耦合器(17)；
所述第二环形器(7)的一端口用于接收第一耦合器(2)输出的参考光，并将接收到的参考光通过第二环形器(7)的二端口输出至第一聚焦透镜(10)；第二环形器(7)的二端口用于接收第一聚焦透镜(10)输出的反射后的参考光并将接收到的反射后的参考光通过第二环形器(7)的三端口输出至第二偏振控制器(16)；
所述第一聚焦透镜(10)用于接收第二环形器(7)的二端口输出的参考光，并对接收到的参考光进行会聚后输出至反射镜(11)，第一聚焦透镜(10)还用于接收反射镜(11)反射的参考光，并将反射后的参考光输出至第二环形器(7)的二端口；
所述反射镜(11)用于接收第一聚焦透镜(10)输出的参考光，并将接收到的参考光进行反射至第一聚焦透镜(10)；
所述第二偏振控制器(16)用于接收第二环形器(7)的三端口输出的参考光，并对接收到的参考光进行偏振调节后输出偏振调节后的参考光至第二耦合器(17)；
所述第二耦合器(17)用于接收第一偏振控制器(15)输出的测量光，还用于接收第二偏振控制器(16)输出的参考光，测量光和参考光在第二耦合器(17)内进行干涉后输出干涉光至平衡探测器(18)，平衡探测器(18)将干涉光转换为电信号并输出至计算机(19)，计算机(19)根据接收到的电信号进行数据处理后得到待测样品(14)的结构信息；
根据电信号得到待测样品(14)的结构信息的方法为：
第一步，将电信号进行自相关运算，得到该电信号的自相关函数；
第二步，将第一步得到的电信号的自相关函数乘以窗函数，得到抑制杂波后的自相关函数；
第三步，将第二步得到的抑制杂波后的自相关函数进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果；
第四步，截取第三步得到的傅里叶变换结果的正频率范围并取模，再取对数，得到对数域的图像信息即待测样品(14)的结构信息；
或根据电信号得到待测样品(14)的结构信息的方法为：
第一步，将电信号进行自相关运算，得到该电信号的自相关函数；
第二步，将第一步得到的电信号的自相关函数乘以窗函数，得到抑制杂波后的自相关函数；
第三步，将第二步得到的抑制杂波后的自相关函数进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果；
第四步，截取第三步得到的傅里叶变换结果的正频率范围并取模，再开方，得到线性域的图像信息即待测样品(14)的结构信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，其特征在于：
所述第二步中，窗函数为高斯窗、切比雪夫窗、汉宁窗、布莱克曼窗或海明窗。
3.根据权利要求1所述的一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，其特征在于：
所述第四步中，取对数时以2、自然常数e或10为底。
4.根据权利要求1所述的一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，其特征在于：
所述噪声源产生的随机噪声信号波形为高斯白噪声型波形。
5.根据权利要求1所述的一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，其特征在于：
所述色散器件(5)为色散光纤。
6.根据权利要求1所述的一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，其特征在于：
所述宽带光源的工作波段采用850nm、1064nm、1310nm和1550nm中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于光计算的强度调制式光学相干层析成像系统，其特征在于：
所述宽带光源输出的光为直流光或具有波动的准直流光。
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