CN117157501A - 具有光纤适配器的口内光学相干层析扫描仪 - Google Patents

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Abstract

一种用于对样本进行成像的光学相干层析扫描仪具有：波长可调谐光源，所述波长可调谐光源被配置来生成具有一定范围的波长的扫描光；以及扫描探头，所述扫描探头具有扫描头和一个或多个光学通道，所述一个或多个光学通道将光传送到所述扫描头并且从所述扫描头传送所述光。每个通道具有：样本臂，所述样本臂具有用于将扫描光传送到所述样本并且将来自所述样本的散射和背向反射光传送到检测器的光纤；参考臂，所述参考臂具有从所述波长可调谐光源传送参考光的光纤；光纤或光纤系统，所述光纤或光纤系统限定所述样本臂或所述参考臂的光路距离；检测器，所述检测器根据来自所述样本臂的组合光和所传送的参考光生成输出信号；以及数字化仪，所述数字化仪用于根据所述检测器输出信号生成数字数据并且将所生成的数字数据传递到计算机。

Description

具有光纤适配器的口内光学相干层析扫描仪
技术领域
本公开整体涉及手持式口内光学相干层析(OCT)成像，并且更具体地，涉及用于手持式口内OCT成像系统的更紧凑设计的装置和方法。
背景技术
光学相干层析(OCT)是一种非侵入式成像技术，其采用干涉测量原理来获得表征样本的深度结构的高分辨率截面层析图像。由于特别适合人体组织的体内成像，OCT已在一系列生物医学研究和医学成像应用中(诸如，在眼科学、皮肤病学、肿瘤学和其他领域以及耳鼻喉科(ENT)和牙科成像中)显示出其有用性。
OCT已被描述为一种类型的“光学超声波”，其对来自活体组织内的反射能量进行成像以获得截面数据。在OCT成像系统中，来自宽带宽源(诸如超辐射发光二极管(SLD)或其他光源)的光沿以下两个不同光路引导：已知光路长度的参考臂或参考路径以及照射组织或其他研究对象的样本臂或样本路径。然后，来自参考臂和样本臂的反射和背向散射光在OCT装置中重新组合，并且使用干涉效应来确定样本的表面和近表面底层结构的特征。干涉数据可通过跨样本快速扫描照明来采集。在沿样本表面的几千个点中的每一个处，OCT装置获得干涉轮廓，所述干涉轮廓可用于重建具有深入材料中的轴向深度的A型扫描，这在很大程度上是光源相干性的一个因素。对于大多数组织成像应用，OCT使用宽带照明源并且可提供高达几毫米(mm)的深度处的图像内容。
已应用于口内成像问题的各种技术和方法存在很大局限性。相机和扫描仪尺寸和形状因数的限制以及口内成像环境的受限空间要求使得准确地表征口内表面具有挑战性。可能难以准确地聚焦在单独表面特征上、以合适的分辨率和聚焦提供患者牙列的广泛区域的图像内容并且提供用于诊断目的的足够的照明。
牙齿和其他口内结构的准确成像可由于流体的影响而受到损害。可在牙齿上和周围聚集的水、唾液、血液和其他流体可能给OCT以及反射成像系统造成困难。对于某种照明装置，投射光的仅一部分照射到牙齿表面(样本S)上。类似地，来自牙齿表面的背向散射光在流体-空气界面处再次折射并且由相机以另一角度捕获。投影束和所捕获光束的背向光线追踪确定朝向成像系统移位的交点的位置，从而造成图像失真。
除尺寸不准确之外，来自口腔中的流体的反射可在图像上产生辉点，所述辉点由于高反射水平而饱和。对于口内成像可能特别明显的再一些其他问题包括例如狭小的空间约束、起雾、血液/唾液/水的湿润、牙齿的半透明、牙龈/脸颊/舌头的高水平光吸收和散射以及患者呕吐反射。出于诸如这些的原因，与大多数其他生物医学成像应用所遇到的问题相比，口内成像在操作、环境和图像质量方面提出相当大的挑战。
常规OCT系统自适应干涉仪的架构，所述架构通常包括用于将光引导到干涉仪的样本臂和参考臂或从其采样臂和参考臂引导光的基于光纤和自由空间的光学器件以及机械部件两者，诸如一个或多个光纤耦合器、光纤循环器、透镜和反射镜。采集可靠且准确的干涉信号需要精确匹配采样臂光路和参考臂光路。通常使用可调整机械参考臂来实现最佳光路长度。然而，此要求存在一些固有困难，包括以下内容：
(i)扫描装置的增加的尺寸、重量和成本。可调整机械参考臂通常采用多个光学支架、平移台、运动支架和光学部件。为了防止污染反射镜或透镜元件，光学系统通常需要专门设计的壳体，这添加系统另外的成本、重量和体积，并且使系统不适于临床或牙科诊疗椅场景。
(ii)对振动和机械漂移的敏感性。因为参考臂通常包括包含自由空间光纤耦合器的多个部件，所以参考臂对环境振动非常敏感。温度变化还可造成参考臂的机械漂移，从而可能使图像质量受到损害。
(iii)高维护成本和停机成本。为了维持高光纤耦合效率，通常需要定期(诸如，每年或每月)重新对准。这种类型的调整通常需要由专业人员执行，这增加了维护成本和停机成本。
(iv)增加的制造成本。为了提供高光纤耦合效率，需要执行特别调整以调谐参考臂，从而延长最后组装和测试所需的时间。
(v)参考臂的高插入损耗。常规自由空间参考臂通常由于自由空间光纤耦合器的低耦合效率而具有较高的插入损耗。
对于使用多个扫描通道的OCT扫描设备，这些问题变得愈发复杂。减小尺寸和减少成本并有助于消除机械漂移和灵敏度来源的改进将有益于使OCT成像更加可用、稳健且经济实惠。
发明内容
本公开的一个目的是推进口内OCT成像技术。本公开的实施方案特别地解决对用于调整OCT干涉仪部件的光路长度的改进方法的需要。
本申请的另一目的是完全或部分地解决相关技术中的至少前述和其他不足。
本申请的相关目的是完全或部分地提供至少本文所述的优点。
这些目的仅以说明性示例的方式给出，并且此类目的可成为本申请的一个或多个实施方案的示例。本领域技术人员可想到或明白通过所公开方法固有地实现的其他期望的目的和优点。本发明由所附权利要求来限定。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于对样本进行成像的光学相干层析扫描仪，所述光学相干层析扫描仪包括：
a)波长可调谐光源，所述波长可调谐光源被配置来生成具有一定范围的波长的扫描光；
b)扫描探头，所述扫描探头具有扫描头和一个或多个光学通道，所述一个或多个光学通道将光传送到所述扫描头并且从所述扫描头传送所述光，每个通道包括：
(i)样本臂，所述样本臂包括用于将扫描光传送到所述样本并且将来自所述样本的散射和背向反射光传送到检测器的光纤；
(ii)参考臂，所述参考臂包括用于传送来自所述波长可调谐光源的参考光的光纤；
(iii)光纤或光纤系统，所述光纤或光纤系统限定所述样本臂或所述参考臂的光路距离；
(iv)检测器，所述检测器根据来自所述样本臂的组合光和所传送的参考光生成输出信号；以及
c)数字化仪，所述数字化仪能够通电以根据所述检测器输出信号生成数字数据并且将所生成的数字数据传递到计算机以供存储或显示。
附图说明
根据本公开的实施方案的以下更具体描述，将明白本发明的前述和其他目的、特征和优点，如附图所示。
附图的元件不一定是相对于彼此按比例绘制的。
图1是示出根据本公开的实施方案的示例性扫频源OCT(SS-OCT)装置的示意图。
图2A示出用于获得B型扫描的扫描操作的示意性表示。
图2B示出用于C型扫描采集的OCT扫描模式。
图3A是示出本公开的具有多个通道的高速口内OCT系统的示意图。
图3B是示出准直、聚焦和扫描来自每个通道的光的部件的示意图。
图3C是示出具有用于观察所成像样本的另外的相机的通道的示意图。
图4A示出使用一维阵列来从多个通道提供输出束的装置的示意图。
图4B示出使用二维阵列来从多个通道提供输出束的装置的示意图。
图5是示出用于在不同深度处扫描多个通道的装置的示意图。
图6是示出用于针对每个样本臂扫描具有不同光学长度的多个通道的装置的示意图。
图7是示出使用光纤阵列和光学切换来扫描感兴趣区域的示意图。
图8A是示出具有光纤参考臂的OCT扫描仪的示意图。
图8B是示出在替代实施方案中具有光纤参考臂的OCT扫描仪的示意图。
图9是示出在多通道系统中使用光纤适配器的示意图。
图10A示出为OCT成像提供参考臂的光纤。
图10B示出使用光纤插芯来限定参考臂OPD的实施方案。
图10C示出具有两个插芯的带套管布置的使用。
图10D示出用于调整OPD的光纤拉锥方法。
图10E示出针对不使用连接器或插芯的实施方案的拉锥。
图10F示出使用光纤拉伸器来调整OPD的实施方案。
图11A是示出具有探头和外部激光器、外部检测器和外部数字化仪的OCT系统的示意图。
图11B是示出具有容纳检测器的探头并且具有外部激光器和外部数字化仪的OCT系统的示意图。
图11C是示出具有容纳检测器和数字化仪的探头并且具有外部激光器的OCT系统的示意图。
图11D是示出具有容纳激光器、检测器和数字化仪的探头的OCT系统的示意图。
具体实施方式
以下是参考附图对示例性实施方案的详细描述，在附图中，相同的附图标记在若干附图中的每一个中标识相同的结构元件。
除非另有规定，否则术语“第一”、“第二”等在它们在本公开的上下文中使用的情况下，不一定表示任何顺序、序列或优先级关系，而仅仅是用于更清楚地将一个步骤、一个元件或一个元件集合彼此区分。
通用术语“扫描仪”涉及可通电以投射光(诸如，宽带近红外(BNIR)光)的扫描光束的光学系统，所述扫描光束通过样本臂引导到牙齿表面并且作为在样本臂中返回的反射和散射光被采集，用于测量与来自用于表面的OCT成像的参考臂的光的干涉。术语“扫描仪”还可是指扫描光学元件，诸如可致动MEMS(微机电系统)扫描仪(诸如，例如可致动MEMS反射镜或反射镜阵列)。术语“光栅扫描仪”涉及朝向沿样本均匀间隔开的位置循序地扫描光的硬件部件的组合，如随后更详细地描述。
在本公开的上下文中，短语“成像范围”涉及在其内OCT测量是可用的有效距离(通常认为是在z轴或A型扫描方向上)。OCT束被认为是在成像范围内处于聚焦状态。图像深度涉及成像范围，但还具有与信号穿透样本牙齿或其他组织相关的另外因素。
以示例的方式，图1的简化示意图示出一种类型的OCT装置(此处是使用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)系统的常规扫频源OCT(SS-OCT)装置100)的部件，所述OCT装置具有由波长滤波器10提供的波长可调谐光源，所述波长滤波器是调谐激光源50的一部分，所述调谐激光源可以是激光超辐射发光二极管(LED)、超连续谱光源或其他类型的宽带光源。例如，对于口内OCT，激光器50可在对应于介于约400nm与1600 nm之间的波长的频率(以波数k来表达)的范围内可调谐。根据本公开的实施方案，以约1300 nm为中心的约60 nm带宽的可调谐范围用于口内OCT。
在图1的设备中，可变调谐激光器50输出穿过的耦合器38并且到达样本臂40和参考臂42。样本臂40的信号穿过循环器44并且被引导用于从手持件或探头46对样本S进行成像。采样信号通过循环器44被引导回并且通过耦合器58被引导到检测器60。参考臂42的信号由可以是反射镜或光导的参考物34引导通过耦合器58到达检测器60。检测器60可使用被配置来消除共模噪声的一对平衡光电检测器。
控制逻辑处理器(控制处理单元CPU)70与调谐激光器50及其可编程滤波器10并且与检测器60进行信号通信。处理器70可控制探头46的扫描功能并且存储获得对扫描信号的线性响应所需的任何校准数据。处理器70获得并处理来自检测器60的输出。CPU 70还与用于命令输入和OCT结果显示的显示器72进行信号通信。
应当注意，图1的扫频源架构仅是一种示例性配置；存在可布置干涉仪部件以提供扫频源OCT成像的多种方式。
用于在OCT系统中获得更高图像采集速度的所提出的策略之一是仅使用高扫掠速率的波长可调谐光源。然而，如先前在背景技术部分中所观察到，问题更为复杂；尝试以更快的扫掠速率进行操作导致成本增加，并且在OCT图像内容的诊断益处和总体质量方面可能产生令人失望的结果。
以另外的背景的方式，图2A和图2B给出如由探头46执行的OCT扫描模式的概述。在扫描序列中的每个点处，OCT设备执行A型扫描。A型扫描的线性连续然后形成B型扫描，对应于如图所示的x轴方向。并排的连续B型扫描行然后形成提供样本S的3D OCT图像内容的C型扫描。
图2A示意性地示出在每个A型扫描期间采集的信息。在所示示例中，用于获得每个B型扫描图像的扫描信号具有两个线性部分：在此期间扫描反射镜被驱动以将采样束从开始位置引导到结束位置的扫描部分92和在此期间扫描反射镜恢复到其开始位置的回归扫描93。干涉信号88(示出为移除DC信号内容)在每个点82的时间间隔内采集，其中所述信号随扫掠所需的时间间隔变化，其中所采集的信号指示因组合来自干涉仪的参考臂和反馈样本臂(图1)的光而生成的光谱干涉条纹。傅立叶变换FFT针对每个A型扫描生成变换T。在图2A中以示例的方式示出对应于A型扫描的一个变换信号。
根据以上描述，可理解，在单个B型扫描序列内采集了大量数据。为了高效地处理此数据，使用快速傅立叶变换(FFT)来将基于时间的信号数据变换为对应的基于频率的数据，从而可更容易地生成图像内容。
在傅立叶域OCT中，A型扫描对应于生成一条深度(z轴)解析OCT信号线的一条光谱采集线。B型扫描数据沿对应的扫描线生成2-D OCT图像。
光栅扫描用于通过在C型扫描(y轴)方向上递增光栅扫描仪90的采集来获得多个B型扫描数据。这在图2B中示意性地表示，图2B示出使用A型、B型和C型扫描数据生成3-D体积信息的方式。
在每个A型扫描点82处使用的波长或频率扫掠序列可根据通常使用的升序或降序波长序列进行修改。可替代地使用任意波长测序。在对于OCT的某些特定具体实施可能有用的任意波长测序的情况下，仅提供可用波长的一部分作为每个扫掠的结果。在任意波长测序中，每个波长可以任意序列次序随机选择，以便在单个扫掠期间用于OCT系统。A型扫描点82可相对于x轴彼此均匀地间隔开，从而沿任何B型扫描图像在相邻点82之间提供基本上相等的x轴距离。类似地，每个B型扫描的扫描点82的线之间的距离相对于y轴可以是均匀的。x轴间隔可与y轴间隔不同；替代地，沿所扫描表面的这些正交轴的间隔可以是相等的。
对于常规OCT方法，图像采集速度与扫掠速率和数字化仪能力的因素有关。更快的扫掠速率进而可允许改进A型扫描频率，但代价是噪声更高。在更高的采集速率下还需要高速数字化部件，但实现所需性能的部件成本会显著增加。因此，扫描速度和总体OCT性能存在可能限制OCT在诊疗椅边的诊断和治疗中的使用的一些实际限制。
本公开的图3A所示意性地示出的实施方案通过将多通道方法用于牙科OCT扫描和数据采集来解决图像采集速度的问题以及增加成像范围的需要。参考图3A的示意图，示出本公开的具有共享共同扫描头的多个通道的示例性高速口内OCT系统150。为了增加扫描速度量，通道数量N可以是两个、三个或四个，诸如通向扫描头120的四个通道20a、20b、20c和20d，如图3A所示。另外，遵循本文针对四个通道所述的总体模式，可使用五个或更多个通道。探头46内的扫描仪90将多个通道中的源自扫频波长激光源50的光引导到牙齿或其他样本S。
如图3A所示，光纤耦合器27将激光的一小部分分离到马赫-曾德尔干涉仪MZI 28。来自MZI的干涉光由光电检测器和另外的电路30收集以提供K时钟(K触发)信号，所述K时钟信号是具有在时间上定义的相等波数间隔的定时控制触发器。给定这些信号的相等间隔，利用K时钟定时采样的OCT信号在波数空间中是线性的。替代地，可使用来自MZI 28的干涉信号将OCT信号重新采样到线性波数空间中。(马赫-曾德尔干涉(MZI)信号的零交叉可用于生成K触发信号，以促进SS-OCT信号的采集)。扫频源激光器50的光输出的大部分通过分离器32(诸如，PLC(平面光波电路)分离器)馈入到多通道系统中以用于OCT成像。在每个通道中，光照射光纤干涉仪，所述光纤干涉仪具有循环器44和将光分离到参考臂42和样本臂40(图1)中的90/10光纤耦合器38。所述系统可任选地包括另外的检测器和光学部件以提供偏振敏感光学相干层析。每个通道引导光通过探头46到达扫描头120。
图3B示出探头46的部件，所述部件准直、聚焦和扫描来自四个通道20a、20b、20c和20d中的每一个的光。如图3B的示意图所示，多通道采样臂与可用于口内或口外成像的扫描仪手持件(即探头46)内部的光纤阵列54连接。可变波长光的连接可通过带状光纤(未示出)进行。光纤阵列54以期望节距精确地对准光纤芯。光从光纤阵列穿过准直透镜L1并且到达MEMS(微机电系统)扫描仪52。然后，所扫描的光穿过聚焦透镜L2，如图3B所示。此所聚焦的光从第一折叠反射镜表面56和第二折叠反射镜表面86反射并被引导到样本S。多个点以期望间隔聚焦在样本S表面上；每个点来自多个通道20a、20b、20c和20d中的一个。
如图3C的示意图所示，探头46可任选地包括其他部件，诸如例如用于获得颜色信息或协助探头移动的相机62。在使用相机62的情况下，表面56可以是二向色表面，所述二向色表面经处理以反射用于OCT扫描的IR光并且将可见光传输到相机62。相机可替代地相对于光轴OA以倾斜角度设置；以示例的方式，图4中示出相机62'(其可以是第二相机或唯一的相机)的替代位置。
探头46内的光纤阵列54可具有多个不同配置。图4A示出成行布置为一维(1D)阵列的光纤阵列54，所述光纤阵列同时从每个通道20a、20b、20c和20d提供输出束。1D阵列配置可用于将所扫描的束引导到多个点，所述多个点在目标样本S上对准。以此方式对N个照明束的扫描可用于生成N个相邻子图像，所述子图像在图4A的四通道示例中被示出为子图像76a、76b、76c和76d。然后，可使用处理软件将沿扫描线的N个相邻图像拼接在一起。
在利用使用图4A布置的一维光学阵列进行扫描时，视场(FOV)被划分成多个条带。来自通道的每个聚焦点仅扫描FOV的一个小子区域。来自样本处的每个聚焦点的反射光由探头46的光学器件收集，并且被导引到每个通道的采样臂。来自样本臂40和参考臂42(图1)的光束通过50/50耦合器58在检测臂中重新组合。所形成的干涉条纹由平衡光电检测器或检测器60中的其他机构检测。来自平衡光电检测器60的模拟信号可由数据采集卡进行数字化。来自每个通道的图像体积可使用OCT重建算法来生成。最后，完整扫描图像体积的重建可通过将不同子图像体积拼接在一起来形成。
图4B示出使用2×2光纤阵列54来扫描FOV的替代布置。此布置将子图像内容生成为用于拼接的图像的阵列。
由于每个通道扫描视场的仅一部分，因此与单通道系统相比，多通道系统可实现快得多的速度。使用N个通道同时扫描，可在常规单通道布置所需时间的1/N内扫描完整的FOV。
因为源激光输出分离在N个通道之间，所以需要增加一定的激光功率以便提供多通道OCT成像能力。根据本公开的实施方案，使用40 mW激光器来驱动四个通道，其中输出功率被细分为在每个通道中提供10 mW。
一般来讲，为了实现相同的扫描速度，N通道系统中的扫频激光源仅需要单通道系统中所使用的扫掠速率的1/N。扫掠速率的降低相应地降低数据采集卡的数字化速度要求，这可大大降低系统成本。
为了实现相同的成像范围，多通道系统中的OCT信号的频率fOCT可比单通道系统中所使用的频率低得多。fOCT可如下表达：
其中：Δλ是激光光谱的带宽；
λ是中心波长；
Z是成像范围；
α是激光器的占空比；并且
fs是扫频激光源的频率。
由于在N通道系统中，OCT信号的频率仅为单通道系统中所使用的频率的1/N，因此数字化仪可以更低的采样速率进行操作。因此，N通道设计既可降低成本，又可降低系统噪声。替代地，如果用于单个扫描仪OCT探头的相同高速数字化仪在N通道系统中使用，则可以多达N倍的成像范围改进性能。
可变范围扫描
多通道系统还能够在不影响采样速率的情况下扩展扫描仪的有效成像范围。通过在参考臂或采样臂中引入另外的光程差(OPD)，来自每个通道的束可扫描目标的不同范围，如图5所示意性地示出。当使用N通道系统时，所述范围可扩展N倍。然而，与其他布置相比，此配置可降低扫描速度，因为每个通道需要扫描整个视场。
通过同时扫描N个通道并且使用图像处理来将单独通道的图像内容拼接在一起，本公开的实施方案可并行处理对应图像内容并且显著减少在给定样本区域之上和在期望扫描范围处进行OCT成像所需的总体扫描时间。
同时多通道扫描，其中每个通道在不同范围处扫描，有效地扩展了可从OCT扫描仪获得的总体成像范围。图5的扫描布置示意性地示出根据本公开的实施方案的在通道内的可变范围可在所述通道的干涉测量子系统内实现的方式。通过分别改变每个通道中的参考臂或路径42和样本臂或路径40(图1)的相对光路长度，可修改每个单独通道在z方向上的扫描范围。
在每个通道的干涉测量系统内，参考臂42通常包括某种类型的反射镜或其他反射表面。光朝向反射表面行进并从所述反射表面返回的距离(即，参考臂的光路延迟)直接涉及在所采样的材料内的特定范围。因此，通过调整反射或背向散射材料与干涉测量组合部件之间的光学距离，从样本内的可变深度返回的光有助于检测信号。
图5中未示出的用于在不同范围处进行扫描的替代方法改变每个通道的样本臂的光路延迟。
用于改变光路延迟的方法可包括：在沿光路的两点之间添加一定长度的光纤；添加光学拉伸器；或者使用光纤准直器和可移动反射器或光纤拉伸器来添加可变光纤延迟线；或者将光导或其他更高或更低折射率的透射特征添加到光程中。
添加光学切换
图6展示通过将光学开关添加到每个通道来扩展成像范围并且获得各种扫描模式的灵活方式，其中光学开关选择不同光路长度的替代光路。为了示例起见，示出用于两个通道20a和20b的两个光学开关66a和66b；N通道配置中的另外的通道也可遵循相同模式进行切换。还应当注意，根据本公开的实施方案，不同切换模式可用于使用扫掠扫描激光信号同时扫描不同区域和不同范围。因此，在图6所示意性地表示的四通道配置中，每个通道可被切换为扫描到其目标样本区域之上的第一范围。然后，可将切换布置改变为扫描到样本的对应区域之上的第二范围。可为每个通道提供多个开关位置，从而实现任何一个或多个通道的多个光路延迟，以及因此多个扫描范围。此序列可以最小运动伪影实现较大且自适应的成像范围。
可容易地看出，使用如图6所表示的具有多个扫描通道的切换延迟布置允许OCT扫描装置在不牺牲扫描速度的情况下扩展并自适应成像范围。可变范围扫描的实施方式还可用于适应表面轮廓的变量，诸如牙齿的形状和轮廓特征以及其他口内特征的突然转变。高速切换器可容易地改变两个或更多个扫描体积之间的范围设定，这提供实时范围自适应的能力。
ROI扫描
多通道OCT系统还可提供自适应感兴趣区域(ROI)扫描的选项。图7示出用于这种ROI扫描的配置，其中矩阵光学开关68和2-D光纤阵列54与扫描仪系统集成。使用矩阵开关68的能力，来自多个通道的入射光被重新分布到FOV中的多个子区域。组合的子区域在视场内限定感兴趣区域(ROI)。此配置可有效地使用光来对特定感兴趣特征进行高速成像。选择性地塑造扫描区域的能力可大大减少采集用于重建和存储的数据量。
另外，如先前关于图5和图6所述，通过选择性地将ROI与可调整范围扫描相组合，本公开的实施方案可有助于在扫描口内表面时提供高度准确的OCT成像结果，而无需大量计算资源和时间。
为了解决如先前在背景技术部分中所指出的成本、占用空间、复杂性、参考臂调整和调谐的可靠性以及参考臂的高插入损耗的问题，本公开的实施方案提供替代的全光纤配置。所述全光纤配置仅通过在光纤内传送的光来限定参考光路距离。与常规干涉测量设计相比，无需反射镜或其他参考反射表面；由光纤限定的光路距离用于提供参考信号。除与尺寸、重量、成本和复杂性相关的优点之外，本申请人的方法还可有助于为多通道以及单通道实施方案中的OCT扫描仪图像采集提供改进的稳定性、减少的通道漂移以及增强的图像质量。
本申请人的方法通过使用被配置用于所需的光路距离的光纤取代已投入使用的常规机械调整设备的光纤来简化参考臂的调谐过程。使用根据光路长度选择和优化的一组预制光纤适配器中的一个使适当耦合的光纤的使用成为可能。
图8A示出根据实施方案的单通道OCT扫描仪20的部件。光纤长度的规格可使用校准布置通过相同通道来提供，其中探头46在已知距离d内被引导到样本106，所述样本是平坦反射镜或其他高度反射平坦参考表面。参考图8A的示意图，OCT通道20具有将来自激光源50的光引导到采样臂40和参考臂42中的分离器101。循环器44将光引导到手持件(即探头46)，所述手持件收集来自样本的散射光并且引导所收集的光通过分离器102以与来自参考臂42的光产生干涉并在平衡检测器117处感测，如图所示。参考臂42包括光纤适配器160，所述光纤适配器被配置用于参考臂42与样本臂40之间的光路距离匹配，以便实现零光路长度差(OPD)。光纤适配器160具有被选择用于提供正确OPD的一定长度的光纤；实际上，可提供一组标准的预制光纤适配器160，使得测试人员能够测量和测试一个或多个光纤长度中的每一个＝，以便识别用于安装到特定扫描设备中的最佳候选者。替代地，可切割特定的光纤长度。在图8A所示的实施方案中，由参考臂42和样本臂40组成的光纤干涉仪位于手持件46的外部。聚焦深度的开始或者零(0)平面位于手持件输出端处，如图所示。
根据本公开的实施方案，完整的参考臂42和样本臂40可封装在手持件46内；替代地，OCT通道20的很大部分可容纳在手持件46内，如随后更详细地描述。
将光纤切割成一定长度可为光路距离提供一种类型的“粗”调整。然后，本公开的实施方案可作为光纤适配器160的一部分为OPD提供另外的微调调整。
如图8A进一步所示，光纤适配器160具有带有套管103的一个或多个光学连接器104，所述套管用于保护与配对参考臂连接器105的连接。
每个通道的光纤适配器160可作为制造/最终组装的一部分被指定并测试。根据实施方案，已知折射率的预制光纤适配器160安装在通道的参考臂42上。然后，可在距手持件的特定距离处扫描测试目标(诸如平坦反射镜)。通过测量反射镜响应在OCT信号中的位置，可利用校准良好的系统获得光路长度信息。利用光纤的折射率信息，可计算所需调整量。然后，可使用所获得的光路长度信息来计算所需调整量。在光纤适配器160上使用调整螺钉或其他特征可对光路长度匹配进行增量调整。期望OPD可通过基于所计算的OPD的调整来实现。替代地，所述调整可在实时监测OCT信号的同时手动或自动执行。
可分析OCT信号或其他干涉测量信号以确定样本臂与参考臂之间的OPD，使得可计算最佳参考距离。然后，可根据需要调整所安装的光纤适配器160，以便提供适当的光路长度。替代地，可制造、安装、测试和调整具有略长或略短长度的所调整的适配器160，以便提供参考臂的所需光路长度。可重复测试和调整，直到结果在可接受的公差范围内为止。
除参考臂之外，光纤适配器160还可用于OCT系统的其他部分中，如图8B的采用多个光纤适配器的示例所示。例如，光纤适配器160还可用于样本臂40中。实际上，光纤适配器160可位于所示位置中的至少一个或其组合中。
图9的示意图示出光纤适配器160与多通道OCT扫描仪52一起使用，每个通道20a、20b、20c、20d各一个光纤适配器。在此多通道实施方案中，每个通道的干涉仪部件被示出为位于探头46外部；优选地，光纤部件容纳在探头46内。
图10A至图10F示出用于提供可有助于向参考臂42或样本臂40提供正确光路长度的光纤适配器160的多种光纤适配器布置和技术。图10A示出具有适当长度的光纤段202以匹配参考臂42和样本臂40的光路长度的光纤组件200。在组件200的每个端部处使用连接器210，以将此光纤段与系统的其余部分结合。实际上，难以精确地设定光纤段202的长度的尺寸。然而，在扫描仪制造中，配置具有类似长度的多个光纤段202并且针对特定扫描仪找到一个“最佳配合”匹配是可行的。
图10B示出比图10A所示的实施方案更准确的实施方案，其更适合于较短的光路长度尺寸。光纤插芯220具有嵌入式光纤段222，所述嵌入式光纤段提供准确度在几微米内的光路长度，所述光路长度通过抛光光纤插芯组件的端部来获得。混合光纤适配器160可使用图10A的光纤段202与图10B的插芯220的组合来形成。
图10C示出具有两个较小插芯232的光纤组件230，每个插芯具有嵌入式光纤段234。两个插芯232连接在管或套管236内。在制造期间，插芯232首先以适当的间距固定到套管236，使得插入到两个插芯中的光纤段234可匹配光路长度。根据需要，组件230的总体长度可通过改变插芯232与光纤234长度之间的距离或者通过抛光组件230的端部来调整，以实现所需光路长度。
图10D示出使用拉锥以小增量加长光路长度的方式。在拉锥过程中，夹持光纤段202的端部并且将光纤保持拉紧。然后，在加热中心部分的同时，可将所夹持的端部慢慢拉开，从而延长光纤长度。光纤拉锥可在有或没有光纤适配器160的情况下在采样臂40或参考臂42中的任何光纤段上执行。在拉锥过程期间可实时监测OCT信号，以便有助于微调改变OPD的拉伸过程。
图10E示出在没有插芯或连接器的情况下使用拉锥工具来拉伸光纤段202本身。替代地，任何光纤段都可通过机械光纤拉伸器来拉伸，如图10F所示。
图11A、图11B、图11C和图11D示出包括光纤干涉测量系统400的探头46的不同配置。在所示实施方案中的每一个中，相比常规应用情况具有更少光学部件和更短光纤长度的紧凑型光纤干涉测量系统400可完全容纳在手持件(即探头46)内。紧凑型光纤干涉测量系统400可由用于单通道OCT扫描仪的单个干涉仪或用于多通道OCT扫描仪的多个干涉仪组成，如图9所示。安装在探头(未示出)的内部或外部的辅助马赫-曾德尔干涉仪(MZI)可用于生成k时钟信号或用作数值k空间重新采样的参考信号。MZI或光纤干涉测量系统400可集成在平面光波电路(PLC)上，这可进一步减小尺寸。
在图11A中，扫频源激光器50的输入在手持件探头46外部生成并通过光纤电缆404传送到探头46。样本臂的输出被传送到光纤准直器406。然后，准直的输出光进入扫描仪410并且穿过聚焦透镜412到达折叠反射镜414，所述折叠反射镜将扫描束重新引导到牙齿或其他样本S。从样本S返回的散射光作为采样光传送到干涉测量系统400。输出信号通过电缆418被引导并且到达平衡检测器420。然后，检测器420的结果被提供到数字化仪830和计算机PC以供重建和显示。
图11B示出更紧凑的OCT系统，其中探头46还容纳平衡检测器420。对于多通道OCT扫描仪系统，平衡检测器420由平衡检测器阵列组成，每个平衡检测器从每个干涉仪接收输出信号。检测器420与外部数字化仪430之间的通信可以是有线的(通过如图所示的电缆418)或无线的。图像质量不受光纤弯曲、振动、拉伸或其他处置影响。因此，使用图11B的其中平衡检测器420和光纤系统400封装在探头46内的设计，连接到手持件的电缆数量连同光学引擎的尺寸一起减少。
图11C示出其中数字化仪430容纳在探头46内的实施方案。探头46与外部PC之间的通信可以是有线的或无线的。
图11D示出其中数字化仪430和激光器50两者连同用于信号采集和处理的其他部件都容纳在探头46内的实施方案。探头46与外部PC之间的通信可以是有线的或无线的。
可观察到，图11A至图11D所示的一连串设计可有助于减少手持件所需的电缆数量，并且可进一步减小光学引擎的总体尺寸并且改进系统稳定性。
已具体参考目前所理解的示例性实施方案详细描述了本发明，但应当理解，变型和修改可在本公开的精神和范围内受到影响。
例如，控制逻辑处理器70可以是多种类型的逻辑处理设备中的任何一种，包括计算机或计算机工作站、专用主机处理器、微处理器、逻辑阵列或执行存储的程序逻辑指令的其他设备。用于一个或多个通道的在上文给出的示例性配置中被描述为一种类型的马赫-曾德尔干涉仪的干涉仪可替代地是另一种适当的类型，诸如例如具有适当的部件重布置的迈克尔逊干涉仪。
因此，目前所公开的示例性实施方案在所有方面被认为是说明性的而非限制性的。本公开的范围由所附权利要求书指示，并且在权利要求书的等效物的意义和范围内的所有改变意图涵盖在权利要求书中。
与至少一个示例性实施方案一致，示例性方法/装置可使用具有对图像数据执行的存储指令的计算机程序，所述图像数据从电子存储器访问。如图像处理领域的技术人员可理解，本文的示例性实施方案的计算机程序可由合适的通用计算机系统(诸如个人计算机或工作站)利用。然而，许多其他类型的计算机系统可用于执行所描述的示例性实施方案的计算机程序，包括例如一个或多个联网处理器的布置。
用于执行本文所述的某些示例性实施方案的方法的计算机程序可存储在计算机可读存储介质中。此介质可包括例如：磁存储介质，诸如磁盘(诸如硬盘驱动器)或可移除设备或磁带；光存储介质，诸如光盘、光带或机器可读光编码；固态电子存储设备，诸如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)；或用于存储计算机程序的任何其他物理设备或介质。用于执行所描述的实施方案的示例性方法的计算机程序还可存储在以互联网或其他网络或通信介质的方式连接到图像处理器的计算机可读存储介质上。本领域技术人员将进一步容易地认识到，这种计算机程序产品的等效物还可在硬件中构建。
应当注意，在本申请的上下文中等效于“计算机可访问存储器”的术语“存储器”可以是指用于存储和操作图像数据并且可由包括例如数据库的计算机系统访问的任何类型的临时或更持久的数据存储工作空间。存储器可以是非易失性的，其使用例如长期存储介质，诸如磁存储装置或光存储装置。替代地，存储器可具有更易失的性质，其使用电子电路，诸如由微处理器或其他控制逻辑处理器设备用作临时缓冲区或工作空间的随机存取存储器(RAM)。例如，显示数据通常存储在临时存储缓冲区中，所述临时存储缓冲区可直接与显示设备相关联并且根据需要定期刷新以便提供所显示的数据。当此临时存储缓冲区在本申请中使用时，所述术语还可被认为是存储器。存储器还用作用于执行和存储计算和其他处理的中间结果和最终结果的数据工作空间。计算机可访问存储器可以是易失性的、非易失性的、或易失性类型和非易失性类型的混合组合。
应当理解，用于本文的示例性实施方案的计算机程序产品可利用众所周知的各种图像操纵算法和/或过程。将进一步理解，本文的示例性计算机程序产品实施方案可体现对实施方式有用的未在本文中具体示出或描述的算法和过程。此类算法和过程可包括在图像处理领域的普通技术人员能力内的常规实用程序。此类算法和系统以及用于产生和以其他方式处理图像或与本发明的计算机程序产品协同操作的硬件和/或软件的另外方面未在本文中具体示出或描述，并且可选自本领域已知的此类算法、系统、硬件、部件和元件。
根据本申请的示例性实施方案可(单独地或组合地)包括本文所述的各种特征。
虽然已关于一个或多个实施方式对本发明进行说明，但可在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下对所示示例进行更改和/或修改。此外，虽然可能已关于若干实施方式/示例性实施方案中的仅一个对本发明的特定特征进行公开，但这种特征可与其他实施方式/示例性实施方案的如对于任何给定或特定功能可能是期望和有利的一个或多个其他特征相组合。
术语“一个”或“中的至少一个”用于意指可选择所列举项中的一个或多个。术语“约”指示所列举的值可略有更改，只要所述更改不导致过程或结构与所示示例性实施方案不符即可。
根据对本说明书的考虑和本文所公开的本发明的实践，本领域技术人员将明白本发明的其他实施方案。本说明书和示例意图被认为仅是示例性的，其中本发明的真实范围和精神由以下权利要求书指示。

Claims (14)

1.一种用于对样本进行成像的光学相干层析扫描仪，所述光学相干层析扫描仪包括：
a)波长可调谐光源，所述波长可调谐光源被配置来生成具有一定范围的波长的扫描光；
b)扫描探头，所述扫描探头具有扫描头和一个或多个光学通道，所述一个或多个光学通道将光传送到所述扫描头并且从所述扫描头传送所述光，每个通道包括：
(i)样本臂，所述样本臂包括用于将所述扫描光传送到所述样本并且将来自所述样本的散射和背向反射光传送到检测器的光纤，
(ii)参考臂，所述参考臂包括用于从所述波长可调谐光源传送参考光的光纤，
(iii)光纤或光纤系统，所述光纤或光纤系统限定所述样本臂或所述参考臂的光路距离，
(iv)检测器，所述检测器根据来自所述样本臂的组合光和所传送的参考光生成输出信号；以及
c)数字化仪，所述数字化仪能够通电以根据所述检测器输出信号生成数字数据并且将所生成的数字数据传递到计算机以供存储或显示。
2.如权利要求1所述的光学相干层析扫描仪，其中所述扫描头被配置用于口内扫描。
3.如权利要求1所述的光学相干层析扫描仪，其中所述样本臂、所述参考臂和所述光纤或光纤系统容纳在所述扫描探头内。
4.如权利要求3所述的光学相干层析扫描仪，其中所述检测器也容纳在所述扫描探头内。
5.如权利要求3所述的光学相干层析扫描仪，其中所述波长可调谐光源容纳在所述扫描探头内。
6.如权利要求1所述的光学相干层析扫描仪，其中所述扫描探头是手持式探头。
7.一种用于采集光学相干层析信号的方法，所述方法包括以下步骤：
将光从波长可调谐光源引导到：
(i)样本臂，所述样本臂包括被配置来将所述光传送到样本并且将从所述样本返回的散射和背向反射光传送到检测器的光纤，
(ii)参考臂，所述参考臂包括用于从所述波长可调谐光源传送参考光的光纤，以及
(iii)光纤系统，所述光纤系统限定所述样本臂或所述参考臂的光路距离；
根据从所述样本臂和所述参考臂返回的所述光之间的干涉生成信号；
根据所述检测器输出信号生成数字数据并且将所生成的数字数据传递到计算机；以及
存储或显示根据所生成的数字数据形成的所述光学相干层析图像。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述光纤系统包括用于匹配所述参考臂到所述样本臂的所述光路距离的一个或多个预制光纤适配器或可调整光纤适配器。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述光纤适配器是具有特定光路长度的光纤。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述光纤适配器包括具有嵌入式光纤段的插芯。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述光纤适配器包括两个或更多个插芯和一个连接管或套管。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述光纤适配器包括光纤拉伸器。
13.如权利要求9所述的方法，其中一个或多个光纤长度中的至少一个被拉锥以调整光路长度。
14.如权利要求7所述的方法，其中所述样本包括口内特征。
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