CN117838051A - 一种扫频oct系统用扫描探头及扫频oct系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于扫描探头技术领域，公开了一种扫频OCT系统用扫描探头及扫频OCT系统，手柄前端通过连接管连接有2轴MEMS微镜；手柄后端嵌装有光电接口，所述光电接口通过光纤线路连接有分光复用器。本发明根据光谱带宽越大对应轴向分辨率越大，确定采用的光谱带宽，进而验证空气中理论轴向分辨率；根据越高的扫频速率对应越短的轴向扫描时间，以更加符合临床需要为目标，扫频OCT系统成像迅速，以达到术中实时成像目标。本发明采用K‑trigger信号模式，采集的干涉光谱数据无需再进行光谱标定，从而提高系统精度和成像速度。采用对比分析的方法，建立探索快速、精确地获取高散射性生物组织，即脑胶质瘤和瘤周非肿瘤脑组织的光学参数的物理模型和算法。
Description
技术领域
本发明属于扫描探头技术领域，尤其涉及一种扫频OCT系统用扫描探头及扫频OCT系统。
背景技术
目前，外科手术在神经系统肿瘤的治疗起主导作用，术中对于肿瘤边界的准确判定有助于提升手术的安全性及有效性。目前常用的术中神经系统肿瘤边界判定的相关辅助技术，如术中磁共振、术中荧光、术中超声、术中导航、术中冰冻等，都存在各自的缺陷。相干层析成像(OCT)技术因具备无创、无辐射、无接触、分辨率高、免造影剂、实时扫描、低成本等特性及优势，使其具有应用于神经系统肿瘤边界探测及判定的潜力。
依据低相干干涉理论和傅立叶变换等原理建立扫频OCT系统理论模型。相干光干涉成像技术(OCT)的原理是利用光的红外光波段照射在组织中，可能被反射、吸收、透过，通过检测与显示反射光的信号特征，以反映组织特性。相干近红外光被含氢基团—NH、—OH、—CH振动倍频和合频吸收，吸收表现了分子的振动与振动吸收的加和，组织细胞基团中分子结构的不同，红外吸收光谱就有细微的差异，并可据此显示出分子光谱特征，可以作为组织细胞基团中存在某种特征基团的旁证。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
1.限制成像深度：相干层析成像(OCT)技术的成像深度受到光的衰减和散射的影响，因此可能存在成像深度限制的问题。对于深部肿瘤的探测和判定，可能需要使用其他成像技术的协同，以提高成像深度和精度。
2.受到组织类型和结构影响：相干层析成像(OCT)技术的成像效果受到组织类型和结构的影响，例如脂肪和骨头等组织会对光的传播和反射产生较大影响，影响成像效果。因此，在实际应用中需要综合考虑组织类型和结构等因素，以选择合适的成像模式和技术参数。
3.需要精准控制成像位置和角度：相干层析成像(OCT)技术需要精准控制成像位置和角度，以保证成像质量和准确性。在实际应用中，可能需要借助其他成像技术的辅助，如术中导航等，以实现精准控制成像位置和角度。
4.需要处理大量的数据和图像：相干层析成像(OCT)技术产生的数据和图像量较大，需要进行大量的数据处理和图像分析。因此，在实际应用中需要配备高效的数据处理和图像分析系统，以快速准确地分析和识别肿瘤边界。
5.系统成本较高：相干层析成像(OCT)技术的系统成本相对较高，可能会限制其在临床应用中的推广和普及。因此，需要进一步研究和优化技术，以降低系统成本和提高应用效益。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种扫频OCT系统用扫描探头及扫频OCT系统。
本发明是这样实现的，一种扫频OCT系统用扫描探头，所述扫频OCT系统用扫描探头包括：
手柄；
所述手柄前端通过连接管连接有2轴(微电子机械系统)MEMS微镜；
所述手柄后端嵌装有光电接口，所述光电接口通过光纤线路连接有分光复用器。
进一步，所述2轴MEMS微镜的光电连接线在连接管中间穿过，并与光电接口相连。
进一步，所述2轴MEMS微镜包括电子模块和光模块；
所述电子模块包括激光驱动单元和MEMS驱动单元；
所述光模块包括半导体制冷器和K时钟触发器。
进一步，所述2轴MEMS微镜的输出激光主波长1310±30nm，光谱带宽100nm，扫频频率50/100kHz，输出峰值功率为≤40mW。
进一步，所述连接管包括硬性连接段和柔性连接段，所述硬性连接段采用医用硬性金属材料或有机材料制作，所述柔性连接段采用医用金属弹性材料或医学兼容有机材料制作。
本发明的另一目的在于提供一种扫频OCT系统，所述扫频OCT系统设置有所述的扫频OCT系统用扫描探头，所述扫频OCT系统包括：
扫频光源，用于发射相干光，经由光纤传输到手柄探头；
光平衡接收器，用于接收信号光和参考光；
AD转换器，用于进行光信号转换；
嵌入式计算机，用于对整体系统的数据进行处理，并对各个结构的运行进行协调控制；
驱动模块，用于对扫描探头和扫频光源进行逻辑驱动；
电源模块，用于对整体系统进行供电。
进一步，所述扫频光源发射的相干光由分光器将光分解为探测用出射光和用于干涉成像的参考光，出射光经由光波导发射至折射镜、MEMS振镜、最终通过物镜将光照射至脑组织并轴向深入内部。
进一步，所述嵌入式计算机包括时序控制单元、数据采集单元、数据处理单元和图像重建单元。
进一步，所述驱动模块包括手柄MEMS驱动单元和扫频光源驱动单元。
进一步，所述电源模块包括(交流-直流)AC/DC开关电源、DC/DC手柄MEMS电源和DC/DC扫频电源，所述AC/DC开关电源分别与DC/DC手柄MEMS电源和DC/DC扫频电源连接，所述DC/DC手柄MEMS电源分别与驱动模块和光平衡接收器连接，所述DC/DC扫频电源与扫频光源连接。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
本发明根据光谱带宽越大对应轴向分辨率越大，确定采用的光谱带宽，进而验证空气中理论轴向分辨率。根据越高的扫频速率对应越短的轴向扫描时间，以更加符合临床需要为目标，本发明的扫频OCT系统成像迅速，以达到术中实时成像目标。
本发明对人体离体肿瘤及瘤周非肿瘤组织标本探测OCT值，采用机器学习技术实现对探测图像的识别，最后构建载瘤动物模型验证该系统的有效性及科学性。
本发明采用K-trigger信号模式，利用等波数间隔K-trigger信号采集的干涉光谱数据无需再进行光谱标定，从而提高系统精度和成像速度。采用对比分析的方法，建立探索快速、精确地获取高散射性生物组织，即脑胶质瘤和瘤周非肿瘤脑组织的光学参数的物理模型和算法。
本发明对系统的信噪比、灵敏度、分辨率、成像深度和成像速度等关键性能参数进行分析，分析决定这些关键性能参数的各自因素，获得扫频OCT系统的设计参数，奠定该系统的理论基础。
本发明的优点和技术效果进一步包括：
1)高分辨率成像：相干层析成像(OCT)技术能够实现高分辨率(10-30微米)的成像，可以清晰地显示组织结构和肿瘤边界，提高手术的准确性和安全性。
2)无创、无辐射：相干层析成像(OCT)技术是一种非侵入性的成像技术，不需要进行手术或注射造影剂等操作，对患者没有辐射和损伤。
3)实时扫描：相干层析成像(OCT)技术能够实时扫描，可以在手术过程中对组织结构进行实时探测和分析，提高手术的效率和安全性。
4)低成本：相干层析成像(OCT)技术相对于其他成像技术，具有较低的成本和较小的设备体积，可以方便地集成到手持设备中，便于现场应用。
本发明提供的扫频OCT系统采用嵌入式计算机对数据进行处理和分析，能够实现快速准确的数据处理和图像分析，对组织结构的成像和肿瘤边界的探测和判定具有较高的准确性和可靠性。同时，嵌入式计算机具有体积小、功耗低、运算速度快等优点，可以实现在设备端对数据进行实时处理和分析，减少了数据传输和处理的延迟，提高了系统的反应速度和性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的扫频OCT系统用扫描探头的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的2轴MEMS微镜的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的扫频OCT系统的结构框图；
图4是本发明实施例提供的一例胶质瘤标本组织的OCT扫描表面图；
图5是本发明实施例提供的一例胶质瘤标本组织的OCT扫描灰度图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的扫频OCT系统用扫描探头中的手柄前端通过连接管连接有2轴MEMS微镜；所述手柄后端嵌装有光电接口，所述光电接口通过光纤线路连接有分光复用器。
本发明实施例中的2轴MEMS微镜的光电连接线在连接管中间穿过，并与光电接口相连。
本发明实施例中的2轴MEMS微镜的输出激光主波长1310±30nm，光谱带宽100nm，扫频频率50/100kHz，输出峰值功率为≤40mW。
本发明实施例中的连接管包括硬性连接段和柔性连接段，所述硬性连接段采用医用硬性金属材料或有机材料制作，所述柔性连接段采用医用金属弹性材料或医学兼容有机材料制作。
如图2所示，本发明实施例中的2轴MEMS微镜包括电子模块和光模块；
所述电子模块包括激光驱动单元和MEMS驱动单元；
所述光模块包括半导体制冷器和K时钟触发器。
如图3所示，本发明实施例中的扫频OCT系统包括：
扫频光源，用于发射相干光，经由光纤传输到手柄探头；
光平衡接收器，用于接收信号光和参考光；
AD转换器，用于进行光信号转换；
嵌入式计算机，用于对整体系统的数据进行处理，并对各个结构的运行进行协调控制；
驱动模块，用于对扫描探头和扫频光源进行逻辑驱动；
电源模块，用于对整体系统进行供电。
本发明实施例中的扫频OCT系统工作原理如下：
1)扫频光源发射相干光，经由光纤传输到手柄探头。
2)2轴MEMS微镜被电子模块驱动，使其能够进行扫描操作。激光驱动单元控制激光的发射，MEMS驱动单元控制MEMS微镜的运动。
3)经过扫描的相干光被手柄探头中的探测器接收，与参考光进行干涉，产生光信号。
4)光平衡接收器接收光信号和参考光，并将其输出到AD转换器。
5)AD转换器对光信号进行转换，并输出数字信号。
6)嵌入式计算机对数字信号进行处理和分析，得到组织结构的信息。
7)驱动模块对扫描探头和扫频光源进行逻辑驱动，控制其运行和扫描范围。
8)电源模块为整个系统提供供电。
通过以上步骤，相干层析成像(OCT)技术能够实现对组织结构的高分辨率成像，从而对神经系统肿瘤的边界探测和判定提供有力支持。
本发明实施例中的扫频光源发射的相干光由分光器将光分解为探测用出射光和用于干涉成像的参考光，出射光经由光波导发射至折射镜、MEMS振镜、最终通过物镜将光照射至脑组织并轴向深入内部。
本发明实施例中的嵌入式计算机包括时序控制单元、数据采集单元、数据处理单元和图像重建单元。
本发明实施例中的驱动模块包括手柄MEMS驱动单元和扫频光源驱动单元。
本发明实施例中的电源模块包括AC/DC开关电源、DC/DC手柄MEMS电源和DC/DC扫频电源，所述AC/DC开关电源分别与DC/DC手柄MEMS电源和DC/DC扫频电源连接，所述DC/DC手柄MEMS电源分别与驱动模块和光平衡接收器连接，所述DC/DC扫频电源与扫频光源连接。
本发明的工作原理是：通过对波列的精确控制，实现主频波长为100nm的频宽调节，以1nm为单位线宽检测步进光谱，实现微米级相干分辨率的光谱识别。在单位时间内完成一束波列对组织的深度各点探测，同步取得该波列所对应100nm扫频的深度组织列点位光谱数据，并与同源光进行相干，精确取得对应频谱深度的组织光反射光谱信号，解调该信号以取得相应列位的组织反射光谱特征数据。
计算机向扫频光源发出K时钟触发信号，扫频光源中的相干光(本振光)受控并经由光纤传输到手柄探头，由分光器将光分解为探测用出射光和用于干涉成像的参考光，出射光经由光波导发射至折射镜、MEMS振镜、最终通过物镜将光照射至脑组织并轴向深入内部；被K时钟同时受控的MEMS振镜以X-Y轴规律快速摆动，将相干光通过物镜实现扩束(5mm×5mm，X-Y扫描)照射至所需探测的脑组织上。
OCT最大成像深度，根据计算公式:Lmax∝λ0 2×N/(4n×Δλ)，(λ0:光源波长；Δλ:光谱带宽)。
脑组织经由光吸收、透过等物理作用后将不同深度的携带有组织光吸收特征的反射光原路返回物镜、MEMS振镜、折射镜、光波导、光纤，由光纤分光器入射至光平衡接收器并最终实现与参考光的干涉，光电传感器检测相干干涉场强，最终以模/数转换方式将不同深度脑组织反射光强信号经由快速傅里叶变换为256级数字化信息，在软件程序的支持下通过对肿瘤特异性信号的统计学分析，实现不同深度肿瘤信号与周围正常组织信号的数字化筛选，最终实现微米级边界划分。
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
为了将扫频OCT技术更好的推向颅脑肿瘤探测的临床应用，本发明在识别及分析扫频OCT系统数据及图像重建方法的基础上，通过光谱标定、快速傅里叶变换等过程的算法，基于VC++6.0开发环境完成从数据采集到图像重建全过程的程序编写，并设计良好的成像界面。建立自动显示扫描的表面扫描图，表面实物图如图4所示，深度图，去底噪图，伪彩图，直方增强图，锐化(USM)锐化图，Gamma调节深度图以及深度反色图如图5所示。建立深度及宽度定量坐标轴系统，便于显示OCT探头与标本表面的间距以及探测深度及宽度。建立采样线灰度图显示界面，可显示采集区域灰度信息，如像素值范围大小，实际框选面积大小，总像素点数，可实时计算平均灰度值、最亮灰度值、最暗灰度值、灰度中值，总体标准差值。建立灰度采样线参数调节界面，可修改采样线的厚度以及线间距，采样方式可调整为曲线采样线模式或水平采样线模式。建立将框选区域面积的灰度图导出为灰度定量值Excel文件的相关操作界面。
通过对光谱线宽信号场干涉后(吸收强度)的提取和软件算法转换实现组织分层信息的计算机重新显示。肿瘤组织、瘤周非肿瘤脑组织不同特征组织对光谱光强信号具有不同的反射、吸收、透过特性，从而呈现出不同的灰度值特征及其变化特征。
图4中的A图为一例离体胶质瘤标本(大小约3*4cm)的OCT扫描表面大体观，其上方放置含特制识别码的塑料薄膜，以便于扫描系统自动识别并抓取特定扫描区域(绿色框)。图4中的B图为表面扫描灰度图，带有计算机自动标尺(单位:mm)，便于定位扫描的特定断面。以间隔0.1mm为基准，从一侧向另一侧序贯扫描，其中红色线段代表某一次断层扫描(B-scan)的区域。图4中的C图为表面扫描增强图。图4中的D图为表面扫描原图，可见扫描区域穿过图中的血管区域(箭头)。图4中的E图为表面扫描灰度图，可见肿瘤区域为等-高密度，血管区域呈低密度(箭头)。图4中的F图为表面扫描灰度增强图，可见组织对比度更加明显，肿瘤区域为高密度，血管区域呈低密度(箭头)。
图5中的A图为一例胶质瘤标本扫描区域的表面灰度图，理论扫描区域可达5*5mm。B-H均为深度(B-scan)灰度图，含计算机自动标尺(单位:mm)，显示理论探测深度可达10.95mm，探测宽度为5mm，以便精确定位某一区域。图5中的B为断层扫描的深度(B-scan)灰度图原图，该图显示OCT设备的探头与所探测的标本表面的间距约为3mm。OCT系统自动进行灰度图降噪去除处理，形成深度灰度降噪图，图5中的C图，此类型图像为本发明定性、定量分析组织标本的主要灰度图像类型。图5中的D图为深度灰度Gamma调节图，系统将灰度图进行伽马调节及转换后的图像。图5中的E图为深度直方增强图，将灰度原图中的显示阈值降低，使图像中的显示亮度提升。图5中的F图为深度USM锐化图，即Unsharpen Mask锐化图，基于高斯模糊原理，去除一些噪点等微小的干扰细节。图5中的G图为深度灰度反色图，该图中像素点亮度的设定与灰度原图相反，灰度原图中灰度值越高的像素点在灰度反色图中越低，灰度原图中灰度值越低的像素点在灰度反色图中越高。图5中的H图为深度伪彩图，该图可定深度(每1mm)逐层显示扫描区域(由浅至深分别标记为红色、绿色、黄色等)，便于定量采样、分析灰度值时的深度参照。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种扫频OCT系统用扫描探头，其特征在于，所述扫频OCT系统用扫描探头包括：
手柄；
所述手柄前端通过连接管连接有2轴MEMS微镜；
所述手柄后端嵌装有光电接口，所述光电接口通过光纤线路连接有分光复用器。
2.如权利要求1所述的扫频OCT系统用扫描探头，其特征在于，所述2轴MEMS微镜的光电连接线在连接管中间穿过，并与光电接口相连。
3.如权利要求1所述的扫频OCT系统用扫描探头，其特征在于，所述2轴MEMS微镜包括电子模块和光模块；
所述电子模块包括激光驱动单元和MEMS驱动单元；
所述光模块包括半导体制冷器和K时钟触发器。
4.如权利要求1所述的扫频OCT系统用扫描探头，其特征在于，所述2轴MEMS微镜的输出激光主波长1310±30nm，光谱带宽100nm，扫频频率50/100kHz，输出峰值功率为≤40mW。
5.如权利要求1所述的扫频OCT系统用扫描探头，其特征在于，所述连接管包括硬性连接段和柔性连接段，所述硬性连接段采用医用硬性金属材料或有机材料制作，所述柔性连接段采用医用金属弹性材料或医学兼容有机材料制作。
6.一种扫频OCT系统，其特征在于，所述扫频OCT系统设置有权利要求1～5任意一项所述的扫频OCT系统用扫描探头，所述扫频OCT系统包括：
扫频光源，用于发射相干光，经由光纤传输到手柄探头；
光平衡接收器，用于接收信号光和参考光；
AD转换器，用于进行光信号转换；
嵌入式计算机，用于对整体系统的数据进行处理，并对各个结构的运行进行协调控制；
驱动模块，用于对扫描探头和扫频光源进行逻辑驱动；
电源模块，用于对整体系统进行供电。
7.如权利要求6所述的扫频OCT系统，其特征在于，所述扫频光源发射的相干光由分光器将光分解为探测用出射光和用于干涉成像的参考光，出射光经由光波导发射至折射镜、MEMS振镜、最终通过物镜将光照射至脑组织并轴向深入内部。
8.如权利要求6所述的扫频OCT系统，其特征在于，所述嵌入式计算机包括时序控制单元、数据采集单元、数据处理单元和图像重建单元。
9.如权利要求6所述的扫频OCT系统，其特征在于，所述驱动模块包括手柄MEMS驱动单元和扫频光源驱动单元。
10.如权利要求6所述的扫频OCT系统，其特征在于，所述电源模块包括AC/DC开关电源、DC/DC手柄MEMS电源和DC/DC扫频电源，所述AC/DC开关电源分别与DC/DC手柄MEMS电源和DC/DC扫频电源连接，所述DC/DC手柄MEMS电源分别与驱动模块和光平衡接收器连接，所述DC/DC扫频电源与扫频光源连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410072937.3A CN117838051A (zh) | 2024-01-18 | 2024-01-18 | 一种扫频oct系统用扫描探头及扫频oct系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117838051A true CN117838051A (zh) | 2024-04-09 |
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ID=90538312
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410072937.3A Pending CN117838051A (zh) | 2024-01-18 | 2024-01-18 | 一种扫频oct系统用扫描探头及扫频oct系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117838051A (zh) |
-
2024
- 2024-01-18 CN CN202410072937.3A patent/CN117838051A/zh active Pending
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