CN200953060Y - 基于数字微镜器件的无串扰并行oct成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于数字微镜器件(DMD)的无串扰并行光学相干层析成像(OCT)系统，该系统采用宽带点光源实现面照明。在照明光路中加入一块DMD，并由光学系统设计来保证微镜在样品共轭面上的横向尺度与系统可分辨的样品横向尺度相当。微镜处于+12°角时属于“开”状态，它将照明光源中的对应部分引入干涉系统。通过对DMD编码来改变干涉成像的并行状态，能有效抑制生物体并行成像时所固有的信号串扰现象。采用正弦相位调制技术结合四步积分探测法来提取干涉信号。本实用新型具有编码方式简单高效，信号提取快速且无需图像拼接，可使用大功率光源和系统结构简单等特点。

Description

基于数字微镜器件的无串扰并行OCT成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种抑制并行光学相干层析成像串扰的系统，尤其涉及一种基于数字微镜器件来抑制并行光学相干层析成像串扰的系统。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是近年发展起来的层析成像技术，能实现活体组织结构与生理功能的非接触、无损伤、高分辨率成像，因而在生物医学领域和临床诊断上得到广泛应用，在材料科学和基础研究中也将发挥重要作用。

OCT的并行成像与逐点成像相比，具有以下优点：1、不需要逐点成像那样的快速机械扫描运动，机械稳定性能够得到保证；2、一幅图像中的所有像素点都是同步采集，可以避免由于周期性生命律动等因素造成的假像产生；3、可使用大功率光源；4、能实现快速二维或三维成像，并减小了系统的复杂程度。由于以上原因，并行OCT成像方式在各种场合被广泛采用。

在并行OCT成像系统中，如果面照明是由宽带点光源形成的，则无法避免散射体成像时各并行探测通道间的串扰(cross talk)问题。串扰是一种噪声源，将减小成像对比度、分辨率和最大探测深度，必须加于克服。

采用空间非相干照明，如热光源，可以避免散射体成像时各并行探测通道间的串扰问题，具有系统简单、成本低和轴向分辨率高等优点，但具有光谱能量密度低的局限性。由于热光源为黑体辐射发光体，其辐射能依赖于色温，以目前最常用、色温最高(6000K量级)的汞弧灯为例，它能提供给每一探测点的能量仍小于1μw。太低的能量限制了探测灵敏度和图像采集速度。

因此，并行OCT成像系统的两种照明方式中，由宽带点光源形成的空间相干照明能提供给每一探测点较高的能量，可实现高探测灵敏度和快速图像采集，但在各探测通道间会发生串扰现象；而基于热光源的空间非相干照明虽避免了串扰现象，但其提供给每一探测点的能量很低，限制了探测灵敏度和图像采集速度。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种采用空间相干照明方式时的无串扰并行OCT成像系统。该系统采用数字微镜器件(DigitalMicromirror Device，简称DMD)，通过编码来有效抑制并行OCT成像时的串扰现象。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、基于DMD的无串扰并行OCT成像方法

1)微镜处于+12°角为“开”状态，-12°角为“关”状态；对数字微镜器件按以下方式编码：把微镜按2×2模式分割成子块，每个子块里有4个微镜，分别编号为1、2、3、4，不同子块里对应位置处的微镜给予相同的编号，从而把数字微镜器件的所有微镜按空间位置分成4类：微镜1、微镜2、微镜3和微镜4；所有微镜1同步动作，处于“开”状态时，其余微镜均处“关”状态；依此类推，微镜按编号1-2-3-4逐一处于“开”状态，使样品和参考镜上与之共轭的点被照明；

2)面阵CCD探测器采用2×2像素拼接工作模式；

3)参考臂和样品臂分别对焦后，由参考臂的电控平移台带着参考镜及显微物镜一起轴向位移，进行两干涉臂的光程匹配调节；

4)压电陶瓷驱动器带着参考镜振动，从而在干涉信号中引入频率为f、振幅为ψ、相位为θ的正弦相位调制ψsin(2πft+θ)，此时面阵CCD探测器接收到的干涉信号I(x，y，t)表示为：

         I(x，y，t)＝I₀+A(x，y)cos[φ(x，y)+ψsin(2πft+θ)]；

式中：I₀为干涉信号的常数项，φ(x，y)为初始相位差，A(x，y)则与OCT信号直接相关；

5)在一个调制周期T＝1/f内，微镜按顺序1-2-3-4以频率16f依次触发，持续时间1/16f；面阵CCD探测器以频率4f同步触发，采集四幅图像E₁₁、E₁₂、E₁₃和E₁₄，它们分别为面阵CCD探测器接收到的干涉信号I(x，y，t)在四分之一调制周期内对时间积分的结果，即：

$E_{11}={\∫}_0^{T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$ $E_{12}={\∫}_{T/4}^{T/2}I(x,y,,t)\mathrm{dt},$ $E_{13}={\∫}_{T/2}^{3T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$ $E_{14}={\∫}_{3T/4}^{T}I(x,y,t)\mathrm{dt};$

6)重复步骤5)N次以提高信噪比，并把N次获得的结果求和，得到四幅图像E₁、E₂、E₃和E₄，即：

$E_1=E_{11}+E_{21}+\·\·\·+E_{N1}=N{\∫}_0^{T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$

$E_2=E_{12}+E_{22}+\·\·\·+E_{N2}=N{\∫}_{T/4}^{T/2}I(x,y,t)\mathrm{dt},$

$E_3=E_{13}+E_{23}+\·\·\·+E_{N3}=N{\∫}_{T/2}^{3T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$

$E_4=E_{14}+E_{24}+\·\·\·+E_{N4}=N{\∫}_{3T/4}^{T}I(x,y,t)\mathrm{dt};$

7)把干涉信号I(x，y，t)用n阶第一类贝塞尔函数J_n(ψ)展开，并对步骤6)中的积分式进行运算后，可以建立以下关系式：

         ∑_S＝-E₁+E₂+E₃-E₄＝(4NTπ)Γ_SAsinφ，

         ∑_C＝-E₁+E₂-E₃+E₄＝(4NT/π)Γ_CAcosφ，

式中： ${\mathrm{\Γ}}_S=\underset{n=0}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{J_{2n+1}\left(\mathrm{\ψ}\right)}{2n+1}\sin \left[(2n+1)\mathrm{\θ}\right],$ ${\mathrm{\Γ}}_c=\underset{n=0}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{J_{4n+2\left(\mathrm{\ψ}\right)}}{2n+1}\sin \left[2(2n+1)\mathrm{\θ}\right];$

其中J_2n+1(ψ)为2n+1阶第一类贝塞尔函数，J_4n+2(ψ)为4n+2阶第一类贝塞尔函数；

8)令Γ_S＝Γ_C，则∑_S ²+∑_C ²与A²成正比；当Γ_S取最大值时，∑_S ²+∑_C ²也取得最大值，此时图像有最佳对比度；由前述条件可计算出调制参量ψ和θ值，及此时的Γ_S值；用求得的ψ和θ数值去调整步骤4)中的相位调制信号；

9)按步骤4)至步骤6)进行操作，然后由下式来计算样品的OCT图像：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4\mathrm{NT}{\mathrm{\Γ}}_S}[{(-E_1+E_2+E_3-E_4)}^2+{(-E_1+E_2-E_3+E_4)}^2{]}^{1/2};$

10)计算机控制参考臂的电控平移台带着参考镜及显微物镜一起轴向位移d，改变参考臂光程；设样品的折射率为n，则计算机同时控制样品臂的电控平移台带着显微物镜轴向位移d/n，进行对焦调节，以实现样品不同深度处断面的层析成像；重复步骤9)，可获得样品在该深度处的OCT图像。

二、基于DMD的无串扰并行OCT成像系统

包括宽带点光源、准直透镜、DMD、透镜、宽带分光棱镜、一对相同的显微物镜、参考镜、压电陶瓷驱动器、第一电控平移台、第二电控平移台、成像透镜、面阵CCD探测器；宽带点光源发出的光经准直透镜后平行入射于DMD上，被DMD中处于+12°角“开”状态的微镜反射的光，经透镜和宽带分光棱镜后被分成透射光和反射光：透射光经显微物镜到达参考镜，参考镜固定在压电陶瓷驱动器上，显微物镜和压电陶瓷驱动器固定在第一电控平移台上；反射光经显微物镜到达样品，显微物镜固定在第二电控平移台上；从参考镜反射的光，和从样品反射或后向散射的光沿原路返回到宽带分光棱镜后，经成像透镜入射面阵CCD探测器。

所述的面阵CCD探测器经图像采集与模数转换卡接计算机，DMD用信号线与计算机相连，计算机经多路数模转换卡后输出两路：一路接压电陶瓷驱动器；另一路经步进电机控制器后输出两路，分别接第一电控平移台和第二电控平移台。

从准直透镜2来的平行入射光和数字微镜器件3的法线成24°角，数字微镜器件3中处于+12°角“开”状态微镜的反射光沿法线方向出射。

所述的宽带点光源为空间相干点光源，具体是短脉冲激光光源、超辐射光源SLD/SLED或放大自发辐射光源ASE。

本实用新型与背景技术相比具有的有益效果是：

1、本实用新型采用的宽带点光源为空间相干光源，与空间非相干光源相比，具有更高的光谱能量密度，能为每一探测点提供较高的能量，使得系统具有较高的探测灵敏度和图像采集速度，由于使用空间相干光源照明而引起的串扰现象由DMD通过编码来加以抑制；

2、本实用新型DMD所采用的编码方式，具有实现简单和工作高效的特点：由光学系统设计来保证微镜在样品共轭面上的横向尺度与系统可分辨的样品横向尺度相当；当样品上的某点被照明时，与之相邻的所有点均不被照明，实现了局部的点探测成像，有效抑制了串扰现象的发生；而从全局看又有总数1/4的点被同时照明，实现了全局的并行成像，保证了系统的成像效率；

3、本实用新型采用的信号提取方式具有单次操作成像无需图像拼接的特点：在DMD传统的应用场合，往往是对当前探测点进行操作，获得该点的图像后，再移至下一探测点进行相同的操作，直至获得全部探测点的图像，最后再把这些图像合成为一幅完整的样品图像；而在本实用新型中，在一个相位调制周期内即可获得OCT图像，为提高信噪比而重复测量N次，把这N次测量定义为一次OCT成像操作，一次这样的操作即可获得一幅完整的OCT图像，而无需图像拼接，避免了由此导致的各种误差；

4、本实用新型使用的面阵CCD探测器采用2×2像素拼接工作模式，它与DMD按2×2模式分割成子块的处理方式相对应；由于CCD探测器有效像元尺度的变大，扩展了系统的动态范围；而且由于需要处理的像素点数量的减少，使得数据传输的速率得到有效提高。

附图说明

图1为本实用新型的系统布局示意图；

图2为本实用新型的控制框图；

图3为DMD的编码示意图；

图4为同步控制信号示意图。

图中：1.宽带点光源，2.准直透镜，3.数字微镜器件(DMD)，4.透镜，5.宽带分光棱镜，6、7.一对相同的显微物镜，8.参考镜，9.样品，10.压电陶瓷驱动器，11.第一电控平移台，12.第二电控平移台，13.成像透镜，14.面阵CCD探测器，15.图像采集与模数转换卡，16.计算机，17.多路数模转换卡，18.步进电机控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明：

基于DMD的无串扰并行OCT成像系统如图1所示，宽带点光源1发出的光经准直透镜2准直后，沿与DMD 3的法线成24°角方向平行入射DMD 3。被DMD 3中处于+12°角“开”状态的微镜反射的光，沿DMD 3的法线方向出射，经透镜4和宽带分光棱镜5后被分成透射光和反射光：透射光被显微物镜6聚焦在参考镜8上，参考镜8固定在压电陶瓷驱动器10上，显微物镜6和压电陶瓷驱动器10固定在第一电控平移台11上；反射光被显微物镜7聚焦在样品9上，显微物镜7固定在第二电控平移台12上。从参考镜8反射和从样品9反射或后向散射的光，沿原路返回到宽带分光棱镜5后，经成像透镜13入射面阵CCD探测器14的感光面。

本实用新型的控制系统如图2所示，面阵CCD探测器14的输出信号经图像采集与模数转换卡15输入给计算机16，并由计算机16来控制面阵CCD探测器14进行图像采集。计算机16用信号线与DMD 3相连，来控制DMD 3按编码程序工作。计算机16的另一路输出信号经多路数模转换卡17后输出两路：一路驱动压电陶瓷驱动器10，由它带着参考镜8振动来引入正弦相位调制信号；另一路经步进电机控制器18后输出两路：一路驱动第一电控平移台11带着显微物镜6及压电陶瓷驱动器10一起轴向位移d，改变参考臂光程；另一路驱动第二电控平移台12带着显微物镜7轴向位移d/n(其中n为样品的折射率)，进行对焦调节，以实现样品不同深度处断面的层析成像；

图像采集与模数转换卡15和多路数模转换卡17，可从市场购买，前者如北京大恒图像公司的DH-CG410，后者如北京中泰研创科技公司的USB7322。步进电机控制器18与电控平移台11及12为配套产品，可一起购买，如北京卓立汉光仪器有限公司的TSA30-C电控平移台和SC3步进电机控制器。

图3为本实用新型DMD 3采用的编码示意图，微镜处于+12°角为“开”状态，-12°角为“关”状态，通过计算机编程实现对DMD 3的如下编码：把微镜按2×2模式分割成子块，每个子块里有4个微镜，分别编号为1、2、3、4，不同子块里对应位置处的微镜给予相同的编号，从而把所有微镜按空间位置分成4类：微镜1、微镜2、微镜3和微镜4；所有微镜1同步动作，处于“开”状态时，其余微镜均处“关”状态；依此类推，微镜按编号1-2-3-4逐一处于“开”状态，使样品和参考镜上与之共轭的点被照明。从上述编码方式可知：当样品上的某点被照明时，与之相邻的所有点均不被照明，实现了局部的点探测成像，有效抑制了串扰现象的发生；而从全局看又有总数1/4的点被同时照明，实现了全局的并行成像，保证了系统的成像效率。

图4为同步信号示意图，由压电陶瓷驱动器10带着参考镜8振动来引入正弦相位调制信号。在一个调制周期T＝1/f内，微镜按顺序1-2-3-4以频率16f依次触发，各微镜持续时间1/16f；面阵CCD探测器14以频率4f同步触发，采集由面阵CCD探测器14接收到的干涉信号在四个四分之一调制周期内对时间积分得到的四幅图像。为提高信噪比，而重复前述操作N次。

本实用新型提出的基于DMD的无串扰并行OCT成像方法，其特征在于包括：

1)微镜处于+12°角为“开”状态，-12°角为“关”状态；对数字微镜器件按以下方式编码：把微镜按2×2模式分割成子块，每个子块里有4个微镜，分别编号为1、2、3、4，不同子块里对应位置处的微镜给予相同的编号，从而把数字微镜器件的所有微镜按空间位置分成4类：微镜1、微镜2、微镜3和微镜4；所有微镜1同步动作，处于“开”状态时，其余微镜均处“关”状态；依此类推，微镜按编号1-2-3-4逐一处于“开”状态，使样品和参考镜上与之共轭的点被照明；

2)面阵CCD探测器采用2×2像素拼接工作模式；

3)参考臂和样品臂分别对焦后，由参考臂的电控平移台带着参考镜及显微物镜一起轴向位移，进行两干涉臂的光程匹配调节；

4)压电陶瓷驱动器带着参考镜振动，从而在干涉信号中引入频率为f、振幅为ψ、相位为θ的正弦相位调制ψsin(2πft+θ)，此时面阵CCD探测器接收到的干涉信号I(x，y，t)表示为：

       I(x，y，t)＝I₀+A(x，y)cos[φ(x，y)+ψsin(2πft+θ)]；

式中：I₀为干涉信号的常数项，φ(x，y)为初始相位差，A(x，y)则与OCT信号直接相关；

5)在一个调制周期T＝1/f内，微镜按顺序1-2-3-4以频率16f依次触发，持续时间1/16f；面阵CCD探测器以频率4f同步触发，采集四幅图像E₁₁、E₁₂、E₁₃和E₁₄，它们分别为面阵CCD探测器接收到的干涉信号I(x，y，t)在四分之一调制周期内对时间积分的结果，即：

$E_{11}={\∫}_0^{T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$ $E_{12}={\∫}_{T/4}^{T/2}I(x,y,,t)\mathrm{dt},$ $E_{13}={\∫}_{T/2}^{3T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$ $E_{14}={\∫}_{3T/4}^{T}I(x,y,t)\mathrm{dt};$

6)重复步骤5)N次以提高信噪比，并把N次获得的结果求和，得到四幅图像E₁、E₂、E₃和E₄，即：

$E_1=E_{11}+E_{21}+\·\·\·+E_{N1}=N{\∫}_0^{T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$

$E_2=E_{12}+E_{22}+\·\·\·+E_{N2}=N{\∫}_{T/4}^{T/2}I(x,y,t)\mathrm{dt},$

$E_3=E_{13}+E_{23}+\·\·\·+E_{N3}=N{\∫}_{T/2}^{3T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$

$E_4=E_{14}+E_{24}+\·\·\·+E_{N4}=N{\∫}_{3T/4}^{T}I(x,y,t)\mathrm{dt};$

7)把干涉信号I(x，y，t)用n阶第一类贝塞尔函数J_n(ψ)展开，并对步骤6)中的积分式进行运算后，可以建立以下关系式：

          ∑_S＝-E₁+E₂+E₃-E₄＝(4NT/π)Γ_SAsinφ，

          ∑_C＝-E₁+E₂-E₃+E₄＝(4NT/π)Γ_CAcosφ，

式中： ${\mathrm{\Γ}}_S=\underset{n=0}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{J_{2n+1}\left(\mathrm{\ψ}\right)}{2n+1}\sin \left[(2n+1)\mathrm{\θ}\right],$ ${\mathrm{\Γ}}_c=\underset{n=0}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{J_{4n+2\left(\mathrm{\ψ}\right)}}{2n+1}\sin \left[2(2n+1)\mathrm{\θ}\right];$

其中J_2n+1(ψ)为2n+1阶第一类贝塞尔函数，J_4n+2(ψ)为4n+2阶第一类贝塞尔函数；

8)令Γ_S＝Γ_C，则∑_S ²+∑_C ²与A²成正比；当ΓS取最大值时，∑_S ²+∑_C ²也取得最大值，此时图像有最佳对比度；由前述条件可计算出调制参量ψ和θ值，及此时的Γ_S值；用求得的ψ和θ数值去调整步骤4)中的相位调制信号；

9)按步骤4)至步骤6)进行操作，然后由下式来计算样品的OCT图像：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4\mathrm{NT}{\mathrm{\Γ}}_S}[{(-E_1+E_2+E_3-E_4)}^2+{(-E_1+E_2-E_3+E_4)}^2{]}^{1/2};$

10)计算机控制参考臂的电控平移台带着参考镜及显微物镜一起轴向位移d，改变参考臂光程；设样品的折射率为n，则计算机同时控制样品臂的电控平移台带着显微物镜轴向位移d/n，进行对焦调节，以实现样品不同深度处断面的层析成像；重复步骤9)，可获得样品在该深度处的OCT图像。

Claims (4)

1、基于数字微镜器件的无串扰并行OCT成像系统，其特征在于：包括宽带点光源(1)、准直透镜(2)、数字微镜器件(3)、透镜(4)、宽带分光棱镜(5)、一对相同的显微物镜(6、7)、参考镜(8)、压电陶瓷驱动器(10)、第一电控平移台(11)、第二电控平移台(12)、成像透镜(13)、面阵CCD探测器(14)；宽带点光源(1)发出的光经准直透镜(2)后平行入射于数字微镜器件(3)上，被数字微镜器件(3)中处于+12°角“开”状态的微镜反射的光，经透镜(4)和宽带分光棱镜(5)后被分成透射光和反射光：透射光经显微物镜(6)到达参考镜(8)，参考镜(8)固定在压电陶瓷驱动器(10)上，显微物镜(6)和压电陶瓷驱动器(10)固定在第一电控平移台(11)上；反射光经显微物镜(7)到达样品(9)，显微物镜(7)固定在第二电控平移台(12)上；从参考镜(8)反射的光，和从样品(9)反射或后向散射的光沿原路返回到宽带分光棱镜(5)后，经成像透镜(13)入射面阵CCD探测器(14)。

2、根据权利要求1所述的基于数字微镜器件的无串扰并行OCT成像系统，其特征在于：所述的面阵CCD探测器(14)经图像采集与模数转换卡(15)接计算机(16)，数字微镜器件(3)用信号线与计算机(16)相连，计算机(16)经多路数模转换卡(17)后输出两路：一路接压电陶瓷驱动器(10)；另一路经步进电机控制器(18)后输出两路，分别接第一电控平移台(11)和第二电控平移台(12)。

3、根据权利要求1所述的基于数字微镜器件的无串扰并行OCT成像系统，其特征在于：从准直透镜(2)来的平行入射光和数字微镜器件(3)的法线成24°角，数字微镜器件(3)中处于+12°角“开”状态微镜的反射光沿法线方向出射。

4、根据权利要求1所述的基于数字微镜器件的无串扰并行OCT成像系统，其特征在于：所述的宽带点光源(1)为空间相干光源，具体是短脉冲激光光源、超辐射光源SLD/SLED或放大自发辐射光源ASE。

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