CN214284900U - 一种基于光学透明剂的血流成像的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光学透明剂的血流成像的装置，属于光学相干层析成像技术领域，解决了现有技术中OCTA在皮肤中的应用受限制的问题。本实用新型血流成像的装置包括高速扫频激光光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、样品检测支路、参考支路、平衡探测器和计算机；高速扫频激光光源通过第一光纤耦合器被分成两束光，第一束光进入样品检测支路产生样品光；第二束光进入参考支路产生参考光，样品光和参考光在第二光纤耦合器重新分配并发生干涉；干涉光经平衡探测器探测，将干涉信号转化为电信号，电信号由计算机进行采集。本实用新型适用于皮肤组织成像。

Description

一种基于光学透明剂的血流成像的装置

技术领域

本实用新型属于光学相干层析成像技术领域，特别涉及一种基于光学透明剂的血流成像的装置。

背景技术

OCT是一种新兴技术，具有非侵入性，高分辨等特点。其基本结构是低相干干涉仪，它使得光源发出的光分成参考光和样品光两部分，然后，再由探测器探测到的由参考臂的反射光与样品臂的后向散射光所产生的干涉信号，再通过A/D转换器，经计算机进行成像得到2D/3D图像。

随着OCT技术的不断成熟，OCT历经了从时域OCT(TDOCT)到傅里叶域OCT(FD-OCT)，傅里叶域OCT还可分为频域OCT(SDOCT)和扫频OCT(SS-OCT)，OCT也从结构性成像进一步发展到功能性成像，OCT的应用也慢慢变得广泛起来。时域OCT是第一代OCT系统，在参考臂可使用扫描振镜实现A线扫描，受到扫描振镜扫描能力的制约，时域OCT系统的A线成像速率只能达到2kHz左右，而且病人在检测过程中的移动会严重影响高清3D组织结构图的获取。因此TDOCT系统多用于人体组织的2D截面图成像，例如皮肤、视网膜和角膜等。由于傅里叶域OCT系统具有更高的成像速率和灵敏度，并实现了生物组织深度信息的可视化，从而在OCT系统中迅速占据了主导地位。傅里叶域OCT系统的A线成像速率普遍达到几十kHz以上，在在体实验中实现了人类视网膜的3D成像，为成像领域的综合量化分析提供了更多的可能性。根据干涉检测方法的不同，傅里叶域OCT可以进一步分为频域OCT(SDOCT)和扫频OCT(SSOCT)。频域OCT使用宽带光源和高速光谱仪获得干涉图像，扫频OCT使用扫频激光器和光子探测器来检测干涉图像。相比之下，扫频OCT具有更高的灵敏度、相干长度和成像速率，而频域OCT的相位稳定性更高，在很多应用中能提供更准确的检测结果。

基于光学相干层析扫描技术，研究人员提出了光学相干层析血管造影术(OCTA)，它是一种可以在不进行标记的情况下获得不同组织层的小血管网络信息成像技术，通过对同一横断面进行多次扫描的OCT信号变化测量来探测血管腔中红细胞的运动，进而对活体组织中的微循环信息进行可视化。作为一种新的检测手段，在某些疾病检测中可以替代荧光造影术而受到关注。但由于皮肤中的组织具有强烈的光散射，使得OCTA在皮肤中的穿透深度很大程度被降低，这限制了OCTA在皮肤中的应用。

实用新型内容

鉴于以上分析，本实用新型旨在提供一种基于光学透明剂的血流成像的装置，用以解决现有技术中OCTA在皮肤中的应用受限制等问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供了一种基于光学透明剂的血流成像的装置，包括高速扫频激光光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、样品检测支路、参考支路、平衡探测器和计算机；

高速扫频激光光源通过第一光纤耦合器被分成两束光，第一束光进入样品检测支路产生样品光；第二束光进入参考支路产生参考光，样品光和参考光在第二光纤耦合器重新分配并发生干涉；

干涉光经平衡探测器探测，将干涉信号转化为电信号，电信号由计算机进行采集。

在一种可能的设计中，样品检测支路从第一光纤耦合器到皮肤组织样品的方向依次设置有第一环形器、第一偏振控制器、第一准直透镜、可变焦透镜、XY扫描振镜和第一聚焦透镜；

第一束光经过第一环形器、第一偏振控制器、第一准直透镜、可变焦透镜、XY扫描振镜和第一聚焦透镜后，照射到皮肤组织样品上，在皮肤组织样品上产生的样品光沿着原路返回到第一环形器，经过第一环形器出射到第二光纤耦合器。

在一种可能的设计中，参考支路包括第二偏振控制器、第二环形器、第二准直透镜、第二聚焦透镜和反射镜；

第二束光经过第二偏振控制器、第二环形器、第二准直透镜和第二聚焦透镜后，照射到反射镜上，产生的参考光沿原路返回到第二环形器，经过第二环形器出射到第二光纤耦合器。

在一种可能的设计中，高速扫频激光光源为高速近红外扫频激光光源。

进一步的，高速扫频激光光源的中心波长为1000nm～1350nm。

进一步的，高速扫频激光光源的扫频光谱范围在70nm以上。

进一步的，高速扫频激光光源的扫频速度在90kHz以上。

在一种可能的设计中，参考光和样品光通过第二光纤耦合器以50：50的比例进入平衡探测器。

在一种可能的设计中，第一准直透镜、第二准直透镜、可变焦透镜、XY扫描振镜和第一聚焦透镜均具有消色差性能。

在一种可能的设计中，第二准直透镜、第二聚焦透镜和反射镜均具有消色差性能。

与现有技术相比，本实用新型至少能实现以下技术效果之一：

1)本实用新型采用高速扫频激光光源，使用高性能扫频光源，使得OCT血流成像能够具有更高的信号灵敏度和检测效率，有助于增加皮肤的穿透能力。本实用新型采用高速近红外扫频激光光源，该光源的中心波长在1000nm-1350nm之间，扫频光谱范围在70nm以上，扫频速度在90kHz以上。该扫频光源是单模扫描，具有高扫描速度、长相干成像范围、宽光谱扫描的特点，更适用于凹凸不平的以及更深层次的皮肤组织成像。

2)本实用新型第一光纤耦合器将扫频光源发出的光束分成90：10-60：40(例如90：10)的两部分，使得大部分的光入射到样品检测支路，能够获取更高的信号灵敏度，尤其是采取将扫频光源发出的光束分成90：10的两部分。

3)参考光和返回的样品光通过第二环形器和第一环形器进入第二光纤耦合器，通过第二光纤耦合器，以50：50的比例进入平衡探测器，作为探测信号。参考光和样品光设置单独的路线进入平衡探测器，可以降低参考光和样品光的损耗，更好的控制光强的分配；本实用新型设置有平衡探测器，可抑制共模噪声，提高成像信噪比。

4)本实用新型采用的生物酶解法能够更好的去除角质层，使得光学透明剂(OCA)能够完全渗透进皮肤活体组织。选用聚乙二醇、果糖和噻唑按体积配比为(3～6)：(2～4)：(2～3)(例如4：4：2)的比例组成光学透明剂，将光学透明剂与生物酶降解法结合对生物组织进行预处理。以该比例进行预处理可以获得相比于其他比例下成像性能的提高，并且十分安全高效，其中所加入的噻唑，它作为一种渗透促进剂能够使得光学透明剂(OCA)更好地进入活体皮肤。该配制的光透明剂可有效突破皮肤壁垒，充分清润皮肤，更好的匹配皮肤折射率，进一步减少皮肤组织的光学散射，增加光学成像的穿透深度。该光学透明剂在皮肤成像方面具有高效、安全、无毒性、无副作用的优点。该预处理方法可安全高效地增加在体皮肤的光学穿透深度。

5)使用可变焦透镜，根据皮肤凹凸不平的纹路，调节样品检测支路上的可变焦透镜，可将扫描光聚焦在不同深度的皮肤样品上，可根据皮肤纹路，获得更清晰的皮肤血流图像，实现聚焦最优化的皮肤组织成像。

6)将绝大部分的光路设计通过光纤器件实现，极大的增加了系统的集成化和便捷性。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1为本实用新型基于光学透明剂的血流成像的装置示意图。

附图标记：

1-高速扫频激光光源、2-第一光纤耦合器、3-第一环形器、4-第一偏振控制器、5-第一准直透镜、6-可变焦透镜、7-XY扫描振镜、8-第一聚焦透镜、9-皮肤组织样品、10-第二偏振控制器、11-第二环形器、12-第二准直透镜、13-第二聚焦透镜、14-反射镜、15-第二光纤耦合器、16-平衡探测器、17-计算机。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种基于光学透明剂的血流成像的装置作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本实用新型不限定于这些实施例中。

本实用新型提供了一种基于光学透明剂的血流成像的装置，包括高速扫频激光光源1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器15、样品检测支路、参考支路、平衡探测器16和计算机17；高速扫频激光光源1通过第一光纤耦合器2被分成两束光，第一束光进入样品检测支路产生样品光；第二束光进入参考支路产生参考光，样品光和参考光在第二光纤耦合器15重新分配并发生干涉；干涉光经平衡探测器16探测，将干涉信号转化为电信号，电信号由计算机17进行采集。

样品检测支路从第一光纤耦合器2到皮肤组织样品9的方向依次设置有第一环形器3、第一偏振控制器4、第一准直透镜5、可变焦透镜6、XY扫描振镜7和第一聚焦透镜8；第一束光经过第一环形器3、第一偏振控制器4、第一准直透镜5、可变焦透镜6、XY扫描振镜7和第一聚焦透镜8后，照射到皮肤组织样品9上，在皮肤组织样品9上产生的样品光沿着原路返回到第一环形器3，经过第一环形器3出射到第二光纤耦合器15。

参考支路包括第二偏振控制器10、第二环形器11、第二准直透镜12、第二聚焦透镜13和反射镜14；第二束光经过第二偏振控制器10、第二环形器11、第二准直透镜12和第二聚焦透镜13后，照射到反射镜14上，产生的参考光沿原路返回到第二环形器11，经过第二环形器11出射到第二光纤耦合器15。

本实用新型高速扫频激光光源1为高速近红外扫频激光光源，该光源的中心波长在1000nm-1350nm之间，扫频光谱范围在70nm以上，扫频速度在90kHz以上。该扫频光源是单模扫描，具有高扫描速度、长相干成像范围、宽光谱扫描的特点，更适用于凹凸不平的以及更深层次的皮肤组织成像。

第一环形器3和第二环形器11用于控制光路的流动方向。第一偏振控制器4和第二偏振控制器10用于控制参考光和样品光的偏振方向，提高两者相干性。第一准直透镜5和第二准直透镜12用于将发散的第一束光和第二束光调整为平行光，便于光路的控制。进一步的，由于采用的光源是宽带宽光谱，为提高成像质量，第一准直透镜5、第二准直透镜12、可变焦透镜6、XY扫描振镜7、第一聚焦透镜8、第二准直透镜12、第二聚焦透镜13和反射镜14均具有消色差性能。示例性的，采用Thorlabs公司的CIR1310-APC型号的第一环形器3、Thorlabs公司的F280APC-C型号的第一准直透镜5、Optotune公司EL-10-30-C型号的可变焦透镜6、Thorlabs公司的GVS102型号的XY扫描振镜7、Thorlabs公司的LSM03型号的第一聚焦透镜8、Thorlabs公司的CIR1310-APC型号的第二环形器11、Thorlabs公司的F280APC-C型号的第二准直透镜12、Thorlabs公司的AC254-035-C型号的第二聚焦透镜13、大恒光电公司的GCC-10220型号的反射镜14、Thorlabs公司的PDB480C-AC型号的平衡探测器16。

根据皮肤凹凸不平的纹路，调节样品检测支路上的可变焦透镜6，可将扫描光聚焦在不同深度的皮肤样品上，实现聚焦最优化的皮肤组织成像。

本实用新型第一光纤耦合器2将扫频光源发出的光束分成90：10-60：40(例如90：10，80：20,70：30)的两部分，当采取90：10的第一光纤耦合器2，使得大部分的光(即第一束光)入射到样品检测支路，能够获取更高的信号灵敏度。

参考光和返回的样品光通过第二环形器11和第一环形器3进入第二光纤耦合器15，通过第二光纤耦合器15，以50：50的比例进入平衡探测器16，作为探测信号。参考光和样品光设置单独的路线进入平衡探测器16，可以降低参考光和样品光的损耗，更好的控制光强的分配；本实用新型设置有平衡探测器16，可抑制共模噪声，提高成像信噪比。

平衡探测器16将探测到的干涉信号转化为电信号，其电信号再由计算机17中的数据采集卡进行采集，其中每条A线信号的采集由高速扫频激光光源1输出的触发信号控制数据采集卡进行采集，计算机17中信号输出模块输出信号控制可变焦透镜6的焦距，并控制XY扫描振镜7，改变XY振镜的角度，其中控制X振镜来回扫描，得到多条A-line组成一次B-scan，控制Y振镜步进扫描，对同一B-scan位置进行多次重复扫描，然后步进到下一相邻位置，最后将采集到的信号传输到计算机17中进行数据处理以此获得OCTA图像。

本实用新型使用高性能扫频光源，使得OCT血流成像能够具有更高的信号灵敏度和检测效率，有助于增加皮肤的穿透能力。使用优化的光纤光路设计，使得成像装置十分紧凑灵活，在光能量分配上更适用于皮肤组织成像，获取更高信噪比的OCTA成像。使用可变焦透镜6，聚焦于不同的成像深度，可根据皮肤纹路，获得更清晰的皮肤血流图像。

一种基于光学透明剂的血流成像方法，用于皮肤组织，包括以下步骤：

步骤1.对活体皮肤组织进行预处理，获得皮肤组织样品；

步骤2.采用血流成像的装置对皮肤组织样品进行成像。

具体的，步骤1预处理包括：

步骤11.采用生物酶解法对活体皮肤组织进行处理，将活体皮肤组织的角质层去除，可有效降低皮肤角质层对光的散射。示例性的，步骤11为：将果酸涂敷在活体皮肤组织上，保持8～12min后清洗。涂敷时间过短无法有效去除皮肤角质层，涂敷时间过长会浪费时间对皮肤造成损伤。

步骤12.采用光透明剂对活体皮肤组织进行进一步的处理。

在一种可能的设计中，步骤12中的光透明剂由聚乙二醇、果糖和噻唑组成，体积配比为(3～6)：(2～4)：(2～3)，示例性的，可以是6：2：2，4：3：3,5：3：2等，优选值为4：4：2。具体的，步骤12为：将配比好的光透明剂涂敷在活体皮肤组织上，保持8～12min后清洗。涂敷时间过短无法有效去除皮肤角质层，涂敷时间过长会浪费时间且对皮肤造成损伤。

本实用新型采用的生物酶解法能够更好的去除角质层，使得光学透明剂(OCA)能够完全渗透进皮肤活体组织。选用聚乙二醇、果糖和噻唑按4：4：2的比例组成光学透明剂，将光学透明剂与生物酶降解法结合对生物组织进行预处理。以该比例进行预处理可以获得相比于其他比例下成像的性能更好，并且十分安全高效，其中所加入的噻唑，它作为一种渗透促进剂能够使得光学透明剂(OCA)更好的进入活体皮肤。该配制的光透明剂可有效突破皮肤壁垒，充分清润皮肤，更好的匹配皮肤折射率，进一步减少皮肤组织的光学散射，增加光学成像的穿透深度。该光学透明剂在皮肤成像方面具有高效、安全、无毒性、无副作用的优点。该预处理方法可安全高效的增加在体皮肤的光学穿透深度。

步骤2采用血流成像的装置对皮肤组织样品进行成像，具体为：

血流成像的装置包括高速扫频激光光源1、第一光纤耦合器2、第一环形器3、第一偏振控制器4、第一准直透镜5、第一可变焦透镜6、XY扫描振镜7、第一聚焦透镜8、皮肤组织样品9、第二偏振控制器10、第二环形器11、第二准直透镜12、第二聚焦透镜13、反射镜14、第二光纤耦合器15、平衡探测器16、计算机17。

高速扫频激光光源1通过第一光纤耦合器2被分成两束光。一束光经过第二偏振控制器10、第二环形器11、第二准直透镜12和第二聚焦透镜13到达反射镜14产生参考光并沿原光路返回，通过第二环形器11到达第二光纤耦合器15。另外一束扫频激光经过第一环形器3和第一偏振控制器4入射到第一准直透镜5，再通过可变焦透镜6投射到XY扫描振镜7，经第一聚焦透镜8聚焦，照射到皮肤组织样品9上，根据皮肤凹凸不平的纹路，调节可变焦透镜，可将扫描光聚焦在不同深度的皮肤样品上，实现聚焦最优化的皮肤组织成像。在皮肤组织样品9上所产生的后向散射光(即样品光)沿着原路返回到第一环形器3，经过第一环形器3出射到第二光纤耦合器15，在第二光纤耦合器15中被测样品的后向散射光与反射镜14反射回来的参考光发生干涉，所产生的干涉光再经由平衡探测器16探测，将探测到的干涉信号转化为电信号，其电信号再由计算机17中的数据采集卡进行采集，其中每条A线信号的采集由高速扫频激光光源1输出的触发信号控制数据采集卡进行采集，计算机17中信号输出模块输出信号控制可变焦透镜6的焦距，并控制XY扫描振镜，改变XY扫描振镜的角度，其中控制X扫描振镜来回扫描，得到多条A-line组成一次B-scan，控制Y扫描振镜步进扫描，对同一B-scan位置进行多次重复扫描，然后步进到下一相邻位置，最后将采集到的信号传输到计算机17中进行数据处理以此获得OCTA图像。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光学透明剂的血流成像的装置，其特征在于，包括高速扫频激光光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、样品检测支路、参考支路、平衡探测器和计算机；

所述高速扫频激光光源通过第一光纤耦合器被分成两束光，第一束光进入所述样品检测支路产生样品光；第二束光进入所述参考支路产生参考光，所述样品光和参考光在所述第二光纤耦合器重新分配并发生干涉；

干涉光经平衡探测器探测，将干涉信号转化为电信号，所述电信号由计算机进行采集；

所述样品检测支路从第一光纤耦合器到皮肤组织样品的方向依次设置有第一环形器、第一偏振控制器、第一准直透镜、可变焦透镜、XY扫描振镜和第一聚焦透镜；

第一束光经过第一环形器、第一偏振控制器、第一准直透镜、可变焦透镜、XY扫描振镜和第一聚焦透镜后，照射到皮肤组织样品上，在皮肤组织样品上产生的样品光沿着原路返回到第一环形器，经过第一环形器出射到第二光纤耦合器；

所述参考支路包括第二偏振控制器、第二环形器、第二准直透镜、第二聚焦透镜和反射镜；

所述第二束光经过第二偏振控制器、第二环形器、第二准直透镜和第二聚焦透镜后，照射到反射镜上，产生的参考光沿原路返回到第二环形器，经过第二环形器出射到第二光纤耦合器。

2.根据权利要求1所述的基于光学透明剂的血流成像的装置，其特征在于，所述高速扫频激光光源为高速近红外扫频激光光源。

3.根据权利要求2所述的基于光学透明剂的血流成像的装置，其特征在于，所述高速扫频激光光源的中心波长为1000nm～1350nm。

4.根据权利要求3所述的基于光学透明剂的血流成像的装置，其特征在于，扫频光谱范围在70nm以上。

5.根据权利要求4所述的基于光学透明剂的血流成像的装置，其特征在于，扫频速度在90kHz以上。

6.根据权利要求5所述的基于光学透明剂的血流成像的装置，其特征在于，参考光和样品光通过第二光纤耦合器以50：50的比例进入所述平衡探测器。

7.根据权利要求1所述的基于光学透明剂的血流成像的装置，其特征在于，所述第一准直透镜、第二准直透镜、可变焦透镜、XY扫描振镜和第一聚焦透镜均具有消色差性能。

8.根据权利要求1所述的基于光学透明剂的血流成像的装置，其特征在于，所述第二准直透镜、第二聚焦透镜和反射镜均具有消色差性能。

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