TW201034626A - Extended range imaging - Google Patents

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Tony H Ko
yong-hua Zhao
David Huang
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Optovue Inc
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Description

201034626 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於生物醫學成像及測距之系統,更具體地說 係關於與光學同調層析技術(OCT)成像和低同調干涉術 (LCI)相關的系統及方法。 本申請案係關於並且主張2008年7月2 1曰申請之美國臨 時專利申請案第61/135,613號之優先權,其以引用的方式 併入本文中,如同為了所有目的在此處所述。 【先前技術】 光學同調層析技術(OCT)是基於低同調干涉術(LCI)原理 的二維成像方法。OCT已經被用於非侵入性人眼視網膜成 像很多年。在使用OCT成像前房以及為屈光、白内障和青 光眼手術計畫實施眼軸長度量測中也已經顯示出極大興 趣。見 Ophthalmology Clin. N. Am. 17,1-6(2004)的 D· Huang, Y. Li和S. Radhakrishnan的「眼前節之光學同調層 析技術(Optical coherence tomography of the anterior segment of the eye)」。 然而,由於典型OCT技術的有限掃描深度,成像整個眼 前房仍然具有挑戰性。前房的深度相比於視網膜的深度是 非常長的。從角膜到晶狀體的平均深度是大約3.5 mm。通 常,前節OCT掃描深度應是大約5至6 mm。如果晶狀體的後 囊需要被成像,則該影像的深度應是至少9至10 mm。如果 量測整個眼長,則該掃描深度應是大於30 mm。在實施眼 轴長度量測中,通常只利用從眼的前與後表面獲得的兩個 141885.doc 201034626 低同調干涉術(LCI)量測。然而,眼可能以軸向方向在該 兩個表面的兩個量測之間移動,從而降低眼長度量測的準 確度。 因此,需要存在一種可同時獲得多個跨越多個軸向範圍 的OCT影像的方法以便在大掃描範圍上實施成像及/或量 測。 【發明内容】 按照本發明的一些實施例,一影像器可包含一光源;一 〇 採樣臂’其從該光源接收光、引導該光到—樣本以及捕獲 從该樣本返回的光;一調變源,其提供對應於在該樣本中 的不同成像深度的不同調變;一偵測器系統,其用於接收 從具有該等不同調變的該樣本捕獲的該光;以及一處理 器,其從該偵測器系統接收信號並且分離與在該樣本中的 該等不同深度相對應的複數個影像。 在一些實施例中,該調變源包含一具有複數個參考路徑 ❹ W參考臂。在-些實施例中,每個參考路徑包含一鏡和一 耦合到該鏡的調變器,以及其中該參考路徑的路徑長度與 該複數個影像其中之一的影像深度相關。在—些實施例 中’該影像器可進-步包含一耦合到該光源、該採樣臂、 該參考臂及該偵測系統的分離器/耗合器,其中該分離器/ 耗合器提供光給該採樣臂及該參考臂,從該採樣臂及該參 考臂接收光以及從該採樣臂及該參考臂提供組合光給該偵 測器系統。 π以、 在-些實施例中’該調變源包含—耦合在該光源與一光 141885.doc 201034626 麵合器之間的干涉儀,該光輕合器從該 採樣臂以及從該採樣臂提供光給該偵測㈣統。在ί = 施例中,㉟純合器可以是-分離⑽合器。在一 2 施例中’該光耦合器可以是—循環器。 二貫 在一些實施例中,該調變器 止a 盗系統包含-干涉儀以及進— 步包含一分_合器’該分離器/輕合器從該光源接收 先,k供該先給该採樣臂和該干涉儀,組合從該採樣臂和 該干涉儀接收到的光以及提供光給該偵測器系統。 在-些實施例中,該調變源包含—第一反射器和一第二 反射器’以及進一步包含一分離器/耦合器,該分離器/耦 合器被耦合成從該光源接收光並且提供光給該調變源的該 第-反射器和該第二反射器’該分離器,合器還從該第 -反射器和該第二反射器接收光並且提供組合光;和一光 搞合器’其被轉合成從該分離器化合器接收該組合光, 將光搞合到該採樣臂以及引導從該採樣臂接收到#光到該 偵測器系統。 在一些貫施例中,該處理器執行指令以用具有複數個影 像的5亥OCT影像斋獲得一組合資料集;在該組合資料集上 實施一變換以形成一頻率分佈;基於該複數個分離資料之 每個的一調變頻率將該頻率分佈光譜分離成複數個分離資 料;以及在該複數個分離資料之每個上實施數學運算以產 生分離影像。 【實施方式】 以下關於以下圖式進一步討論這些和其他實施例。 141885.doc -6- 201034626 在該等圖中,具有相同名稱的元件具有相同或類似功 能。 基於傅立葉域的OCT技術(FD-OCT)或光譜域OCT原理的 一個新分支正在興起。見 J. Biomed. Opt. 7,457-463 (2002) 的 M. Wojtkowski, R. Leitgeb, A. Kowalczyk, T. Bajraszewski和A. F. Fercher的「由傅立葉域光學同調層析 技術的人體内視網膜成像(In vivo human retinal imaging by Fourier domain optical coherence tomography)」0 FD-〇 OCT比先前時域OCT系統提供明顯的信雜比和速度改良。 見 Opt· Express 11,889-894 (2003)的 R. Leitgeb,C. K. Hitzenberger和A. F. Fercher的「傅立葉域對時域光學同調 層析技術的性能(Performance of Fourier domain vs. time domain optical coherence tomography)」;Opt· Lett. 28,2067-2069 (2003)的 J· F. de Boer,B. Cense, B· H. Park, M. C. Pierce, G. J. Tearney和B. E. Bouma的「相比於時域 光學同調層析技術的光譜域中的改良信雜比(Improved O signal-to-noise ratio in spectral-domain compared with time-domain optical coherence tomography)」;以及 Opt. Express 11,2183-2189 (2003)的 M. A. Choma,Μ. V.
Sarunic, C. H. Yang和J. A. Izatt的「掃頻源和傅立葉域光 學同調層析技術的敏感優勢(Sensitivity advantage of swept source and Fourier domain optical coherence tomography)」〇 然而,FD-OCT中的信雜比性能隨著掃描深度增加而降 低,這通常使FD-OCT中的掃描範圍限制到大約2至3 mm。 141885.doc 201034626 為了增加掃描深度範圍,可引入相移方法以實現全範圍 FD-OCT。全範圍複數FD_〇CT使用相移方法解決關於該參 考鏡的負與正光學路徑差之間的不定性以便恢復有用的全 成像範圍。見 Opt. Lett. 27,1415-1417 (2002)的 M. Wojtkowski,A· Kowalczyk, R. Leitgeb和 A. F. Fercher 的 「眼成像中的全範圍複數光譜光學同調層析技術(Full range complex spectral optical coherence tomography technique in eye imaging)」。也已經引入其他許多相移機 構以實現全範圍複數FD-OCT。例如見人?口1.€^.45,1861-1865 (2006) (「Yasuno」)的 Y. Yasuno, S· Makita,T. Endo, G. Aoki,M. Itoh和T. Yatagai的「用於即時全範圍傅立葉域 光學同調層析技術的同時B-M模式掃描方法(Simultaneous B-M-mode scanning method for real-time full-range Fourier domain optical coherence tomography)」;Appl. Phys. Lett. 90,054103 (2007) (「Wang」)的 R. K. Wang 的「人體内全 範圍複數傅立葉域光學同調層析技術(In vivo full range complex Fourier domain optical coherence tomography)」; 以及 Opt. Express 15,13375-13387 (2007) (「Baumann」)的 B. Baumann, M. Pircher,E. Gotzinger和 C. K. Hitzenberger 的「無額外相移器的全範圍複數光譜域光學同調層析技術 (Full range complex spectral domain optical coherence tomography without additional phase shifters)」。然而,這 些方法只有限量地增加了 FD-OCT的掃描深度範圍,例如 到大約4至6 mm。
圖1說明一用於同時捕獲影像的習知OCT裝置100。OCT 141885.doc 201034626 裝置100可以是時域或傅立葉域OCT類。見Opt. Express
16,2405-2414 (2008)的 B. Grajciar,M. Pircher C K
Hitzenberger,O. Findl 和 A. F· Fercher的「具有傅立葉域低 同調干涉術的體内人眼軸長度的高敏感量測(High sensitive measurement of the human axial eye length in vivo with Fourier domain low coherence interferometry)」。 OCT裝置loo還可適用於基於掃頻源和基於光譜儀的傅立 葉域OCT。 〇 如圖1中所示,OCT裝置100包含一經耦合以提供光給一 分離器/耦合器103的光源101。分離器/耦合器1〇3提供光給 一採樣臂II3和一參考臂112。光源1〇1可以是適合〇(:1成 像目的的任何光源。可被用於時域OCT或傅立葉域OCT中 的合適光源包含(但不限於)一寬頻光源,如一超冷光 (superluminescent)二極體。可被用於傅立葉域〇CT之掃頻 源形式中的合適光源包含(但不限於)一可調雷射源。在一 ❹些實施例中,光源101可產生不同波長或不同頻寬,用於 在不同組織穿透度及/或軸向解析度實施成像。 分離器/耦合器1〇3從光源1〇1接收光,並且將該能量發 送到採樣臂113和參考臂112中。如圖1中所示,採樣臂113 可包含各種準直透鏡1〇9和聚焦透鏡11〇。此外,採樣臂 1 u包含一光束掃描機構丨16以引導該光束實施一樣本“工 的-或二維橫向光束掃描和成像。為了實現同時成像,參 考煮112包含一額外的分離器/耦合器104,該分離器/耦合 器104將從分離器’輛合器103接收到的光束分離成兩個或 141885.doc 201034626 更多參考臂路控,參考路徑114和參考路徑115。參考路徑 Π4包含準直透鏡105和鏡107。參考路徑115包含準直透鏡 106和鏡log。分別在參考路控114和中的準直透鏡jo〗 和106從一耦合到分離器/耦合器1〇4的光纖對準該光束, 並且在其分別被從參考鏡117和118反射之後,將該等光束 聚焦返回到該光纖中。 參考鏡117和118可被用於在時域〇CT中實施深度掃描或 了在傅立葉域OCT過程中保持靜止。可調整參考鏡Μ? 和118的位置以反射感興趣之該不同的軸向掃描區域。在 圖1所示的該實例中,參考鏡107經調整以與眼前節相對 應,而參考鏡108經調整以與眼後節相對應。因此,如圖工 中所示,可從人眼的前與後節獲得同時影像。 從該採樣臂113和參考臂112返回的該等光束在分離器/ 耦合器10 3中被組合並且被發送給偵測系統丨〇 2。偵測系統 102可以是一在基於光譜儀之傅立葉域OCT中的光譜儀或 一在基於掃頻源之傅立葉域0CT中的光電二極體偵測器系 統。偵測到的該信號接著可被發送到一處理器i 17,該處 理器通常是一具有足夠資料儲存能力的電腦系统,以保存 接收到的該影像資料。 如圖1中所示,為了獲得跨越不同軸向範圍的OCT影 像,同時使用具有不同參考臂長度的兩個參考鏡(參考鏡 107和108)。每個參考臂對應在該樣本中的一不同深度位 置並且由一單個積測系統1 〇2同時偵測兩個〇ct影像。然 而,在圖1中所說明的該技術中,該等OCT影像的任何重 141885.doc •10- 201034626 疊將阻礙該相加影像的解譯’因為同時偵測該等所有影像 並且沒有關於如何從參考鏡107和108之每個分離該等分配 的資訊。因此,該方法受限於兩個參考鏡並且只可被用於 成像具有不重疊影像的非常fe〗早的樣本或被用於獲得具有 也不重疊的信號的單線OCT量測(LCI量測)。 . 圖2A說明用圖1中所示的OCT裝置1〇〇獲得的該典型結 ' 果。因為兩個參考臂(參考臂114和115)被用在圖i中所示的 該系統中’所以該偵測系統102將同時偵測和獲得來自感 © 興趣的兩個不同轴向掃描區域的信號。圖2A說明來自人眼 的前與後節的影像,如由圖1的鏡107和1〇8的放置所說 明。然而,如圖2 A中所示,這種技術的缺點是同時偵測的 該等信號不能相互區分並且兩個在該顯示影像中看起來如 重疊影像。圖2A中所示的該等重疊影像降低了該最終影像 的解譯能力並且防止從感興趣的兩個不同軸向掃描區域產 生的該等信號之間的明確量測。 圖⑶和2C分別說明眼後與前部分的分離影像。圖2B和 2C說明由本發明的一些實施例獲得的該等結果。本發明的 一些實施例提供一種區分同時獲得的該等信號的方式並且 " 能夠將從感興趣的兩個轴向掃描區域產生的該等信號分離 . 成兩個獨立影像。如上所述,分離該等影像消除了由於重 疊影像產生的解譯能力的問題。此外,本發明的一些實施 例允許同時獲得影像,這允許從感興趣的兩個不同軸向掃 描區域產生的精確影像。 一些OCT成像系統(如例如在美國專利第7,4〇〇,41〇中所 141885.doc -11 · 201034626 述)匕3在不同光波長作業的兩個分離OCT影像,該等波 長可被、1 σ成同時從一單個樣本接收分離影像。雖然這種 技術允許分離兩個同時獲得的影像,但是該等影像之每個
可被設定成從不同深度量測料,它還需要兩個分離OCT I像器 > 個0CT影像可顯著增加該成像系統的複雜性和 成本。 圖2B中所不的影像的分離可經由用一開關替代圖1中 的光束分離器/叙人哭1 ^ 4 A # 祸σ盗104元成。然而,即使利用一高速光 學切換器#,該兩個分離影像也將是不同時的。如果該光 子切換n件的切換速度開始接近零,同時影像只可能是近 似的 '然而’如果不同時獲得該等㈣,那麼它們沒有被 相互註冊以及因此該等影像是較不具價值的。 按…、本發明的—些實施例,提出-種可同時獲得多個跨 越多個軸向範圍之0CT影像的方法。在這些情況下,在穿 過所有OCT影像的軸向和橫向維數中都可實現準確註冊, 並且可實施穿過大距離的大掃描深度成像或準確形態度量 量測。在本發明的一些實施例中’該偵測系統僅讀取該等 影像-次’且最終形成的該等影像可被精確地言主冊在該軸 向和橫向維數中。此外,根據本發明的—些實施例可與一 用於非侵入性眼解剖學量測的光學掃描器、一用於前房成 像的光學成像系統及/或一用於後節成像的光學成像系統 相關。 。圖3說明-根據本發明之一些實施例的影像器则。影像 器300包含一光源302,該光源可被適當地 12 141885.doc 201034626 掃頻源或一光譜儀的傅立葉域〇CT程式。為此,光源302 可包括適合0CT成像目的的任何光源。適合傅立葉域〇ct 目的的光源可包含(但不限於)一寬頻光源,如超冷光二極 體。適合實現傅立葉域OCT的該掃頻源形式的目的的光源 包含(但不限於)一可調雷射源。在各種實施例中,光源3〇2 可在不同波長產生輻射或產生具有不同頻寬的輻射用於在 不同組織穿透度及/或軸向解析度實施成像。 如圖3中所示,來自光源3〇2的光被引導到一光耦合器 ^ 3 10 ’該光耦合器將來自光源302的能量發送到一參與臂 320和一參考臂330中。圖3的光耦合器31〇可以是一分離器 /耦合器’該分離器/耦合器從光源3〇2接收光並且將其引導 到採樣臂320和參考臂330,以及從採樣臂320和參考臂330 接收光並且將該組合光束引導到偵測系統34〇。採樣臂32〇 可包含含有準直光學器件321、光束掃描322和聚焦光學器 件324的光學器件。光束掃描機構322可引導從光耦合器 Q 31〇接收到之一光束實施樣本360的二或三維橫向光束掃描 和成像。在一些實施例中,準直光學器件32丨可額外包含 偏振控制器,該等偏振控制器在一些實施例中可被用於更 加精確地偵測產生於一影像中的資料。採樣臂32〇接著提 供來自樣本360的背散射光給光耦合器31〇。 參考臂330經由光耦合器310從光源3〇2接收光並且提供 參考光給光耦合器310。組合來自參考臂33〇的參考光與來 自採樣臂320的背散射光以產生可由一偵測系統34〇偵測到 的光譜干涉。 141885.doc 201034626 如圖3中所不,參考臂330可包含偏振控制器331以辅助 最大化由偵測系統34〇偵測到的干涉條紋對比度。該參考 臂可具有一或多個分離器/耦合器332以進一步將該參考光 束分離成用於同時偵測的兩個或更多參考路徑。參考路徑 336-1到336_N被具體顯示在圖3中,其中^^可以是參考臂的 任何數目。一般而言,分離參考路徑的數目n將是感興趣 的分離影像深度的數目。 參考路徑336-1到336_;^之每個分別包含各種光學器件 333-1到333-N以及參考鏡334_u〗 334_N用於反射來自該光 源3 02的能量以提供該參考光。在參考臂33〇中的該等光學 器件333-1到333_N可被用於當它們分別被從參考鏡334_! 到3 34-N反射回來時對準來自分離器/耦合器332的該等光 束並且將該等光束耦合回到分離器/耦合器332中。在一些 實施例中,分離器/耦合器3 3 2可被用光纖耦合到光學器件 333-1到333-N。光學器件333-1到333-N可包含但不限於適 合此目的的各種準直透鏡。 如例如在Yasuno、Wang和Baumann中已經報告,經由在 穿過該橫向掃描的該參考及/或採樣臂十引入一恒定相位 調變可將一載波頻率引入到該空間譜圖中。這種調變通常 被用於將一單個參考臂OCT影像器的習知成像範圍加倍。 按照本發明的一些實施例,從不同參考路徑返回的參考 光束包含經由利用不同調變到參考路徑336_1到336_N之每 個中的編碼資訊。鏡334-1到334-N可能是靜止的或可分別 由調變器335-1到335-N調變。參考鏡334-1到334-N的調變 141885.doc -14- 201034626 在該樣本的橫向掃描期間可能相當於在偵測系統3 4 〇债測 到的該信號的頻率調變。如以上所討論,因此有可能經由 在參考鏡334_1到334·Ν之每個上使用不同相位調變在從不 同參考路徑返回的該等參考光束上編碼資訊。 各種方法可被羅列在調變器335-1到335_Ν中以將一恒定 相位調變引入到分別從鏡33‘丨到334_Ν反射的該光束^。 在各種實施射’㈣器33Η到335_Ν可能是一線性壓電 轉換部件,鏡334-1到334_Ν*別被安裝在該線性壓電轉換 © 料上。該壓電轉換部件可被配置成、經由以X或y方向橫向 掃描(B-掃描)以某個恒定速度移動鏡334-1到334-N。在一 些實施例中,經由從掃描器321的支點引入一偏移可在該 採樣臂掃描機構322中實現該相位調變,如在Baumann中 所討論。在一些實施例中,一基於光栅的相位延遲線可被 放置在參考臂330中使得該光學群延遲可被選擇為零並且 只實現相位調變。在圖4八和4B中顯示另一例示性實施 0 例’其也可實現具有幾乎零群延遲的相位調變。 從採樣臂320和參考臂33 〇返回的該等光束可在耦合器 31〇中被組合並且被發送到偵測系統34〇。偵測系統34〇包 含一偵測器342和光學元件34ι。偵測器342可以是一在基 於光譜儀傅立葉域0CT中的光譜儀或一在基於掃頻源傅立 葉域oct中的光電二極體偵測器系統。光學元件341可包 含適當的光學器件以將來自光耦合器310的該光束聚焦到 偵測窃342上。偵測到的該信號被發送給一處理器350,該 處理器通常是一電腦’其操作軟體以分析從偵測器342接 141885.doc 15 201034626 :到的該等信號,儲存該資料以及以一種適當方式顯示該 、。果s為在β玄參考臂中的該相位調變可被同步於在該 採樣臂中實施的該橫向掃描,在一些實施例中處理器35〇 還可發送控制和同步信號給採樣臂320、參考臂33()和偵測 系統340(虛線箭頭)。 圖4Α和4Β分別說明適合於在該參考臂中實現恒定相位 調變的調變裝置4〇1和402的例示性實施例。可利用裝置 4(Η和402之每個替代一鏡33Η和調變器^㈠對,其中鏡 334-_j是鏡334-1到334-Ν之任意一個以及調變器335_』是調 變盗33 5-1到335-N之相應的任意一個並且對應在參考路徑 336-j中的該鏡和調變器。 圖4A中所示的裝置4〇1說明一種利用一掃描振鏡 (galvanometer scanner)42〇以在參考臂a”中實現恒定相位 調變的雙通配置。在裝置401中,該輸入光束可進入準直 光學器件400並且穿過一透鏡系統41〇,該透鏡系統將該光 束聚焦到一安裝在一掃描振鏡420上的鏡。該光束以從該 支點的一偏移撞擊該掃描振鏡,由於該掃描振鏡42〇的振 鏡被旋轉’所以這將引入相位調變。在振鏡420中,該振 鏡被女·裝在透鏡410的聚焦平面並且經由透鏡將反射返 回的该光束以最後到達一回歸反射器43〇,該回歸反射器 可以是一鏡。從反射器430返回的該光束穿過透鏡41〇,再 次撞擊掃描振鏡420的該振鏡以及經由透鏡41〇和準直光學 器件400回到該輸入。由於掃描振鏡420的該振鏡位於透鏡 410的背聚焦平面,所以從反射器430反射回來的該光束將 141885.doc -16 - 201034626 沿著該入射路徑回到準直光學器件4〇〇的該輸入,該入射 路徑是一雙通配置。 圖4B中所示的裝置4〇2說明適合於實現恒定相位調變的 一裝置的另一例示性實施例。在裝置402中,該輸入光束 可進入準直光學器件4〇〇並且穿過一相位調變系統44〇,其 可改變該參考光束的光學路徑長度。相位調變系統44〇的 一例示性實施例是一安裝在一插入到該參考光束路徑中的 掃杬振鏡上的光學視窗。由於該振鏡被旋轉,所以該光學 〇 視窗改變關於該參考光束的角度以及該光學路徑長度被改 變。穿過該相位調變系統的該光束繼續到達一回歸反射器 450,該回歸反射器可能是一鏡。從反射器45〇返回的該光 束在再次返回到該準直光學器件4〇〇之前可返回穿過相位 調變系統440以被耦合到裝置4〇2外。 圖5A和5B說明信號處理技術55〇的一例示性實施例該 仏號處理技術可由處理器350執行用於區分該等同時獲得 〇 的影像。圖5A說明最終形成的該等資料集,而圖5B說明 可在處理器350上執行的該資料處理程式的流程圖。經由 在參考臂路徑336-1到336-N之每個上使用不同相位調變, 不同載波頻率可被引入到對應於參考臂路徑336_丨到336_N 之每個的該等空間譜圖。此外,經由在參考臂路徑6_i 到336-N之每個中配置不同路徑長度,可獲得對應於在樣 本360中的不同深度的複數個影像。 為了圖5#5B的說明目的,假設一恒定相位調變被應 用於調變器335-丨使得該載波頻率在該橫向傅立葉空間_ 141885.doc 201034626 具有一空間頻率Ul。此外,假設一恒定相位調變被應用於 調變器335-2使得該載波頻率在該橫向傅立葉空間中具有 一空間頻率4 ^如果在橫向傅立葉空間中足以從h分離 Ui,將有可能區分同時獲得的信號,如圖5 a中所說明。雖 然此處只說明參考路徑3 3 6 _丨和3 3 6 _ 2,但是熟習此項技術 者將容易認識到如何將這延伸到參考路徑336」到336 n的 任何數目以便從該等參考路徑336_丨到336_N之每個分離該 等影像。 在圖5B的步驟562中,獲得一組合資料集5〇〇,如圖5a 中所示。來自參考臂路徑336_1到 336_N的不同路徑的該等 空間譜圖由偵測器342同時偵測並且被儲存在組合影像資 料集500中。該組合影像資料集5〇〇含有來自所有參考臂路 徑336-1到336-N的該影像資料,此處說明來自參考臂路徑 336-1到336-2的該資料。偵測到的該資料集可能是一二維 資料集,該二維資料集在空間頻率(或可能是在轉換到 k之前的波長1中)具有一維數。另一維數取決於該掃描圖 案和座標定義而將是在橫向位置乂或y中。在一些實施例 中,當在該採樣臂中沒有實施橫向掃描時,該第二維數還 可簡單地是獲得時間。在習知FD_0CT中,沿著該1^維為每 個橫向位置X或y實施一傅立葉逆變換,其為每個橫向位置 產生該等OCT信號。 在處理儲存在組合資料集500中的同時獲得的該等影像 中,&著該橫向(X或y)維為在該]^維中的每個值實施一傅立 葉變換501。由於分別由調變器335 1到335_N引入的該等 141885.doc -18- 201034626 分別與參考鏡334-_-Ν相關的 …立於在&向傅立葉空間中的不同載波頻率的 中心,如圖5Α的頻率分佈加所示。如在頻率分佈如中所 :,位於載波頻率正負Ui中心的該頻 :自參考臂鏡叫的該等空間譜圖的資訊。位於j頻 率正負U2中心的該頻率内容川含有關於來自參考臂鏡334_ 2的該等S間譜圖的資訊。—般而言,參考臂说·即%· Ο N之每個位於在頻率分佈加中的不同頻率Ulf,!UN的中心。 如果在橫向傅立葉空間中從U2足以分離…,則在光譜選擇 步驟564中經由使用頻率遽波器可選擇來自不同參考鏡的 該資訊。在-些實施例中,丨了實施全範圍複數印_ OCT ’只選擇(即在光譜選擇之前應用—亥維賽⑽⑽⑷) 數)在正傅立葉空間中的該光譜,如由濾波器別5和5〇7 所'•兒月。如圖5A中所說明,可從頻率内容512分離頻率内 容 511。 應用一傅立葉逆變換5〇9到濾波光譜511,可產生複數資 料集521。應用一傅立葉逆變換513到濾波光譜512,可產 生複數資料集522 ^ —般而言,傅立葉逆變換可適用於在 光譜選擇564中形成的該分離光譜之每個。如以上所討 接著可為參考路徑336-1到336-N之每個產生一複數資 料集’如複數資料集521和522。 圖5A中所示的複數資料集521對應來自參考鏡334-1的該 空間譜圖以及複數資料集522對應來自參考鏡334-2的該空 間譜圖。經由在調變器3554*3554上適當選擇相位調 1418S5.doc •19· 201034626 變,因此有可能區分同時獲得的信號。 在產生如圖5 A和5B中所示的該實施例中所示的〇ct影像 的該過程中的最後步驟是為每個橫向X或y(如在習知FD_ OCT中)沿著該K維實施傅立葉逆變換。如圖5 a和5B中所 示’在複數資料集521上實施傅立葉逆變換515以形成全範 圍影像531。同樣’在複數資料集522上實施傅立葉逆變換 5 17以形成全範圍影像532。因為複數資料集521和522都包 含實和虛資訊,所以將不會顯示該複數共軛鏡像影像並且 可利用該FD-OCT系統的該全成像範圍(+2到_z)。如圖5 A中 所示,該全範圍OCT影像531對應從參考鏡33‘丨獲得的該 影像以及該全範圍〇CT影像532對應從參考鏡334_2獲得的 該影像。經由在含有參考鏡334_1和334_2的該等參考路徑 中選擇適當光學路徑延遲,接著有可能從在該樣本中感興 趣的不同軸向掃描區域同時獲得影像。一般而言可為參 考路徑336-1到336-N之每個獲得一全範圍影像。 雖然圖5A和5B顯示兩個參考路徑336_〗和336_2的一個實 例,但是如以上所討論,可利用參考路徑336-到336_N的 任何數目。圖5A和53中所說明的過程55〇 一般可適用於多 個參考鏡使得同時偵測多個空間譜圖。只要可選擇足夠的 載波頻率使得在該橫向傅立葉空間中沒有該等頻率内容的 重疊,即可相互區分同時偵測到的該等所有信號。 β在一些實施例中’該等載波頻率其中之-(例如Ul)可以 使知在„亥參考臂路徑(即一靜止鏡)中沒有實施相位 調變。這種情況將是與習知FD_〇CT相同以及該全成像範 141885.doc • 20 - 201034626 圍(+z到·ζ)將是不可料。然:而,為了成像薄樣本(如視網 膜),該全成像範圍的一半(正ζ或負ζ空間)通常是足夠的。 只要在該橫向傅立葉空間中從…(在這種情況下是零)足以 分離該第二載波頻率(例如,將有可能區分從感興趣的 兩個不同軸向掃描區域同時獲得的信號。 圖6Α和6Β說明利用本發明的實施例在一樣本(如人眼)中
延伸該成像範圍的實例。因為可同時獲得該等影像,所以 穿過軸向和橫向維數都可實現精確註冊。因此有可能經由 精確校準在參考路徑中的該等路徑長度差延 伸該成像範圍。圖6Α顯示在人眼600的前節中的延伸成像 範圍。如圖6Α中所示,可實施掃描範圍6〇2。全範圍複數 mm,其足以成像包 FD-OCT的最大成像範圍通常是大約6 3該透鏡的後囊的該整個前房。圖6A中所示的該實例顯示 可調整兩個參考鏡的光學路徑,使得一參考鏡(例如參考 鏡334_1)成像該前房的前面部分6〇4,而一第二參考鏡(例 如參考鏡334-2)成像該前房的後面部分6〇6。成像區域6〇2 對應具有對角線的矩形框。 使用習知先前技術,同時獲得的該等影像將重疊並且渲 染最終形成的該影像,如圖6A中的影像61〇中所示,無法 解#。在本發明的一些實施例中,從感興趣的該兩個分離 軸向掃描區域獲得的該等影像可被區分並且組合在一起以 形成一影像620,該影像620有效地將該系統的成像範圍加 倍到大約12 mm,足以覆蓋眼6〇〇的整個前房。 圖6B顯示利用本發明的一些實施例在感興趣的極不相同 141S85.doc 201034626 的軸向掃描區域實施同時成像的一個實例。如圖6B _所 不,成像區域650和652在眼600中是感興趣的。可調整在 兩個參考鏡中的光學路徑使得—參考鏡(例如參考鏡 成像該前房的該前面部分,而該第二參考鏡(例如參考鏡 334-2)成像在該眼的後節中的視網膜。成像區域65〇和μ: 對應具有對角線的矩形框。使用習知先前技術,同時獲得 的該等影像將重叠並且澄染最終形成的該影像,如圖印中 的影像660所示,無法解譯。影像67〇說明從感興趣的該兩 個分離轴向掃描區域獲得的分離影像672和674。。因為可 精確量測該兩個參考鏡334_丨與334_2之間的該光學路徑 差,所以可決定該兩個影像672與674之間的分離距離以及 在β亥整個成像樣本(如該人眼6〇〇)的上下文中可以以它們正 確的解剖關係放置該等影像。此外,因為同時獲得該兩個 影像,所以可精確決定形態量測’如從該眼的前表面到該 眼的後表面的該距離。 如以上所討論,可獲得任何數目的分離影像。圖6八和 6Β說明來自兩個參考路徑的兩個影像的分離。在一些實施 例中,經由使用用於同時獲得的三個參考鏡可組合在圖6八 和6Β中所示的該等實例。因此有可能實施具有大約12 mm 成像範圍的§亥整個前房之成像,如圖6 A中所示,而同時獲 得在該後節中的視網膜的一影像用於形態量測,如圖6B中 所示。 圖7說明一根據本發明的一些實施例的〇ct影像器7〇〇。 OCT影像器700代表一雙光束低同調干涉儀。在一些實施 141885.doc -22- 201034626 例中,OCT影像器700對於該樣本的移動是不敏感的。在 -些實施例中,0CT影像器700可適合於基於掃頻源和光 譜儀的傅立葉域低同調干涉術(LCI)。一般而言,〇ct影像 器700包含一光源702、一干涉儀73〇、一採樣臂72〇、一偵 測系統740和一處理器750。光源7〇〇可包含適合lci或 成像目的的任何光源。適合傅立葉域〇CT的目的的光源可 &含但不限於一寬頻光源,如—超冷光二極體。適合實現 傅立葉域0CT的掃頻源形式的目的的光源可包含但不限於 Ο 一可調雷射源。在一些實施例中,光源702可含有不同波 長或不同頻寬用於在不同組織穿透度及/或轴向解析度實 施成像。
如圖7中所示,干涉儀73〇可包含由一可調整距離分離的 反射表面731和732。該等反射表面731和732的相對光學路 徑與在獲得的該等影像的深度中的該分離相對應。該兩個 反射表面其中之一或兩者在該資料獲得期間可由調變器 Q 735和736調變以提供一恒定相位調變給在獲得期間偵測到 的該信號。透鏡系統733和734將光耦合到干涉儀73〇之内 和之外。來自干涉儀730的光被提供給光耦合器71〇,該光 耦合器引導光進入採樣臂720中並且引導從採樣臂72〇接收 到的光到偵測系統740。在一些實施例中,光耦合器71〇可 以是一光循環器。在一些實施例中,光耦合器71〇可以是 一分離器/耦合器。採樣臂72〇可包含各種準直光學器件 721、—光束掃描機構722和聚焦光學器件724。光束掃描 機構722可引導該光束實施一樣本76〇的二或三維橫向光I 141885.doc -23- 201034626 掃描和成像,或它對於轴向量測可保持靜止。 可調整該兩個反射表面7 3 1與7 3 2間的距離以匹配該眼的 轴向長度。在這種情況下,從該角膜和該視網膜兩者返回 的該低同調干涉信號可被提交給該偵測系統740。偵測系 統740可包含光學器件74丨和一偵測器742,如圖7中所示。 偵測器742可以是一在基於光譜儀的傅立葉域中的光 譜儀或一在基於掃頻源的傅立葉域〇CT中的光電偵測器系 統(例如,一光電二極體偵測器系統)。適當的光學器件或 光子元件741可被用於將該光束聚焦到偵測器742上。偵測 器742提供—信號給處理器75〇以回應該光束。處理器 750(其可以是-電腦系統)將該信號儲存為影像資料並且可 處理該影像資料’如先前已經描述。因為在該參考臂中的 相位調變需要同步於該採樣,所以該電腦還可發送控制和 同步信號給該採樣臂、該參考臂及/或該㈣系統(虛線箭 頭)。 在-些實施例中,干涉儀73〇的反射表面⑶和⑴之) 中之-或兩者在資料獲得期間可分別由調變器π和⑽ 變以提供-恒定相位調變。因此有可能對從該採樣臂^ 如’該視網膜)的較長来璺路^ 畏九千路偟長度返回的該信號編碼- 相位調變。這將允許㈣從在歸本⑼如,㈣膜和智 視網媒)中的不同路徑長度返回的該等信號。各種方法3 被羅列在該等調變器⑽❿中以引人-恒定相位調❹ 反射表面731和732。在圖4八和仞中顯示另一例示性實麵 例’其可㈣於在資料獲得期間實現恒定相位調變。 141885.doc -24· 201034626 圖8 4明在一根據本發明的一些實施例的〇cT影像器中 提供衫像的過程8〇〇。如圖8中所示,首先在步驟8〇2中一 樣本(如圖3中所示的樣本36〇或圖7中所示的樣本76〇)被與 〇CT影像器對準使得可最佳化信號強度。在對準之後,在 步驟804中開始資料獲得。在步驟806中,為一八線獲得一 . 貝料線。在步驟8〇8中,為下個資料線實施相移調變。相 調I例如在圖3中所示的該實施例的偵測系統3或圖4 0 中所不的該實施例的偵測系統740中被偵測到。在步驟81〇 中,改變該橫向位置。例如可由在圖3中所示的該實施例 中的掃描機構322或圖7中所示的該實施例中的掃描機構 722元成改變橫向位置。在步驟812中,如果還沒有完成該 全掃描,那麼過程8〇〇返回到步驟8〇6。如果已經完成該全 掃描,那麼過程800進入影像處理814。影像處理814例如 可執行圖5A和5B中所說明的過程550。 圖9A說明0CT影像器7〇〇,其中光耦合器71〇被實施作為 〇 循環器910。循環器910從干涉儀730接收光並且將它提供 給採樣臂7 2 0以及從採樣臂7 2 〇接收光並且將它提供給偵測 器系統740。循環器91〇優於作為光耦合器71〇的一分離器/ 耦合器的一個優點是耦合到採樣臂720和偵測系統74〇中的 • 光的更高百分比。 圖9B °兒明影像器920,其表示一根據本發明的一些實施 例的影像器的另一實施例。影像器92〇包含光源7〇2、偵測 系統740、處理器75〇和採樣臂72〇,如關於圖7的影像器 700所討論。來自光源7〇2的光經由分離器/耦合器9〇3被耦 14I885.doc -25· 201034626 合到採樣臂720和干涉儀930中。從採樣臂720和干涉儀930 接收到的光在分離器/耦合器903被組合並且被搞合到偵測 系統740中。如圖9B中所示,干涉儀930包含反射器93 1和 932,該等反射器之每個可分別被耦合到一調變器935和 936。如關於圖7所討論,反射器931與932間的該距離與在 樣本760中的影像間的深度中的差相對應。透鏡系統933和 934經由干涉儀930耦合和聚焦光。如圖9B中所示,反射器 931可部分反射以及反射器93 2可全反射。 圖9C顯示影像器950,其說明根據本發明的另一實施 例。如圖9C中所示,來自光源7〇2的光被耦合到分離器/耦 合器957中,該分離器/耦合器將光發送到反射器951和 952。反射器95丨和952還可包含耦合光學器件以從分離器/ 耦&器95 7接收光並且將光耗合回到分離器/搞合器7 中。如圖9C中所示,反射器951和952可被分別耦合到調變 器955和956。雖然圖9C中只顯示兩個反射器(反射器951和 952)但疋額外的分離器可被用於增加為許多反射器,每 個反射器提供-對應於一不同影像深度的不同冑變光束, 如所需,其類似於圖3中所示的該實施例。 從反射器95 1和952接收到的光在分離器/耦合器957中被 組合並且被耦合到光耦合器959中。光耦合器959可以是一 分離器/耦合器或一循環器(如圖9A中所示的循環器91 〇)。 如圖9C中所示,來自光耦合器959的光被輕合到採樣臂72〇 中。從採樣臂720接收到的光在光耦合器959中被接收並且 被發送到偵測系統740中。如前述’處理器75〇可以被耦合 141885.doc -26 - 201034626 到影像器950的控制部件。 圖7和9Α說明干涉儀730,其包含兩個部分反射鏡731和 732。圖9Β說明干涉儀930,其包含一部分反射鏡931和一 全反射鏡932。圖1〇說明—Τ"涉儀1〇〇〇,其可被用於替代 圖9Β的干涉儀930或圖7或9Α的干涉儀730。
如圖10中所示,光在循環器1〇1〇中進入干涉儀1〇〇〇。在 一些實施例中,一分離器/耦合器可替代循環器1〇1〇。來 自循環器1010的光進入光束分離器1〇2〇,其中它被分離並 且被耦合到反射器1030和1〇5〇中。如以上所討論,反射器 1030和1〇5〇可包含耦合光學器件。此外,反射器和 被刀別麵合到調變器1〇4〇和ι〇6〇。在利用反射器 和050的路径長度中的差與獲得的影像的該不同深度相對 應。 ,在該等實施例之每個中,光可能以任何方式(例如,用 2纖)被從一元件耦合到另一元件。此外,如所需,一些 實施例可包含在各種位置中的聚焦或耦合光學器件。 习為了解釋之目的,以上討論了本發明的—些實施例。熟 s此項技術者可能認識到從所揭露的該等實施例的各種替 代坆些替代意為是在本發明的範圍内。此外,這些實施 :並不意為限制本發明之範圍。因此,本發明僅由以下該 等凊求項所限制。 【圖式簡單說明】 圖1顯示一習知OCT裝置。 圖2Α顯不可從圖1中所示的該習知OCT裝置實現的成像 141885.doc •27- 201034626 結果的一實例。 圖2B和2C顯示可利用根據本發明的一 〇CT裝置的一些實 施例實現的成像結果的一實例。 圖3顯示一根據本發明的一些實施例的〇CT系統。 圖4A和4B顯示可被用在本發明的一些實施例中的相位 掃描機構的實施例。 圖5 A和5 B說明可被用在本發明的一些實施例中的一信 號處理程式的一實施例。 圖6A和6B顯示延伸在人體組織内的成像範圍的本發明 的些實施例的例示性利用。 圖7說明另-根據本發明的-些實施例的0 C T系統。 圖8說明根據本發明的一些實施例獲得影像的流程圖。 圖9A、9B和9C說明本發明的一些進一步實施例。 圖10說明可被用在本發明的b實施 -實施例。 T扪个涉儀的 【主要元件符號說明】 1〇〇 101 102 103 104 105 106 107 光學同調層析技術裝置 光源 偵測系統 分離器/耦合器 分離器/耦合器 準直透鏡 準直透鏡 鏡 141885.doc -28. 201034626 108 鏡 109 準直透鏡 110 聚焦透鏡 111 樣本 112 參考臂 ' 113 採樣臂 114 參考路徑 115 參考路徑 Ο 116 光束掃描機構 117 參考鏡 118 參考鏡 300 影像器 302 光源 310 光耦合器 320 參與臂 321 〇 322 準直光學器件 光束掃描 324 聚焦光學器件 330 參考臂 331 偏振控制器 332 分離器/耦合器 333-1(333-Ν) 光學器件 334-1(334-Ν) 參考鏡 335-1(335-Ν) 調變器 141885.doc -29- 201034626 336-1(336-Ν) 參考路徑 340 偵測系統 341 光學元件 342 偵測器 350 處理器 360 樣本 400 準直光學器件 401 調變裝置 402 調變裝置 410 透鏡系統 420 掃描振鏡 430 回歸反射器 440 相位調變系統 450 回歸反射器 500 組合資料集 501 傅立葉變換 503 頻率分佈 505 淚、波益 507 滤波器 509 傅立葉逆變換 511 濾波光譜 512 濾波光譜 513 傅立葉逆變換 515 傅立葉逆變換 517 傅立葉逆變換 141885.doc -30- 201034626 Ο 〇 521 資料集 522 資料集 531 全範圍影像 532 全範圍影像 600 人眼 602 掃描範圍 604 前房的前面部分 606 前房的後面部分 610 影像 620 影像 650 成像區域 652 成像區域 660 影像 670 影像 672 分離影像 674 分離影像 700 光學同調層析技術影像器 702 光源 710 光搞合器 720 採樣臂 721 準直光學器件 722 光束掃描機構 724 聚焦光學器件 730 干涉儀 141885.doc -31 - 201034626 731 732 733 734 735 736 740 741 742 750 760 903 910 920 930 931 932 933 934 935 936 950 951 952 反射表面 反射表面 透鏡系統 透鏡系統 調變器 調變器 偵測系統 光學器件 偵測器 處理器 樣本 分離器/耦合器 循環器 影像器 干涉儀 反射器 反射器 透鏡系統 透鏡系統 調變器 調變器 影像器 反射器 反射器 141885.doc -32- 201034626 955 調變器 956 調變器 957 分離器/耦合器 959 光輛合器 1000 干涉儀 1010 循環器 1020 光束分離器 1030 反射器 Ο 1040 調變器 1050 反射器 1060 調變器 〇 141885.doc -33-

Claims (1)

  1. 201034626 七、申請專利範圍: 1. 一種影像器,其包括: 一光源; 一採樣臂,其從該光源接收光,引導該光到一樣本, 以及捕獲從該樣本返回之光; 一調變源,其提供對應於該樣本中之不同成像深度的 不同調變; 偵測器系統,用於接收從具有該等 Ο 〇 本捕獲之該光;以及 處理器’其從該偵測器系統接收信號,並且分離與 該樣本中之該等不同影像深度相對應的複數個影像。 2. 如凊求項1之影像器,其中該調變源包含一具有複數個 參考路徑之參考臂。 3. ^求項2之QCT影像器’ #中每個參考路徑包含一鏡和 -耦合到該鏡之調變器’且其中該參考路徑之一路徑長 度與該複數個影像其中之—之該影像深度相關。 4·如請求項2之0CT影像器,進一步包含— ,, .. ^ 7 I 3耦合到該光源、 、該參考臂和該债測系統之分離器⑽器,其 ㈣合器提供光給該採樣臂和該參考臂,㈣ 採樣旁和該參考臂接收光,以及 臂组合之光提供給該偵測器系統。^樣1和該參考 5.如請求項1之〇CT影像器,其中該調 光源與—„ 變源包含—耦合在該 '先耦合裔之間的干涉儀,誃伞知入 儀提供光仏兮换媒 Λ輕s器從該干涉 才木樣臂,以及從該採樣臂提供光給該偵測 141885.doc 201034626 器系統。 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 其中該光耦合器是— 分離器/輕合 如凊求項5之影像器 器。 ::水項5之影像器’其中該光麵合器是一循環器。 如"月求項5之影像器,其中該干涉儀 - 面和3第—反射表 第一反射表面,該等反射表面之每個部分發送 ",其中該第一反射表面與該第二反射表 、 應於該樣本中之影像深度差。 距離對 如請求項5之影像器,其中該干涉儀包含—第—反射表 第二反射表面和一光束分離器,該光束分離器引 導光到該第一反射表面和該第二反射表面。 月求項1之影像器,其中該調變器系統包含一干涉 :二以及進一步包含一分離器/耦合器,該分離器/耦合 益從該光源接收光,提供該光給該採樣臂和該干涉儀, 組《從戎採樣臂和該干涉儀接收到之光,以及提供光給 該偵測器系統。 如請求項10之影像器,其中該干涉儀包含一第一反射器 和一第二反射器,每個反射器部分反射,該等反射器分 離一對應於該樣本中之影像深度中之一差的距離。 如請求項10之影像器,其中該干涉儀包含一第一反射器 和一輕合到一光束分離器之第二反射器。 如誚求項1之影像器,其中該調變源包含一第一反射器 和一第二反射器,以及進一步包含: —分離器/耦合器,其經耦合以從該光源接收光並且將 141885.doc 201034626 光提供給該調變源之該第一反射器和該第二反射器,該 分離器/耦合器亦從該第一反射器和該第二反射器接收光 並且提供組合光;和 光輕合器’其經耦合以從該分離器/耦合器接收該組 合光,將光耦合到該採樣臂,以及引導從該採樣臂接收 到之光到該偵測器系統。 14. 如請求項13之影像器,其中該光耦合器是一循環器。 15. 如喷求項13之影像器,其中該光耦合器是一分離器/耦合 〇 器。 16_如請求項1之影像器,其中該處理器執行指令以: 以具有複數個影像之該0CT影像器獲得一組合資料 集; 在该組合資料集上實施一變換以形成一頻率分佈; 基於該複數個分離資料之每個之一調變頻率,將該頻 率分佈光譜分離成複數個分離資料;以及 在该複數個分離資料之每個上實施數學運算以產生分 w 離影像。 η.如請求項ROCT影像器,其中該處理器提供控制信號給 該調變源和該採樣臂。 .如請求項ROCT影像器,其中該光源包含一寬頻源,以 及該偵測系統可包含一光譜儀。 19·如請求項1之〇CT影像器,其中該光源包含-掃頻雷射 源’以及該债測系統可包含—光電二極體偵測器系統。 20. —種分離在一 OCT影像器中同時獲得之影像的方法,立 141885.doc 201034626 包括: 用具有複數個影像之該OCT影像器獲得一組合資料 集; 在該組合資料集上實施一變換以形成一頻率分佈; 基於該複數個分離資料之每個之一調變頻率,將該頻 率分佈光譜分離成複數個分離資料;以及 在該複數個分離資料之每個上實施數學運算以產生分 離影像。 21.如請求項20之方法,其中該變換是一傅立葉”⑽士^變 換。 22·如請求項20之方法,其中實施數學運算包含: 以橫向方向在該分離資料上實施一傅立葉逆變換; 以及 以該頻率方向在該分離資料上實施一傅立葉逆變換。 141885.doc -4
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