TWI465686B - 平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統 - Google Patents

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Description

平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統
本發明係與光學同調斷層掃描技術有關，更詳而言之，係關於一種平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統(BD SD-OCT system)。
以低同調干涉(low coherence interferometry)為基礎之光學同調斷層掃描技術(optical coherence tomography，OCT)，係已變成有力的工具，係在透明及高散射的樣品中皆可提供非接觸非侵入式高速斷層掃描取像。藉由使用此技術，係可測量具深度解析力的(depth-resolved)背散射光線，以擷取微米解析(micrometer-resolution)影像。最早OCT之完成係包含一參考端路徑中的反射鏡機械式掃描以實現在時域(time domain)的A掃描(A-scan)。
在最近幾年，採用光譜儀做為干涉訊號偵測之光譜域光學同調斷層掃描系統(SD-OCT)，因參考端反射鏡不需做機械掃描，改利用將測得的光譜進行傳立葉轉換後即得到相同於時域的A掃描(A-scan)，故能大幅縮短取像時間，使得組織之三維取像變得可能。然而標準的SD-OCT(請參考美國公開專利US2011/0202044)係包含從光源模組頻譜而來的自相關假影以及所有從目標物背向散射之各光波(elementary waves)的相互 干涉。此兩項係產生直流雜訊(dc noise)及低頻雜訊(low-frequency noise)，其係使組織結構不清楚且導致一相對低的動態取像範圍(relatively low imaging dynamic range)。且訊雜比隨著樣品深度與零延遲(zero-delay)的距離越遠而大幅下降。
本發明之一目的，係在於提供一種簡便且有效率的背景雜訊抑制，包括直流雜訊以及在樣品每一反射界面間之光線干涉之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統。
為達到前述目的，本發明提供一種平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，係包括一第一分光鏡、一第二分光鏡、一第一準直儀、一第二準直儀、一接物鏡、一光源模組、一光譜分析模組、一光纖、一狹縫以及一反射鏡，其中：該接物鏡軸向的一端係鄰近一樣品設置；該第一分光鏡係鄰近該接物鏡軸向遠離該樣品之一端設置；該第二分光鏡係該鄰近第一分光鏡遠離該接物鏡之一端設置；該第一準直儀係設置在該第一分光鏡橫向方向之一側；該第二準直儀係設置在該第二分光鏡之橫向方向的一側；該光源模組係設置在鄰近該第二分光鏡遠離該第一分光鏡之一端；以及該光纖的一端係與該第一準直儀及該第二準直儀連接，該光纖的另一端係透過該狹縫而與該光譜分析模組連接，該反射鏡係設置在該第一分光鏡橫向方向遠離該第一準直儀之一側，而該光譜分析模組的另一端係連接一處理單 元。
其中，該光源模組發射出之一光線L係依序通過該第二分光鏡、該第一分光鏡而分別至該反射鏡及該樣品，再同時反射至該第一分光鏡而分別透過該第一分光鏡及該第二分光鏡折射出一光線L1及一光線L2，再傳輸至該第一準直儀及該第二準直儀，該光線L1與該光線L2具有180°之相位差。
在某些實施例中，該第一分光鏡係可為一非偏極化分光鏡。
在某些實施例中，該光譜分析模組係為一多通道光譜儀或者是至少二單通道光譜儀。
在某些實施例中，該光源模組係可為一超亮發光二極體，用以提供具有26nm之半高寬頻寬並在830nm波長之光線。
在某些實施例中，該處理單元係可為一個人電腦。
在某些實施例中，該第一準直儀的k -space(頻域)干涉訊號I1 係可表示如下：，該第二準直儀的k -space(頻域)干涉訊號I2 係可表示如下：，其中，E r 係為參考光線之振幅，n 係為樣品的折射率，a(z) 係為從在樣品深度z 所背向散射(backscatter)的振幅。
在某些實施例中，該光源模組係為兩個光源提供不同波段之光線，或是單一個光源可以提供兩種不同波長光線。
為達到前述目的，本發明提供一種平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，係包括透過光纖而相連接的一光纖偶合器、一光纖循環器、一光纖準直儀、一光源模組、一樣品、一光譜分析模組以及一光纖式反射鏡，其中：該光源模組係與該光纖循環器連接，該光纖循環器係與該光纖偶合器及該光譜分析模組連接，該光纖偶合器係與該光纖準直儀及該光纖式反射鏡連接，該光纖準直儀係對準該樣品，而該光譜分析模組的另一端係連接一處理單元。
其中，該光源模組發射出之一光線L’係依序通過該光纖循環器、該光纖偶合器而分別至該光纖式反射鏡及再透過該光纖準直儀而至該樣品，再同時反射至該光纖偶合器而分別透過該光纖偶合器及該光纖循環器傳輸出一光線L1’及一光線L2’，再將該光線L1’及該光線L2’分別傳輸至該光譜分析模組，該光線L1’與該光線L2’具有180°之相位差。
雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本發明可之較佳實施例，並請了解本文所揭示者係考量為本發明之一範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。
在下文中，將具體描述本發明之方法的實施例。
圖1(a)係表示本發明平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統之一第一實施例的架構示意圖。
請參考圖1(a)，本發明之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統1係包括一第一分光鏡2、一第二分光鏡3、一第一準直儀4、一第二準直儀5、一接物鏡6、一光源模組7、一光譜分析模組8、一光纖9以及一狹縫10，另外，本發明之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統1更包括一反射鏡12。
接物鏡6軸向的一端係鄰近一樣品S設置。
第一分光鏡2係鄰近接物鏡6軸向遠離樣品S之一端設置，第一分光鏡2係為一非偏極化分光鏡(non-polarizing beam splitter)。
第二分光鏡3係鄰近第一分光鏡2遠離接物鏡6之一端設置。
第一準直儀4係設置在第一分光鏡2橫向方向之一側。
第二準直儀5係設置在第二分光鏡3之橫向方向的一側。
反射鏡12係設置在第一分光鏡2橫向方向遠離該第一準直儀4之一側。
光源模組7係設置在鄰近第二分光鏡3遠離第一分光鏡2之一端，光源模組7係可為一超亮發光二極體(superluminescent diode，SLD)，用以提供具有26nm之半高寬(full-width-at-half-maximum，FWHM)頻寬並在830nm波長之光線。
再者，光源模組7係可兩個光源提供不同波段之光線，或是單一個光源可以提供兩種不同波長光線；例如，兩個SLD(超亮發光二極體)提供中心波長分別在800nm及1300nm，頻寬各100nm範圍，並分別以中心波長相對應的兩台光譜儀接收這兩個光源的訊號，或者是一個白光光源(或超連續雷射光源)，頻寬涵蓋兩種波段(例如中心波長分別在800nm及1300nm，頻寬各100nm範圍)，光線L1經過僅讓中心波長在800nm頻寬100nm的光線可通過之光學濾片(optical filter)濾出訊號送進一台光譜儀；光線L2則放置僅讓中心波長在1300nm的光線可通過之光學濾片(optical filter)濾出訊號送進另一台光譜儀。
光纖9的一端係與第一準直儀4及第二準直儀5連接，光纖的另一端係透過狹縫10而與光譜分析模組8連接，而光譜分析模組8的另一端係連接一處理單元，例如個人電腦11。
光源模組7發射出之光線L係依序通過第二分光鏡3、第一分光鏡2而分別至反射鏡12及樣品S，再同時反射至第一分光鏡2而分別透過第一分光鏡2及第二分光鏡3折射出一光線L1及一光線L2，再將光線L1及光線L2傳輸至第一準直儀4及第二準直儀5，光線L1與光線L2係具有180°之相位差。
第一準直儀4及第二準直儀5接收到光線L1及L2之訊號而依序經過光纖9及及狹縫10而傳送至光譜分析模組8進 行光譜檢測，再進一步傳送至如個人電腦11之處理單元進行分析等處理。
其中，光譜分析模組8係可為一多通道光譜儀(如圖1(a)所示)或者是至少二單通道光譜儀(如後述圖1(b)所示)，但並不以此為限。
而第一準直儀4的k -space(頻域)干涉訊號I1 係表示如下：
其中，E r 係為參考光線之振幅，n 係為樣品的折射率，a(z) 及a(z’) 係分別為從在樣品深度z 及z’ 所背向散射(backscatter)的振幅。
而第二準直儀5的k -space(頻域)干涉訊號I2 係表示如下：
其中，方程式(1)及(2)中均包含，係為一直流偏移常數(constant dc offset)，其係為光譜的自相關(autocorrelation)，其係為昔知單一檢測架構的輸出訊號。由於方程式(1)及(2)係產生直流及低頻雜訊(noise)，其係使影像中組織(tissue)的結構不 清楚。
為了解決此一問題，本發明係使用高性能多通道光譜儀(commercial available multi-channel spectrometer，HISPPEC VIR-0.5，P&P Optica Inc.)，其係為一堅固且低成本的光譜儀，並可達到200個通道。而本發明係以中心距離500μm之兩個通道(光纖輸入)進行說明，且每個通道光譜係投射在二維CCD(2048×512畫素，畫素尺寸為12×12μm)上的不同線條(如圖2所示)。
請參考圖3(a)及圖3(b)，係分別表示框在各自區域之畫素後，第一準直儀及第二準直儀連接光纖之二通道之結果的波形圖。圖3(c)係表示同時包含圖3(a)及圖3(b)之兩個波形的波形圖。其係明顯地可看出，第一準直儀4與第二準直儀5的訊號之間係具有π的相位差。而圖3(d)係表示第一準直儀與第二準直儀之訊號相減之後的波形圖。
將方程式(1)及(2)相減之後，k -space(頻域)係可表示如下：
而樣品之深度訊息係為將方程式(3)進行傅立葉轉換(Fourier Transform)，即從k -space(頻域)轉換成z -space(時域)。
光源之頻譜密度變動(spectral density fluctuation)係仍舊可造成方程式(3)中I diff 的變動，但其強度係正比於a(z)E r 。一般而言，樣品所背向散射的a(z) 係弱於E r ，使得輸出訊號實際上 是不受光源(如雷射)強度變動所產生之雜訊所控制。
本發明初始係使用一反射鏡(單一介面)當作樣品，以模擬樣品訊號的不同深度。以dB為單位之訊號雜訊比(SNR)係以附加光衰減濾片之損耗(damping)進行計算，以A掃描(A-scan)最高峰(peak)到雜訊底線(noise baseline)的差值決定。
請參考圖4(a)，係表示在不同檢測架構中以減光鏡減弱從一鏡面所獲得之樣品光訊號隨著深度遞減的波形圖。相較於傳統單一檢測光譜域光學同調斷層掃描技術(長虛線)或者是單一檢測加上背景相減法(background subtraction)(點虛線)，本發明之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描技術(實線)係表現出直流抑制(dc suppression)以及訊號加強。當使用13.5μW入射到樣品以及44.8dB的樣品光衰減時，使用過去標準SD-OCT系統所常採用之背景相減法之單一檢測系統係可將1mm內之訊號提升3~8dB的訊號雜訊比。然而，相較於前述單一檢測，本發明的平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描技術係可將1mm內之訊號提升8~14dB的訊號雜訊比。
請參考圖4(b)，係表示使用平衡偵測雙檢測架構(Balanced-detection double-detection scheme)以log刻度在0.2mm測量訊號最高峰為109.6dB訊號雜訊比之放大圖。相較於傳統單一檢測光譜域光學同調斷層掃描技術，當本發明的平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描技術提供35dB之直流抑制時，背景相減法係僅提供10dB的直流抑制。
另外，相互分開一空氣間隙而具有約200μm厚度的二載玻片，係當作是一多層樣品(四個界面)，用以顯示平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描技術消除自相關訊號的能力。請參考圖5(a)，係表示樣品分光束與目標物的架構示意圖。第一載玻片G1的前表面與後表面係分別以編號G11及G12表示，而第二載玻片G2的前表面與後表面亦係分別以編號G21及G22表示。利用傳統單一檢測光譜域光學同調斷層掃描技術獲得B掃描(B-scan)光學同調斷層掃描影像如圖5(b)所示。
當使用背景相減法，部分直流偏移(dc offset)與自相關訊號仍然存在無法完全消除，係如圖5(c)所示。而圖5(d)係表示本發明光譜域光學同調斷層掃描技術對於包括直流與交流之自相關雜訊係有較大的抑制。圖5(e)係表示相比較圖5(b)至圖5(d)之單一A掃描深度曲線圖。此資料係顯示相較於背景相減法，本發明的平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描技術係提供更有效率的背景特徵抑制，包括直流雜訊以及在每一玻片(交流雜訊)表面間之反射光之間的干涉。
另外，請再參考圖1(b)，係表示本發明平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統之一第二實施例的架構示意圖。
本發明提供一種平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統1’，係包括透過光纖9而相連接的一光纖偶合器2’、一光纖循環器3’、一光纖準直儀4’、一光源模組5’、一樣品S’、一光譜分析模組6’以及一光纖式反射鏡7’。
其中，光源模組5’係與光纖循環器3’連接，光纖循環器3’係與光纖偶合器2’及光譜分析模組6’連接，光纖偶和器2’係與光纖準直儀4’及光纖式反射鏡7’連接，光纖準直儀4’係對準樣品S’，而光譜分析模組6’的另一端係連接一處理單元(如圖1(a)之元件編號11所示)。
光源模組5’係可為寬頻光源模組，其係可發射出之一光線L’係依序通過光纖循環器3’、光纖偶合器2’而分別至光纖式反射鏡7’及再透過光纖準直儀4’而至樣品S’，再同時反射至光纖偶合器2’而分別透過光纖偶合器2’及光纖循環器3’傳輸出一光線L1’及一光線L2’，再將光線L1’及光線L2’分別傳輸至光譜分析模組6’，光線L1’與光線L2’具有180°之相位差。
再者，光源模組7係可兩個光源提供不同波段之光線，或是單一個光源可以提供兩種不同波長光線；例如，兩個SLD(超亮發光二極體)提供中心波長分別在800nm及1300nm，頻寬各100nm範圍，並分別以中心波長相對應的兩台光譜儀接收這兩個光源的訊號，或者是一個白光光源(或超連續雷射光源)，頻寬涵蓋兩種波段(例如中心波長分別在800nm及1300nm，頻寬各100nm範圍)，光線L1經過僅讓中心波長在800nm頻寬100nm的光線可通過之光學濾片(optical filter)濾出訊號送進一台光譜儀；光線L2則放置僅讓中心波長在1300nm的光線可通過之光學濾片(optical filter)濾出訊號送進另一台光譜儀。
其中，光譜分析模組6’係可為一多通道光譜儀(如圖1(a)所示)或者是至少二單通道光譜儀(如圖1(b)所示)，但並不以此為限。
本實施例之作用與所達到的功效與前述第一實施例係為相同，故不再贅述。
雖然本發明使用了較佳實施例解釋本發明之裝置及其使用方法，但是這並不構成對本發明的限制。應說明的是，本領域的技術人員根據本發明的思想能夠構造出很多其他類似實施例，這些均在本發明的保護範圍之中。
1‧‧‧平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統
2‧‧‧第一分光鏡
3‧‧‧第二分光鏡
4‧‧‧第一準直儀
5‧‧‧第二準直儀
6‧‧‧接物鏡
7‧‧‧光源模組
8‧‧‧光譜分析模組
9‧‧‧光纖
10‧‧‧狹縫
11‧‧‧個人電腦
12‧‧‧反射鏡
L‧‧‧光線
L1‧‧‧光線
L2‧‧‧光線
G1‧‧‧第一載玻片
G11‧‧‧前表面
G12‧‧‧後表面
G2‧‧‧第二載玻片
G21‧‧‧前表面
G22‧‧‧後表面
S‧‧‧樣品
1’‧‧‧平衡偵測頻域光學同調斷層掃描系統
2’‧‧‧光纖偶合器
3’‧‧‧光纖循環器
4’‧‧‧光纖準直儀
5’‧‧‧光源模組
6’‧‧‧光譜分析模組
7’‧‧‧光纖式反射鏡
L’‧‧‧光線
L1’‧‧‧光線
L2’‧‧‧光線
S’‧‧‧樣品
圖1(a)係表示本發明平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統之一第一實施例的架構示意圖。
圖1(b)係表示本發明平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統之一第二實施例的架構示意圖。
圖2係本發明使用高性能多通道光譜儀(commercial available multi-channel spectrometer，HISPPEC VIR-0.5，P&P Optica Inc.)以中心距離500μm之兩個通道(光纖輸入)中每個通道光譜投射在二維CCD(2048×512畫素，畫素尺寸為12×12μm)上的不同線條之波形圖。
圖3(a)及圖3(b)係分別表示本發明框在各自區域之畫素後，第一準直儀及第二準直儀連接光纖之二通道之結果的波形 圖。
圖3(c)係表示同時包含圖3(a)及圖3(b)之兩個波形的波形圖。
圖4(a)係表示在不同檢測架構中以減光鏡減弱從一鏡面所獲得之樣品光反射訊號隨著深度遞減的波形圖。
圖4(b)係表示使用平衡偵測雙檢測架構(Balanced-detection double-detection scheme)以log刻度在深度0.2mm位置測量到最高峰為109.6dB訊號雜訊比之放大圖。
圖5(a)係表示樣品光束與目標物的架構示意圖。
圖5(b)利用傳統單一檢測光譜域光學同調斷層掃描技術獲得B掃描(B-scan)光學同調斷層掃描影像。
圖5(c)係表示背景相減法中部分直流偏移(dc offset)與自相關雜訊仍存在的影像。
圖5(d)係表示本發明平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描技術對於包括直流與交流之自相關雜訊有較大抑制的影像。
圖5(e)係表示相比較圖5(b)至圖5(d)之單一A掃描深度曲線圖。
1‧‧‧平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統
2‧‧‧第一分光鏡
3‧‧‧第二分光鏡
4‧‧‧第一準直儀
5‧‧‧第二準直儀
6‧‧‧接物鏡
7‧‧‧光源模組
8‧‧‧光譜分析模組
9‧‧‧光纖
10‧‧‧狹縫
11‧‧‧個人電腦
12‧‧‧反射鏡
L‧‧‧光線
L1‧‧‧光線
L2‧‧‧光線
S‧‧‧樣品

Claims (11)

  1. 一種平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，包括一第一分光鏡、一第二分光鏡、一第一準直儀、一第二準直儀、一接物鏡、一光源模組、一光譜分析模組、一光纖以及一狹縫，其中：該接物鏡軸向的一端係鄰近一樣品設置；該第一分光鏡係鄰近該接物鏡軸向遠離該樣品之一端設置；該第二分光鏡係該鄰近第一分光鏡遠離該接物鏡之一端設置；該第一準直儀係設置在該第一分光鏡橫向方向之一側；該第二準直儀係設置在該第二分光鏡之橫向方向的一側；該光源模組係設置在鄰近該第二分光鏡遠離該第一分光鏡之一端；以及該光纖的一端係與該第一準直儀及該第二準直儀連接，該光纖的另一端係透過該狹縫而與該光譜分析模組連接，而該光譜分析模組的另一端係連接一處理單元；其中，該光源模組發射出之一光線L係依序通過該第二分光鏡、該第一分光鏡而分別至該反射鏡及該樣品，再同時反射至該第一分光鏡而分別透過該第一分光鏡及該第二分光鏡折射出一光線L1及一光線L2，再傳輸至該第一準直儀及該第二準直儀，該光線L1與該光線L2具有180°之相位差。
  2. 如申請專利範圍第1項之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃 描系統，其中，該第一分光鏡係為一非偏極化分光鏡。
  3. 如申請專利範圍第1項之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，其中，該光源模組係為一超亮發光二極體，用以提供具有26nm之半高寬頻寬並在830nm波長之光線。
  4. 如申請專利範圍第1項之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，其中，該光譜分析模組係為一多通道光譜儀或者是至少二單通道光譜儀。
  5. 如申請專利範圍第1項之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，其中，該第一準直儀的k -space(光譜域)干涉訊號I1 係表示如下：，其中，E r 係為參考光線之振幅，n 係為樣品的折射率，a(z) 係為從在樣品深度z 所背向散射(backscatter)的振幅。
  6. 如申請專利範圍第5項之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，其中，該第二準直儀的k -space(光譜域)干涉訊號I2 係表示如下：。
  7. 如申請專利範圍第1項之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，其中，該光源模組係為兩個光源提供不同波段之光線，或是單一個光源可以提供兩種不同波長光線。
  8. 一種平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，係包括透過光纖而相連接的一光纖偶合器、一光纖循環器、一光纖準直儀、一光源模組、一樣品、一光譜分析模組以及一光纖式反射鏡，其 中：該光源模組係與該光纖循環器連接，該光纖循環器係與該光纖偶合器及該光譜分析模組連接，該光纖偶合器係與該光纖準直儀及該光纖式反射鏡連接，該光纖準直儀係對準該樣品，而該光譜分析模組的另一端係連接一處理單元；以及其中，該光源模組發射出之一光線L’係依序通過該光纖循環器、該光纖偶合器而分別至該光纖式反射鏡及再透過該光纖準直儀而至該樣品，再同時反射至該光纖偶合器而分別透過該光纖偶合器及該光纖循環器傳輸出一光線L1’及一光線L2’，再將該光線L1’及該光線L2’分別傳輸至該光譜分析模組，該光線L1’與該光線L2’具有180°之相位差；其中，該光線L1’的k -space(光譜域)干涉訊號I1 係表示如下：，而該光線L2’的k -space(光譜 域)干涉訊號I2 係表示如下：；其中，E r 係為參考光線之振幅，n 係為樣品的折射率，a(z) 係為從在樣品深度z 所背向散射(backscatter)的振幅。
  9. 如申請專利範圍第8項之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，其中，該光源模組係為一超亮發光二極體，用以提供具有26nm之半高寬頻寬並在830nm波長之光線。
  10. 如申請專利範圍第8項之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，其中，該光譜分析模組係為一多通道光譜儀或 者是至少二單通道光譜儀。
  11. 如申請專利範圍第8項之平衡偵測光譜域光學同調斷層掃描系統，其中，該光源模組係為兩個光源提供不同波段之光線，或是單一個光源可以提供兩種不同波長光線。
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