专利名称：用于使用频域干涉测量法进行光学成像的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及光学成像，且更具体地，涉及用于使用频域干涉测量法进行光学成像的方法和设备。
背景技术：
如本领域中所公知的，光学干涉测量反射测量法是一种有力的工具，其用于进行非入侵的、高分辨率ΓΙΟ μ m)的生物学或其它样品的横截面成像，以使诸如反射、吸收、散射、衰减、双折射和光谱分析的微结构的光学特性可视化。存在许多本领域中公知的干涉测量成像技术。这些技术总体而言可划分为两个主要类别:(i)时域技术，和(ii)频域技术。低相干干涉测量法(“LCI”)是时域技术之一。此技术使用扫描系统来改变参考臂长度并且在检测器处采集干涉信号。然后，对条纹图案解调以获得源互相关函数的相干包络。光学相干层析成像法(“0CT”)是一种用于使用LCI获得二或三维图像的技术。OCT在授予Swanson等人的美国专利N0.5，321，501中描述。已描述了 OCT技术的多个变形,但很多遭遇小于最佳的信噪比(“SNR”)，导致非最佳的分辨率、低成像帧速率和不良的穿透深度。功率使用是这种成像技术中的一个因素。例如在眼科应用中，在热损坏可发生前，只有特定毫瓦数的功率是可容忍的。因此，在这样的环境中增加SNR，提升功率是不可行的。尽管如此，将值得期望的是，有一种具有优良的SNR而显著增加功率需求的成像方法。不足的SNR亦可阻止以高的帧速率使用OCT技术，高的帧速率对于避免运动假象和克服例如可用于活体内血管成像的短测量时间窗是重要的。因此，期望一种改善SNR和成像速度(例如帧速率)的方法。
光谱干涉法或光谱雷达是频域成像技术之一。在光谱雷达中，样品和参考臂光的交叉谱密度的实部用光谱仪测量。深度分布信息可以依据交叉谱密度调制来编码。前面已描述了用来增加LCI和OCT的SNR的光谱雷达概念的使用。此技术使用具有大数目的像素(1，000的量级)的电荷耦合器件(“CXD”)以达到毫米量级的扫描范围。CXD器件的快速读出使得高速成像成为可能。然而，存在许多与使用CCD器件相关联的缺点。首先，与单元件光电接收器相比，CCD器件相对昂贵。其次，前面描述的方法使用单个CCD来采集数据。由于电荷存储容量是有限的，所以需要将参考臂功率减小到大约与样品臂功率相同的水平，引起了样品臂光上的自相关噪声。另外，由于没有生成载流子，所以在此系统中的噪声中，Ι/f噪声将起支配作用。第三，即使以现有CCD技术的短的积分时间，干涉计中的相位不稳定性仍减小交叉谱密度调制的条纹可见度。此缺陷使得该技术易受运动假象的影响。
相干的频率调制的连续波反射测量法(C-FWCW)是本领域中公知的另一频域技术。授予Swanson等人的美国专利N0.5，956，355和6，160，826描述了使用此技术的光学成像方法和设备。前面描述的成像方法基于使用连续调谐的单频激光器作为光源。要求调谐波长范围为几十个纳米以实现小于100微米的测距分辩率(ranging resolution)。激光器的瞬时线宽必须小于约0.1nm以实现1.0mm量级的检测范围。调谐速率应大于IOkHz以便高速(例如视频速率)成像。虽然外腔式半导体激光器可以配置成在几十个纳米上实现无跳模的单频调谐，但调谐速率由于机械稳定性的严格要求而已小于1Hz。克服此速度困难的方法是优选的。 因此，将值得期望的是，提供一种克服传统LCI和OCT的源可用性和扫描速度缺陷的系统和方法。
发明内容
根据本发明示例性的实施例，一种示例性的光学频域成像(“0FDI”)系统可包括多频率模(或多纵向或轴向模)波长扫描激光源(wavelength-swept laser sourse),其光稱合到包含所研究的样品的干涉计。该系统可进一步包括配置成产生从样品反射的光和参考光之间的正交的干涉测量信号的装置以及设置成接收所述干涉测量信号的检测器。利用这样的示例性的特定装置，可以提供一种OFDI系统，该系统可以以与传统系统的源功率相比相对低的源功率来操作，并且/或者该系统以与传统系统的采集速率相比相对高的采集速率来操作。扫描源的使用导致具有减小的散粒噪声和其它形式的噪声的成像系统，其允许比传统系统低得多的源功率或高得多的采集速率。这可导致增加的检测灵敏度，从而导致提供实时成像的能力。这样的成像速度可帮助胃肠、眼科和动脉成像领域中的从业者，在这些成像领域中，运动假象是持续的问题。通过增加帧速率同时维持或改善信噪比，这样的假象可被最小化或在一些情况下被消除。本发明的示例性的实施例亦可利用OFDI实现对组织的大面积的筛选并且允许实现临床上可行的筛选协议的使用。在本发明的一个示例性的实施例中，可以提供波长扫描激光器，其可以在激光腔中使用光学带通扫描滤 波器来产生迅速扫描的多频率模式输出。通过在激光腔中使用光学带通扫描滤波器，不必要调谐激光腔长度以提供激光光谱的同步调谐。换言之，不需要以与激光器的中心波长相同的速率来调谐激光器的纵腔模。在本发明的另一示例性的实施例中，检测器可以是双平衡接收器，其设置成接受干涉测量信号并且抑制干涉测量信号中的相对强度噪声。通过进行傅立叶域中的信号处理，根据本发明的一个示例性实施例的信噪比(“SNR”)的增益优于诸如OCT的时域方法。SNR提高到N倍，N为深度范围与空间分辨率的t匕。提高倍数N可达到几百至几千。此SNR的增加使得能够成像得快到N倍，或可替换地允许以与具有低到1/N的功率的源相同的速度来成像。结果，本发明的该示例性的实施例克服了传统LCI和OCT的两个重要的缺陷，例如源可用性和扫描速度。因子N可达到大于1，000，并且允许构造OFDI系统，其可以自当前实践中的OCT和LCI技术改进三个数量级以上。实现了 SNR的增益是因为，例如，散粒噪声具有白噪声谱。频率ω (或波长λ )处的存在于检测器的信号强度只对频率ω处的信号有贡献，但是散粒噪声在所有频率处生成。通过使每个检测器的光学带宽变窄，可以减小每个频率处的散粒噪声贡献，同时信号成分保持相同。与OCT相比，根据本发明的示例性的实施例改善了当前数据采集速度和源的可用性。散粒噪声归因于电流的统计波动，该统计波动归因于量子化的或离散的电荷。散粒噪声的减小允许低得多的源功率或高得多的采集速率。当前数据采集速率的限制Γ4帧/秒)是由可用的源功率和用于扫描延迟的快速机制的可用性而施加的。检测灵敏度的到8倍的增加将允许以约每秒30帧的速度来实时成像。灵敏度的到约1，000-2，000倍的增加允许使用具有低得多的功率和高得多的谱带宽的源，其易于获得、生产较便宜并且可以生成较高分辨率的OFDI图像。针对OFDI的眼科应用，有效的检测优选地允许显著增加采集速度。眼科应用的一个限制是根据ANSI标准允许进入眼睛的功率(在830nm处大约700微瓦)。眼科应用中的当前数据采集速度是每秒大约100-500个A-线。本发明的功率效率高的检测技术将允许每秒约100，000个A-线的量级的A-线采集速率，或以每个图像约3，000个A-线的视频速
率成像。为了实现至少一 些本发明的目的，提供了根据本发明的一个示例性的实施例的设备和方法。具体而言，至少一个第一电磁辐射可以提供给样品，并且至少一个第二电磁辐射可以提供给非反射的参考。第一和/或第二辐射的频率随着时间变化。在关联于第一辐射的至少一个第三辐射与关联于第二辐射的至少一个第四辐射之间检测干涉。可替换地，第一电磁辐射和/或第二电磁辐射具有随着时间变化的谱。所述谱在特定时间处可以包含多个频率。另外，有可能以第一偏振态检测第三辐射与第四辐射之间的干涉信号。此外，可以优选地以不同于第一偏振态的第二偏振态检测第三和第四福射之间的又一干涉信号。第一和/或第二电磁辐射可以具有中值频率以大于每毫秒100万亿赫兹(Tera Hertz)的调谐速度随时间基本上连续变化的谱。在本发明的一个示例性的实施例中，第三辐射可以是从样品返回的辐射，并且至少一个第四辐射是从参考返回的辐射。第一、第二、第三和/或第四辐射的频率可以移位。可基于所检测的干涉来生成图像。可以使用探头，其扫描样品的横向位置以生成扫描数据，并且将扫描数据提供给第三装置以便生成图像。扫描数据可以包括在样品上的多个横向位置获得的所检测的干涉。可以使用至少一个光电检测器和至少一个电滤波器，该电滤波器跟随着跟随有电滤波器的光电检测器。电滤波器可以是带通滤波器，其具有大约与通过频移装置的频移的量值相同的中心频率。电滤波器的传输特性(transmission profile)可基本上在其通带上变化。所述探头可包括旋转的接合和光纤导管。该导管可以以高于每秒30转的速度旋转。可以提供至少一个偏振调制器。可以使用至少一个偏振分集(polarization diverse)接收和/或偏振分集和双平衡接收器。还有可能跟踪下列相位差:.第一电磁辐射和第二电磁辐射之间，和/或.第三电磁辐射和第四电磁辐射之间。根据本发明的又另一示例性的实施例，可以发射第一和第二电磁辐射，它们中的至少一个具有中值频率以大于每毫秒100万亿赫兹的调谐速度随时间基本上连续变化的
-1'TfeP曰。
根据本发明的又一示例性的实施例，提供了一种设备。这样的设备包括至少一个第一装置，其将至少一个第一电磁辐射提供给样品并且将至少一个第二电磁辐射提供给参考。该设备还包括:至少一个第二装置，其适于移位第一电磁辐射和第二电磁辐射的频率；以及干涉计，其将第一和第二电磁辐射干涉以产生干涉信号。此外，该设备包括至少一个第二装置，该装置检测第一和第二电磁辐射之间的干涉。此外，根据本发明的另一示例性的实施例，提供了一种系统、方法、软件设置(software arrangement)和存储介质以用于确定关联于组织的结构和组成中的至少一个的特定数据。具体而言，接收关联于干涉测量信号的信息，该信息形成自从样品获得的至少一个第一电磁福射和从参考获得的至少一个第二电磁福射。第一和/或第二电磁福射被频移。采样该信息以生成第一格式的采样数据。此外，采样数据变换成第二格式的特定数据，第一和第二格式彼此不同。
为了更全面地理解本发明及其优点，现在参考结合附图进行的下面的描述，其中:图1是时域光学相干 层析成像法(“0CT”)系统的块图；图2是使用光谱雷达技术进行频域成像的系统的块图；图3A是根据本发明的一个示例性的实施例使用相干单频调谐源进行频域成像的系统的块图；图3B和3C是一起获取的波长相对于振幅的曲线图，其图示了由图3A的系统产生的频移的发生；图3D是由图3A的系统生成的拍频信号(beat signal)的曲线图；图4A是根据本发明的另一示例性的实施例的使用多纵模波长扫描源进行频域成像的系统的块图；图4B和4C是一起获取的波长谱的曲线图，其图示了由图4A的系统生成的频移的发生；图4D是由图4A的系统生成的拍频信号的曲线图；图5是根据本发明的另一示例性的实施例的使用波长扫描源进行频域成像的系统的块图；图6是根据本发明的一个示例性的实施例的光学波长可调谐滤波器装置的块图；图7是根据本发明的一个示例性的实施例的波长扫描激光器装置的块图；图8A是在图7的波长扫描激光器装置的输出处测得的激光输出光谱的示例性的曲线图；图SB是在图7的波长扫描激光器的输出处测得的激光输出的示例性的曲线图；图9A是根据本发明的再一示例性的实施例的带有多面镜(polygonal mirror)的波长可调谐滤波器装置的块图；图9B是根据本发明的又一示例性的实施例的具有反射盘(refiectivedisk)的波长可调谐滤波器装置的块图；图1OA是根据本发明的又一示例性的实施例的包括波长扫描激光器和偏振分集平衡检测(“H)BD”)回路的光学频域成像(“OFDI”)系统的块图；图1OB是图1OA中所示的示例性的探头装置的块图；图1OC是图示了使用图1OA的系统的载频外差检测(carrier-frequencyheterodyne detection)的示例性输出的多个曲线图；图11是使用本发明的示例性的实施例获得的人指尖的示例性的活体内图像；图12是根据本发明的一个示例性的实施例的相位跟踪器装置的块图；图13是根据本发明的具有相位跟踪器的OFDI系统的一个示例性的实施例的块图；图14A-14C是图示了根据本发明的用于相位跟踪器操作的示例性的技术的流程图；图15是根据本发明的另一示例性的实施例的OFDI系统的简化图；图16 Ca)和16 (b)是根据本发明的频移的效应、即深度相对于信号频率的曲线图；图17是根据本发明的又一示例性的实施例的采用两个声光频移器的OFDI系统的块图；图18 Ca)和18 (c)是根据本发明的不用映射过程测得的点扩展函数的曲线图；以及图18 (b)和18 Cd)是根据本发明的利用映射过程测得的点扩展函数的曲线图。
在全部附图中，除非另外声明，相同的参考数字和字符用来指示图示的实施例的类似的特征、元件、部件或部分。而且，尽管现在将参考附图详细描述本发明，其也是与说明性的实施例相结合来进行的。
具体实施例方式图1示出了示例性的现有技术的时域光学相干层析成像法(“0CT”)系统10，其包括将信号提供给二对二分光器14的第一臂14a的宽带源12。分光器分割在端口 14a提供给它的信号，并且在耦合到参考臂16的端口 14b提供该信号的第一部分。分光器14还在耦合到样品臂18的端口 14c提供该信号的第二部分。样品臂18终结于样品体积19，并且用于提供样品体积的侧向扫描的装置22被设置在样品体积19之前的样品臂18中。参考臂16终结于用于提供轴向扫描的装置20中。装置20和22的操作在本领域中众所周知。从装置20和样品体积19分别沿着参考和样品臂16、18反射回的信号耦合回到分光器14的相应端口 14b、14c，并耦合到产生轴向扫描数据26的检测器24，这是众所周知的。其全部公开通过引用结合于此的美国专利6，341，036描述了与以上所述并在图1中示出的系统相似的系统。一般而言，在扫描参考臂路径长度16时，形成了干涉条纹，其对应于与到样品体积19中的三个结构19a、19b、19c的距离匹配的位置。单个检测器24用来检测干涉条纹。通过条纹图案的包络检测，构造了图像26，其将组织反射率映射到给定位置。如将根据在此下面所描述的某些示例性实施例而显而易见的，本发明的一个示例性的实施例涉及一种系统，其利用了基于光谱雷达概念(又称为谱域OCT)的检测原理和/或谱域和时域OCT之间的混合方法，该方法优选地比当前现有时域OCT灵敏，从而允许采集速度与分辨率的比的基本增加。先前已在相关出版物中描述了时域OCT中的信噪比(“SNR”)的分析。时域OCT中的干涉条纹峰值振幅由下面给出:
权利要求
1.一种设备，包括: 至少一个第一装置，其将至少一个第一电磁辐射提供给样品并且将至少一个第二电磁辐射提供给参考，其中所述第一和第二电磁辐射中的至少一个具有中值频率以大约15.7K赫兹的重复速率基本上连续变化的谱；以及 至少一个第二装置，其检测关联于所述至少一个第一辐射的至少一个第三辐射与关联于所述至少一个第二辐射的至少一个第四辐射之间的干涉。
2.一种方法，包括下列步骤: 将至少一个第一电磁辐射提供给样品并且将至少一个第二电磁辐射提供给参考，其中所述第一和第二电磁辐射中的至少一个具有中值频率以大约15.7K赫兹的重复速率基本上连续变化的谱；以及 检测关联于所述至少一个第一辐射的至少一个第三辐射与关联于所述至少一个第二辐射的至少一个第四辐射之间的干涉。
全文摘要
提供了一种用于使用频域干涉测量法进行光学成像的方法和设备。具体而言，至少一个第一电磁辐射可以提供给样品并且至少一个第二电磁辐射可以提供给非反射的参考。所述第一和/或第二辐射的频率随时间变化。在关联于所述第一辐射的至少一个第三辐射与关联于所述第二辐射的至少一个第四辐射之间检测干涉。可替换地，所述第一电磁辐射和/或第二电磁辐射具有随时间变化的谱。所述谱在特定时间可以包含多个频率。另外，有可能以第一偏振态检测所述第三辐射与所述第四辐射之间的干涉信号。此外，可以优选地以不同于所述第一偏振态的第二偏振态检测所述第三和第四辐射之间的又一干涉信号。所述第一和/或第二电磁辐射可以具有中值频率以大于每毫秒100万亿赫兹的调谐速度随时间基本上连续变化的谱。
文档编号A61B5/00GK103181753SQ20131002285
公开日2013年7月3日 申请日期2004年9月8日 优先权日2003年10月27日
发明者尹锡贤, 布雷特·尤金·鲍马, 吉列尔莫·J·蒂尔尼, 约翰内斯·菲茨杰拉德·德·布尔 申请人:通用医疗公司