改进型sd-oct系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种改进型SD-OCT系统，用于观测组织的浅层微观形态信息。所述SD-OCT系统包括激光发射器、耦合器、探测器、色散补偿单元以及PC上位机。激光经相同长度的光纤和相同的光纤准直器照射在样本和参考臂反射镜上，色散补偿单元对探测器记录的干涉信号采用分层多步色散补偿算法进行色散补偿，在色散补偿中使用预畸变矫正以克服重影；同时，本系统利用参考臂方向上的调节，将SD-OCT与TD-OCT的扫描方式进行结合，计算得到样品不同深度下的光谱信息。本发明使得图像的分辨率得到了显著提高，可以获得更多的数据信息，使得图像空间分辨率和谱分辨率都达到最佳，可获取样品不同深度下的光谱信息。
【专利说明】改进型SD-OCT系统
【技术领域】
[0001]本发明属于医学监测【技术领域】，涉及一种基于光学相干层析成像技术与原理的用于观测组织的浅层微观形态信息的装置，具体是一种改进型SD-OCT系统。
【背景技术】
[0002]OCT (Optical Coherence Tomography)是最近几年发展起来的结合光谱分析的光学相干层析技术。OCT技术主要利用弹道光和近弹道光所携带的样品信息进行成像。利用干涉门技术可以对样品不同深度的光学特性(折射率等)进行调制，然后对捕获的光学信号进行特定的解调处理就可以得到样品不同深度的断层图像。光谱分析OCT (Spectroscopic0CT，S0CT)不仅分析回射光的强度，同时也分析回射光的光谱。通过这种联合分析，SOCT在获取高分辨率的组织微形态图像的同时，也可以获得相对应的组织成分空间分布。
[0003]OCT是基于干涉测量技术来进行深度扫描的，其中在物理实现上最常用的就是迈克尔逊干涉仪，如图1所示。光源发出的单色光射入分光立方体之后被分成两束，一束射向参考臂反射镜，一束射向样品；两束光分别反射回来之后在分光立方体处发生干涉；通过分析干涉信号，由探测器探测到图像信息。
[0004]现有的低相干干涉仪LCI，它与单色光迈克尔逊干涉仪光路结构完全一样，但是在LCI系统中采用了宽带光源来取代单色光，从而产生低相干干涉。LCI系统因为使用了宽带光源，其相干长度变得很短。利用这一特性就可以实现对样品反射回来的光信号进行深度筛选。
[0005]现有采用光谱仪技术的谱域光学相干层析成像系统(Spectral-Domain OpticalCoherence Tomography,简称SD-0CT),不仅极大地提高了 OCT的扫速度,而且在信噪比、灵敏度上都有了显著的提升，SD-OCT中干涉信号分布在频率域，深度信号通过傅里叶变换在频域被解调出来。
[0006]在SD-OCT系统中参考臂和样品臂的色散不匹配会造成深度分辨率的严重下降。色散是由光在介质中的传播函数对波长的依赖性造成的。在全光纤SD-OCT系统中，如果参考臂和样品臂的色散没有匹配，问题将变得更加突出。
[0007]SOCT存在空间分辨率和谱分辨率之间的权衡，在获得较高空间分辨率的情况下必然后降低系统的谱分辨率，这实际上限制了 SOCT技术的应用。
【发明内容】
[0008]本发明针对现有光谱分析OCT (SOCT)在空间分辨率和谱分辨率之间的权衡，使得现有的OCT不可能在获得较高空间分辨率的情况下同时提高谱分辨率的问题，提出了一种改进型SD-OCT系统。本发明改进型SD-OCT系统还可以获取更多图像数据信息，以可获得样品不同深度下的光谱信息。
[0009]本发明的改进型SD-OCT系统，包括激光发射器、耦合器、探测器、色散补偿单元以及PC上位机。激光发射器发出的激光经过耦合器分成两束，激光经相同长度的光纤和相同的光纤准直器，分别照射在样本和参考臂反射镜上。从样本和反射镜反射回来的光在耦合器处发生干涉，干涉信号由探测器记录并发送给色散补偿单元。色散补偿单元对输入的干涉信号进行色散补偿，并将色散补偿后得到的图像传入PC上位机进行显示。
[0010]所述的色散补偿单元对干涉信号进行色散补偿，将成像深度3.7_分为η个区域，针对采集的每一帧原始图像进行η次色散补偿处理，每一次补偿使得相应的图像在成像深度1-η个区域处的色散为零，色散补偿产生η幅图像，将η幅图像和原始图像分别加窗后融合为一幅，产生最终图像。η小于Ν/2，N表示探测器像素数；
[0011]所述的改进型SD-OCT系统，利用参考臂方向上的调节，将SD-OCT与TD-OCT的扫描方式进行结合，具体是:将样品分为一个个体素，设每一个体素的高度为Λ ζ，样品成像深度范围内分为M层，M为正整数；参考臂方向上的移动是指反射镜每次沿光程方向上移动步长△ ζ，随参考臂光程的改变，获取光谱仪第j个采样点的量化结果，当反射镜移动了 M步后，获得光谱仪第j个采样点在参考臂方向上的一个完整的M步扫描，利用M个量化结果获取样品不同深度下的光谱信息。
[0012]本发明的改进型SD-OCT系统及样本光谱获取方法，其优点和积极效果在于:
[0013](1)通过分层多步色散补偿和预畸变矫正使得图像的分辨率得到了显著提高，实验证明可使得分辨率提高30% ；
[0014](2)将SD-OCT与TD-OCT的扫描方式进行结合，从而可以获得更多的数据信息，使得图像空间分辨率和谱分辨率都达到最佳，获取样品不同深度下的光谱信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是迈克尔逊干涉仪的原理示意图；
[0016]图2是本发明的SD-OCT系统的原理结构示意图；
[0017]图3是样品二维调节的示意图；
[0018]图4是本发明的分区补偿的示意图；
[0019]图5是本发明的色散补偿单元进行色散补偿的流程图；
[0020]图6是本发明在参考臂的调节示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面将结合附图和实施例来说明本发明的技术方案。
[0022]如图2所示，本发明的SD-OCT系统包括如下组成部分:激光发射器1、耦合器2、探测器3、色散补偿单元4以及PC上位机5。由激光发射器I发出一束激光，经过耦合器2分成两束，经光纤分别照射在样本6和参考臂反射镜7上。从样本6和反射镜7反射回来的光在耦合器2处发生干涉，干涉信号由探测器3记录并发送给色散补偿单元4，经过色散补偿的信号传入到PC上位机5上进行分析处理。连接耦合器2照射样本6的光路称为样本臂，连接耦合器2照射反射镜7的光路称为参考臂。耦合器2连接相同长度的光纤用于照射样本6和反射镜7。本发明实施例中探测器3为线阵探测器，线阵探测器的像素数为N。
[0023]由于光学相干层析成像技术的横向分辨率和深度分辨率可以达到微米量级，因此为了满足系统精确对焦和样品微动测量的需要，本发明中采用高精度的二维载物台放置样品6。本发明所采用的精密载物台，其台面尺寸为70mmX70mm，最高分辨率可以达到0.025 μ m,累积误差< 10 μ m/20mm,水平直线度< 0.5 μ m/20mm,垂直直线度< I μ m/20mm。配合五相步进驱动器，二维载物台的绝对定位精度可以达到Iym以内。在20mmX20mm的视场范围内可以通过微动样品实现对试样结构Iym以内的高精度测量。
[0024]稱合器2通过光纤将激光出射给扫描振镜,利用光纤准直器将光束中心与扫描振镜中心重合，光路共轴。扫描振镜将激光出射给远心镜头，然后采集样本6的图像，扫描振镜的中心与远心镜头的焦点重合。如图3所示，为将样本6在载物台的水平面上进行X轴和Y轴方向上的位置调整示意。
[0025]为了实现精密对焦，本发明采用电动对焦系统。电动对焦系统在手动步进对焦模式下可以实现5 μ m的对焦分辨率，在程控模式下分辨率可以达到I μ m,已经接近光学层析显微技术的深度分辨率极限，完全可以满足本发明系统需要。
[0026]整套精密载物台和电动对焦系统采用两种控制模式:手动步进动作模式和程控工作模式。在手动步进工作模式下，通过转动手动操作台的三个编码手轮实现精密载物台步进控制。在手动步进工作模式下，载物台的X-Y位移步长为Iy m，Z轴对焦步进步长分辨率为5μπι。对精密载物台和电动对焦系统的控制系统采用FPGA(Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)实现，全并行控制模式，以硬件的方式实现对手轮脉冲信号的解调，同时实现毛刺去除，手轮半步识别，抖动去除等。
[0027]本发明的改进型SD-OCT系统选用的扫描振镜能够达到15 μ Rad的分辨率，重复定位精度15 μ Rad。扫描振镜在不同扫描角度和不同深度下聚焦光斑的尺寸都能满足系统要求。使用该透扫描振镜可以保证在±8°的扫描范围内，5mm以内的成像深度下光斑尺寸<25 μ m0从而有效地保证了系统的横向分辨率。为实现远心镜头焦点与扫描振镜中心重合，光纤准直器光束中心与扫描振镜中心重合，光路共轴的要求，并考虑到机械加工的精度难以保证，所以采用了六维度微调机构来保证光路的精度。精密二维手动调整平台用以调整扫描振镜的中心与远心镜头的焦点重合。四维调整架则用来调整光纤准直器出射光束中心与扫描振镜的中心重合，光路同轴调整等。调整完成的评价标准是当扫描振镜工作时，扫描在反射镜表面测得的反射信号与扫描位置基本无关，即扫描振镜工作角改变不影响光纤准直器的耦合效率。满足该条件时，可以推知光路基本同轴，调整结束。
[0028]SD-OCT系统涉及复杂的系统同步和触发工作，因此必须仔细设计各个子系统的触发信号，从而保证系统稳定高速工作。为了简化设计，SD-OCT系统采用统一的全局触发信号。为了充分利用发挥扫描振镜的扫描速度，规避大幅度摆动时的稳定时间，选用了三角波扫描方式，即扫描振镜运动一个周期可以进行两次B型扫描，该扫描方式需要在后处理阶段对图像进行隔帧翻转操作，虽然增加了算法的复杂性，但是有利于将扫描振镜的扫描速度发挥到极限。在这种触发模式下，SD-OCT系统在全局使用统一的触发信号,一方面简化了系统复杂度，另一方面使得系统的稳定性得到增强。采用全局触发控制信号进行系统的同步和触发控制，实现了多任务多器件的并行工作，最大限度的优化了系统运行的速度，使得SD-OCT成像在现有器件性能的基础上达到了最高，接近6帧每秒。
[0029]考虑到光纤系统的灵活性优势，本发明选用了全光纤光路方案。其中参考臂和样品臂各加入光纤偏振控制器以修正由光纤造成的偏振态改变，从而可以提高I禹合器2的干涉效率，进而增加系统的信噪比。另外在探测器3中的光谱仪光纤入口端加入光纤偏振控制器，可以调整入射激光的偏振角使得光栅系统的分光效率最高。本发明实施例中，设置激光发射器I的工作电流为700mA，此时，激光半峰全宽FWHM=107.3nm，可以获得的最高分辨率为7.2 μ m。
[0030]在OCT系统中参考臂和样品臂的色散不匹配会造成深度分辨率的严重下降。色散是由光在介质中的传播函数ΨΟΟ对波长的依赖性造成的。在全光纤OCT系统中，如果参考臂和样品臂的色散没有匹配，问题将变得更加突出。
[0031]任何介质中光的传播函数Ψ (k)都可以在中心波数1?处做泰勒展开，如式⑴:
[0032]
【权利要求】
1.一种改进型SD-OCT系统，包括激光发射器、耦合器、探测器以及PC上位机，其特征在于，所述SD-OCT系统还包括色散补偿单元；激光发射器发出的激光经过耦合器分成两束，激光经相同长度的光纤和相同的光纤准直器，分别照射在样本和参考臂反射镜上，从样本和反射镜反射回来的光在耦合器处发生干涉，干涉信号由探测器记录并发送给色散补偿单元，色散补偿单元对输入的干涉信号进行色散补偿，并将色散补偿后的图像传入PC上位机进行显示；所述的色散补偿单元对干涉信号进行色散补偿，将成像深度3.7mm分为η个区域，对采集的一帧原始图像进行η次色散补偿处理，每一次补偿使得相应成像深度1-η个区域处的图像的色散为零，色散补偿产生η幅图像，将η幅图像和原始图像分别加窗后融合为一幅，产生最终图像；η小于Ν/2，N表示探测器像素数。
2.根据权利要求1所述的改进型SD-OCT系统，其特征在于，所述的改进型SD-OCT系统，利用参考臂方向上的移动将SD-OCT与TD-OCT的扫描方式结合，具体是:将样品分为一个个体素，设每一个体素的高度为Δζ,样品成像深度范围内分为M层，M为正整数；参考臂方向上的移动是指反射镜每次沿光程方向上移动步长Λζ，随参考臂光程的改变，获取光谱仪第j个采样点的一个量化结果，当反射镜移动了 M步后，获得光谱仪第j个采样点在参考臂方向上的一个完整的M步扫描，利用M个量化结果获取样品不同深度下的光谱信息。
3.根据权利要求1所述的改进型SD-OCT系统，其特征在于，所述的色散补偿单元，采用分层多步色散补偿算法对干涉信号进行色散补偿，具体为: 第一步，对采集的原始图像进行带通滤波，得到不同频段的干涉信号，对应为不同深度的图像信息； 第二步，对不同深度的干涉信号进行一阶和二阶色散补偿； 第三步，调整一阶色散补偿系数和二阶色散补偿系数，使得各深度条带图像的对比度达到最闻； 第四步，对各深度图像进行深度方向的畸变修正； 第五步，将各深度图像和原始图像配准融合，得到最终的图像。
4.根据权利要求3所述的改进型SD-OCT系统，其特征在于，所述的色散补偿单元，对各深度图像进行深度方向的畸变修正，具体是:通过设定变形向量进行图像预畸变。
【文档编号】G01N21/45GK103698301SQ201410003321
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】李昂, 李晓鹏, 盛广济, 樊瑜波, 李德玉, 牛海军 申请人:北京航空航天大学