一种基于碳纳米管的光学相干层析成像方法和装置与流程

本发明属于光学相干层析成像技术领域，具体公开了一种基于碳纳米管的光学相干层析成像方法和装置。

背景技术：

光学相干层析成像技术(oct)是20世纪90年代逐步发展而成的一种新的三维层析成像技术。oct基于低相干干涉原理获得深度方向的层析能力，通过扫描可以重构出生物组织或材料内部结构的二维或三维图像，其信号对比度源于生物组织或材料内部光学反射(散射)特性的空间变化。为了能呈现出更深的生物组织结构，oct系统一般用穿透性强的近红外光作为光源。

oct能够为生物组织提供实时、无损、高分辨的三维层析图片，已经在多个医学领域有应用。然而，oct在进行成像时，也存在着一些不足之处。以对肿瘤的诊断为例，由于肿瘤组织与周围正常组织的成分基本相近，因此，在oct成像图中就很难看出正常与异常组织的区别。对比试剂可以增强oct对肿瘤的探测灵敏度和特异性。碳纳米管(cnt)是一种管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层的c是sp2杂化，形成六边形平面的圆柱面。碳纳米管，在近红外区域对激光能量具有强烈吸收效应。

现在市场上用于提高oct成像对比度的成像方法主要有两大类，分别是通过算法对采集到的数据进行处理提高成像对比度和使用物理方法直接提高采集到的信息的对比度(目标区域的信号值与非目标区域的信号值之比)。

其中算法主要是传统的线性对比度拉升以及全局直方图均衡化，最近的自适应直方图均衡化以及自适应对比度增强。算法类方法都是先通过对用oct采集到的信号进行图像分割处理，得到目标区域与非目标区域的信号区域，再分别对目标区域与非目标区域的信号进行不同的算法处理。提高目标区域的信号，抑制非目标区域的信号，以此来达到提高成像对比度。

物理方法可以自由选择需要增强的区域，并且不用对oct系统采集到的数据进行外加数据处理就可得到对比度较高的图像。这种用物理方法可在两个采集信息区域边缘差别较小的信号中准确的对目标区域或非目标区域进行处理，如对目标区域涂抹吸收扫描激光能量的物质。

传统的方法虽然简单，但是都没有考虑到局部的信息，并且全局直方图均衡化还会产生使得一些噪音过度加强。最近的方法虽然较之传统的方法提高的对比度更高，但是对比度仍然不高。并且算法的方法都只能用在提高通过oct采集到的两个信息区别较大的区域，对于原始信息的目标区域与非目标区域的信号区域边缘差别不大时就难以准确的提取两个信号区域以及实现对比度提高，甚至使图像失真。物理方法得到的图像并不能完全的提高目标区域的信号值或抑制非目标区域的信号值，并且某些物理方法的处理过程耗时、繁琐。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于碳纳米管的光学相干层析成像方法和装置，旨在解决现有光学相干层析成像中非目标区域对扫描激光具有较强的反射使得到的图像中非目标区域的信号值过高而导致信噪比低，成像效果差的缺陷。

为此，本发明提供了一种基于碳纳米管的光学相干层析成像方法，包括：

将碳纳米管溶液在成像目标中渗透，使得所述碳纳米管溶液中的碳纳米管分布于所述成像目标的目标区域；

激光照射在所述成像目标以获取所述成像目标的目标区域和所述非目标区域的图像，其中，所述目标区域内的碳纳米管吸收部分所述激光使得所述目标区域的图像在所述成像目标的深度方向的衰减度大于所述非目标区域的图像。

优选地，制备所述碳纳米管溶液包括以下步骤：

将所述碳纳米管加入到磷脂化聚乙二醇溶液中进行超声波照射，使碳纳米管溶解；

将溶解后得到的悬浮液进行离心处理，取溶液中的上清液；

对所述上清液多次过滤以去除磷脂化聚乙二醇，得到所述碳纳米管溶液。

优选地，所述磷脂化聚乙二醇溶液的浓度为10mg/ml。

优选地，所述超声波照射时间为6小时。

优选地，对所述悬浮液进行离心处理的时间为1小时。

优选地，将碳纳米管溶液注射至成像目标后，等待所述碳纳米管溶液在所述成像目标中渗透。

优选地，所述碳纳米管溶液在所述成像目标中渗透的时间为1小时。

优选地，所述成像目标为生物组织。

一种基于碳纳米管的光学相干层析成像装置，包括：

碳纳米管溶液渗透模块，用于将碳纳米管溶液在成像目标中渗透，使得所述碳纳米管溶液中的碳纳米管分布于所述成像目标的目标区域；

成像模块，用于将激光照射在所述成像目标以获取所述成像目标的目标区域和所述非目标区域的图像，其中，所述目标区域内的碳纳米管吸收部分所述激光使得所述目标区域的图像在所述成像目标的深度方向的衰减度大于所述非目标区域的图像。

优选地，所述碳纳米管溶液通过以下方法制得：

将所述碳纳米管加入到磷脂化聚乙二醇溶液中进行超声波照射，使碳纳米管溶解；

将溶解后得到的悬浮液进行离心处理，取溶液中的上清液；

对所述上清液多次过滤以去除磷脂化聚乙二醇，得到所述碳纳米管溶液。

与现有技术相比，上述的基于碳纳米管的光学相干层析成像方法和装置利用碳纳米管是对红外光谱反射率极低的特性，对成像目标的目标区域渗透进碳纳米管，经过碳纳米管进行处理过的区域会因为碳纳米管吸收了大量的扫描激光能量，使该目标区域的反射光强降低，从而使用碳纳米管处理过的区域的信号大幅度降低，这样目标区域与非目标区域的信号对比度大，对光学相干层析成像对比度有较大的提高。

附图说明

图1是基于碳纳米管的光学相干层析成像装置的结构示意图。

图2是基于碳纳米管的光学相干层析成像装置的光路的结构示意图。

图3是基于碳纳米管的光学相干层析成像方法的流程图。

图4a是成像目标的样品目标区域的横截面图。

图4b是成像目标在同一深度下的信号图。

图4c是两个不同位置的深度信号图。

图中：

1--低相干宽带光源；2--光学环形器；3--90％反射的透镜；4--凸透镜；5--反射镜；6--1％反射的透镜；7--光功率检测器；8--二维振镜组；9--凸透镜；10--处理后的样品；11--承载台；12--光栅；13--凸透镜；14--线阵ccd相机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。在一些实施方式中，下述的成像目标优选为生物组织，例如动物肝脏等器官组织。oct系统基于低相干干涉原理获得深度方向的层析能力，通过扫描可以重构出生物组织或材料内部结构的二维或三维图像，其信号对比度源于生物组织或材料内部光学反射(散射)特性的空间变化。为了能呈现出更深的生物组织结构，oct系统一般用穿透性强的近红外光作为光源。为了提高对比度，在一些实施方式中，采用抑制目标区域的信号的方法，利用碳纳米管是对红外光谱反射率极低的特性，对成像目标的目标区域用碳纳米管进行处理。经过碳纳米管进行处理过的区域(目标区域)会因为碳纳米管吸收了大量的扫描激光能量，使该目标区域的反射光强降低，从而使用碳纳米管处理过的区域的信号大幅度降低。

图1是基于碳纳米管的光学相干层析成像装置的结构示意图。如图1所示，该基于碳纳米管的光学相干层析成像装置100包括碳纳米管溶液渗透模块110和成像模块120。

碳纳米管溶液渗透模块110用于将碳纳米管溶液在成像目标中渗透，使得所述碳纳米管溶液中的碳纳米管分布于所述成像目标的目标区域。

成像模块120用于将激光照射在所述成像目标以获取所述成像目标的目标区域和所述非目标区域的图像，其中，所述目标区域内的碳纳米管吸收部分所述激光使得所述目标区域的图像在所述成像目标的深度方向的衰减度大于所述非目标区域的图像。在一些实施方式中，成像模块包括oct扫描系统来扫描成像目标。图2是基于碳纳米管的光学相干层析成像装置的光路的结构示意图。如图2所示，光路结构中主要有四个光路系统，分别为参考臂光路系统、样品臂光路系统、光干涉与光栅系统和线阵ccd相机采集光信号系统。

在光路系统中，首先由低相干宽带光源1产生激光束从光学环形器2的1端口进入光学环形器2再从2端口出射，从端口2出射的激光照射到90％反射的透镜3上，由90％反射的透镜3将一束激光分为两束。

在参考臂光路系统中，上述由90％反射的透镜3透射的那束激光，经过调整使其垂直经过凸透镜4中心，并垂直照射到反射镜5上，形成一条可逆光路，将带有光程参照信息的光束返回到90％反射的透镜3，为检测光路系统提供光程参照值。

在样品臂光路系统中，上述由90％反射的透镜3反射的那束激光，经过1％反射的透镜6，将一小部分能量反射在光功率检测器7上实时检测计算扫描激光光强，经透镜6透射的激光进入二维振镜组8中，由二维振镜组8控制激光经过凸透镜9聚焦并对放在平台11上的样品10进行扫描，形成可逆光路。可逆光路，激光由样品反射回原来光路，并将带有光程参照信息的光束返回上述90％反射的透镜3，为检测光路系统提供光程样品值。

在光干涉与光栅系统中，上述的两个可逆光路反射回来的激光在90％反射的透镜3上发生干涉，干涉光进入光栅12进行分光，取分光后的第一级，用凸透镜13将分光后的激光聚焦成平行光。

在线阵ccd相机采集光信号系统中，上述由凸透镜13聚焦成平行光的激光用线阵ccd相机14的感光元件接收。线阵ccd相机采集到数据后，根据如下方法进行数据处理：

参考臂和样品反射回来的两束宽带激光在90％反射的透镜3上发生干涉后激光光强i为：

其中，r1，r2分别为参考臂和样品臂的反射系数；a为激光振幅幅度；k为波矢；δz为光程差；n为从一到不同的光程差总个数，即一到相机ccd总个数；y为干涉光不同的波长个数；x为1到y。而且不同的δzn对应不同的in。

然后对式(1)中的波矢kx空间进行傅里叶变化，就可得出不同的δz对应的光强信息，即可得到扫描样品的深度信息。

其中i是虚数单位。

图3是基于碳纳米管的光学相干层析成像方法的流程图。如图3所示，利用上述的基于碳纳米管的光学相干层析成像装置包括步骤s301～s302。

步骤s301：制备碳纳米管溶液。本步骤中，首先，将所述0.3mg碳纳米管加入到磷脂化聚乙二醇(pl-peg)溶液中进行超声波照射6小时，使碳纳米管溶解。其中，所述磷脂化聚乙二醇溶液的浓度为10mg/ml。然后，将溶解后得到的悬浮液进行离心处理1小时(10000g)，取溶液中的上清液；最后，利用100kda过滤器(millipore)对所述上清液多次过滤以去除磷脂化聚乙二醇(pl-peg)，得到澄清的所述碳纳米管(cnt-peg)溶液。

步骤s302：将所述碳纳米管溶液在成像目标中渗透，使得所述碳纳米管溶液中的碳纳米管分布于所述成像目标的目标区域。本步骤中，将碳纳米管溶液注射至成像目标后，等待所述碳纳米管溶液在所述成像目标中渗透，所述碳纳米管溶液在所述成像目标中渗透的时间为1小时。

步骤s303：激光照射在所述待成像目标以获取所述成像目标的目标区域和所述非目标区域的图像，其中，所述目标区域内的碳纳米管吸收部分所述激光使得所述目标区域的图像在所述成像目标的深度方向的衰减度大于所述非目标区域的图像。本步骤中，通过oct扫描系统来扫描成像目标，获得该成像目标的目标区域和非目标区域的图像。

图4a是成像目标的样品目标区域的横截面图。如图4a所示，因为碳纳米管对红外光谱吸收率高、反射率低的特点，所以在注射了碳纳米管溶液的目标区域内反射光极低，激光未能进入到成像目标的内部，故采集图像中有碳纳米管材料溶液渗透的目标区域的信息比没渗透的非目标区域低，较好的抑制了目标区域的信号，极大的提高了采集图像的对比度。

图4b是成像目标在同一干涉深度下的信号图，如图4b所示，在碳纳米管渗透的目标区域与非渗透的非目标区域交接处的信号产生了断层，即渗透的目标区域与非渗透的非目标区域的信号对比度大。

图4c是两个不同位置的全部深度信息图。如图4c所示，虚线是渗透区域(目标区域)的信号，点划线是非渗透区域(非目标区域)的信号。由图可知，非渗透区域(非目标区域)的信号随深度缓慢衰减，渗透区域(目标区域)的信号只在样品表面有较高的值，之后快速衰减并比非渗透区域的信号离表面同等距离处低。说明碳纳米管材料溶液对oct成像对比度有较大的提高。

上述实施方式基于碳纳米管材料提高oct成像对比度的成像方法，并成功的完全抑制了渗透区域的信号，极大的提高了采集图像的对比度。本发明提出的提高oct成像对比度的方法操作简单、安全，容易实现，并极大的提高了oct成像对比度。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。