基于弱相干干涉的生物膜胶原束取向光学检测方法和系统

1.本发明涉及用于植入物的生物假体组织的胶原束的取向检测，更具体地涉及用于人工心脏生物瓣膜小叶制作的生物膜的胶原束取向的光学无损检测方法。


背景技术：

2.正常天然心脏包括主动脉瓣、二尖瓣、三尖瓣和肺动脉瓣，其中每个瓣膜都具有单向小叶，用来控制通过心脏的血液的定向流动。当心脏瓣膜出现患病或者损坏时，为了心脏正常工作，可进行瓣膜置换手术，用人工心脏生物瓣膜代替人体自身的心脏瓣膜。
3.人工心脏生物瓣膜用生物组织材料制成，比如利用牛心包组织、猪心包组织制作人工心脏生物瓣膜的单个小叶。通常用于制备人工心脏生物瓣膜小叶的典型过程是获取新鲜的动物心包囊，切开心包囊使其变平坦并且清除多余的脂肪和杂质。修剪明显不能使用区域后使用药物交联组织，之后去除组织粗糙边缘。处理后的生物膜主要包含胶原纤维，表现为纤维的外表面和光滑的内表面。该生物膜被用于制作人工心脏生物瓣膜的小叶。从生物膜切割制作的小叶强度取决于胶原束的平均取向，此外基于胶原束取向来优化小叶使其更薄对常规心脏瓣膜的介入输送也是有利的。
4.目前对生物膜胶原束取向的光学检测方法是利用偏振光通过生物膜，出射光再通过偏振器，最后在检测器板上得到带方向的条纹图案，即胶原束平均取向。这种方法虽然也是无损检测，但是需要不断旋转偏振器方向来获得胶原束的平均取向，需耗费较长时间，而且无法获得生物膜内不同深度的胶原束取向分布。
5.目前对生物膜胶原束取向进行精确、高效地检测评估以获取更优质的人工心脏瓣膜小叶有迫切的需要。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于弱相干干涉的生物膜胶原束取向光学检测方法和系统。该方法包括利用光学相干成像系统(oct)获取生物膜干涉光谱，对干涉光谱进行傅里叶变换得到深度域强度信号。基于深度域强度信号计算生物膜表面坐标，之后利用多项式拟合生物膜表面曲线，再根据拟合曲线对生物膜进行坐标变换使其表面趋于水平。可对拉平后的生物膜进行不同深度的强度信号投影，强度信号投影图可显示出生物膜胶原束取向特征。胶原束的平均取向用于指导在何处切割人工心脏生物瓣膜小叶边缘。
7.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
8.一、一种基于弱相干干涉的生物膜胶原束取向光学检测方法：
9.利用oct扫描成像包含胶原束的生物膜，获得oct生物膜图像；
10.对每个深度的oct生物膜图像进行变换处理使图像中的生物膜表面趋于水平，同时保留胶原束高度变化；
11.选取不同深度的oct生物膜图像进行投影获得投影图像，根据投影图像得到不同
深度的胶原束平均取向。
12.所述的生物膜一侧表面是光滑的，另一侧表面是带有胶原束的。
13.所述生物膜组织，包括心包膜、主动脉瓣膜、硬脑膜、腹膜、隔膜或肠粘膜下层，但不限于此。
14.利用oct扫描成像包含胶原束的生物膜，包括：利用oct采集生物膜的干涉光谱，基于生物膜的干涉光谱提取深度域强度信号，由深度域强度信号构成了oct生物膜图像。
15.利用oct扫描成像包含胶原束的生物膜，包括：
16.通过扫描改变参考臂光程的时间域oct成像方法；
17.或者利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域oct成像方法；
18.或者利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频oct成像方法。
19.对oct生物膜图像进行坐标变换使生物膜表面趋于水平，同时保留胶原束高度变化，包括：
20.生物膜表面之外为空气或者水分，像素点的深度域强度信号和生物膜表面的深度域强度信号显著不同，根据oct生物膜图像中的胶原束所在的生物膜表面与其相邻图像区域的深度域强度信号之间的差异，对oct生物膜图像中相邻像素点进行深度域强度信号的差异判断获取胶原束所在的生物膜表面边界；具体实施可设置差异阈值进行判断，若两个相邻像素点的深度域强度信号之差大于差异阈值则认为是边界。
21.对生物膜表面边界进行多项式曲线拟合获得拟合结果；
22.根据拟合结果变换生物膜的深度坐标，使所述胶原束所在的生物膜表面整体水平，这样也保持了胶原束高度变化。
23.根据投影图像得到不同深度的胶原束平均取向，包括：对投影图像进行快速傅里叶变换，获得胶原束图像中每个像素点的深度域强度信号的振荡频率，再计算的振荡频率的频率分布趋势正交方向，得到胶原束平均取向。
24.所述的频率分布趋势正交方向是指频率分布中最主要的正交方向，可采用聚类方法处理获得。
25.二、一种基于弱相干干涉的生物膜胶原束取向光学检测装置：
26.一套oct光学相干探测装置，用于采集二维或者三维空间内的生物膜干涉光谱；
27.一个或多个处理器，耦连至oct光学相干探测装置，用于分析处理生物膜干涉光谱得到生物膜胶原束取向。
28.所述的一oct光学相干探测装置是采用以下的一种：
29.包括低相干光源、干涉仪和探测器；
30.或者包括低相干光源、干涉仪和光谱仪；
31.或者包括扫频宽光谱光源、干涉仪和探测器。
32.本发明利用光学相干成像系统(oct)获取生物膜干涉光谱，对干涉光谱进行傅里叶变换得到深度域强度信号，基于深度域强度信号计算生物膜表面坐标，之后利用多项式拟合生物膜表面曲线，再根据拟合曲线对生物膜进行坐标变换使其表面趋于水平，对拉平后的生物膜进行不同深度的强度信号投影，强度信号投影图可显示出生物膜胶原束取向特征。
33.本发明获得的胶原束的平均取向能够用于定位在何处切割人工心脏生物瓣膜小
叶边缘。
34.本发明相比现有技术具有以下有益效果和优势：
35.相比偏振光测量，本发明可实现一次成像获取深度可分辨(微米精度)的生物膜胶原束取向，能够实现快速评估切割生物膜边缘以获取优质的人工心脏生物瓣膜小叶。
附图说明
36.图1为本发明方法的示意图；
37.图2为本发明装置的示意图；
38.图3为本发明实施例的示意图；
39.图4为本发明示例性实施例的生物膜胶原束oct结构图；
40.图5为本发明示例性实施例的生物膜胶原束取向图。
41.其中：1-利用oct采集干涉光谱；2-对干涉光谱提取深度域强度信号；3-基于深度域强度信号进行拉平处理；4-获取不同深度的生物膜胶原束取向；11-光源；12-分束器；13-参考臂准直镜；14-平面高反射镜；15-样品臂准直镜；16-扫描振镜；17-物镜；18-待测样品；19-干涉信号探测装置；20-信号处理器；21-偏振控制器；31-低相干宽带光源；32-光环形器；33-光纤耦合器；34-第一光纤准直器件；35-聚焦透镜；36-平面高反射镜；37-第二光纤准直器件；38-扫描振镜；39-聚焦透镜；41-第三光纤准直器件；42-光栅；43-傅里叶变换透镜；44-高速线阵相机；45-信号处理器模块与计算单元；46-第一偏振控制器；47-第二偏振控制器；48：色散补偿器；49：聚焦透镜；50：二向色镜；51：扫描透镜。
具体实施方式
42.下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，附图形成本文的一部分。需要注意的是，这些说明及示例仅仅为示例性的，不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
43.为了便于理解本发明的实施例，将各操作描述成多个离散的操作，但是，描述的顺序不代表实施操作的顺序。
44.本描述中针对样品测量空间采用基于空间方向的x-y-z三维坐标表示。这种描述仅仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用。其中：深度z方向为沿入射光轴的方向；x-y平面为垂直于光轴的平面，其中x与y正交，且x表示oct横向快扫描方向，y表示慢扫描方向。
45.上述i，x，y，z等表示变量，仅仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用，可以是1,2,3,4等任一数值。
46.本发明方法如图1所示，首先利用oct采集干涉光谱，然后对干涉光谱提取深度域强度信号，再基于深度域强度信号对生物膜进行拉平处理，得到不同深度的胶原束图像，对其求取平均取向。最后选择合适方向的目标区域进行切割获取人工心脏生物瓣膜小叶。
47.利用oct系统采集生物膜组织的干涉光谱，对组织样本进行二维或三维空间的oct扫描成像，在同一空间位置重复扫描成像一定时间，利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域oct成像方法(或者通过扫描改变参考臂光程的时间域oct成像方法和利用扫频光源记录
光谱干涉信号的扫频oct成像方法)。
48.利用oct干涉光谱提取深度域强度信号，即对干涉光谱作傅里叶变换获得各空间点的深度域强度信号。
49.基于深度域强度信号，提取胶原束所在的生物膜表面边界。其具体步骤是：在生物膜组织三维信号中，i表示oct强度信号，计算纵向坐标y，横向坐标x，相邻深度坐标z之间的强度差分di(z,x,y)：
50.di(z,x,y)＝i(z,x,y)-i(z-1,x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
51.在生物膜表面边界位置，会存在深度域强度信号之间的差异，所以差分值di相比其他位置会更大，所以我们通过比较同一纵向坐标y1的di(z,x,y1)选择最大值，得到边界对应的深度域坐标b(x)。再对边界坐标b(x)进行多项式拟合，整体拉平但保留纤维束高度变化。这里使用最小二乘法进行15阶多项式拟合，拟合阶数可根据实际调整，不受限制，得到拟合后的边界坐标c(x)。然后根据拟合的边界坐标c(x)对原始生物膜强度信号i(z,x,y)进行边界拉平处理得到拉平后的生物膜强度信号i(z
′
,x,y)：
52.i(z
′
,x,y)＝i(z-c(x),x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
53.根据i(z
′
,x,y)可得到不同深度坐标z
′
下的生物膜胶原束图像i(x,y)，对其进行傅里叶变换。傅里叶变换允许表征胶原束图像中每个像素点的深度域强度信号的振荡频率，因此可以获得与胶原束间距相关的频率分布。最后提取与频率分布趋势正交的胶原束方向即为平均取向。根据得到的平均取向即可确定在何处切割人工心脏生物瓣膜小叶边缘。
54.图2示出的是本发明的一种基于弱相干干涉的生物膜胶原束取向光学检测装置示意图。该装置的低相干干涉测量部分的主体结构为一干涉仪，由11～17、19和21构成，其中光源11发出的光被分束器12分成两部分光束：其中的一束光进入到干涉仪的参考臂，通过参考臂准直镜13照射于平面高反射镜14上；另一束光进入到样品臂，经过准直15和光路反射后聚焦到待测样品上；样品18置于样品臂物镜17的焦平面处。而后参考臂和样品臂各自反射回的光发生干涉后由干涉信号探测装置19接收。对于光纤型光路，采用偏振控制器21调整光束的偏振态，最大化信号干涉效果。
55.依据低相干干涉探测信号的不同方式，图2所示的一种基于弱相干干涉的生物膜胶原束取向光学检测的装置具体包括：
56.1)时间域测量装置。光源11采用宽带低相干光，平面反射镜14可沿光轴方向移动，干涉信号探测装置19为一点探测器。通过移动平面反射镜14改变参考臂光程，两臂的干涉信号由点探测器19探测到，对某一空间深度的z方向的散射信号的低相干干涉探测，从而得到深度空间维度的采样体。
57.2)光谱域测量装置。光源11采用宽带低相干光，平面反射镜14固定不动，干涉信号探测装置19采用光谱仪。干涉信号经过光谱仪中的线阵相机同时记录干涉光谱。采用傅里叶分析方法分析干涉光谱信号，并行获取深度z方向的散射信息，从而得到深度维度空间的采样体。
58.3)扫频测量装置。光源11采用扫频光源，平面反射镜14固定不动，干涉信号探测装置19采用点探测器。点探测器分时记录扫频光源的低相干干涉光谱。采样傅里叶分析干涉光谱信号，并行获取深度z方向的散射信息，从而得到深度维度空间的采样体。
59.对于上述不同的测量装置，可分别结合图1叙述中所涉及的oct扫描成像方式，分析生物膜胶原束取向。
60.图3示出的是本文所公开的利用本发明的一个示例性实施例。一种基于弱相干干涉的生物膜胶原束取向光学检测装置，包括宽带低相干光源31、光环形器32、分光比为50:50的光纤耦合器33、第一偏振控制器46、第一光纤准直器件34、聚焦透镜35、平面高反射镜36、第二偏振控制器47、第二光纤准直器件37、扫描振镜38、物镜39、样品分散装置40、第三光纤准直器件41、光栅42、傅里叶变换透镜43、高速线阵相机44、信号处理器模块与计算单元45、色散补偿器48、聚焦透镜49、二向色镜50、扫描透镜51、模切组件100、具有光透明板的位移台102、104：垂直位移装置104、生物膜组织106、透明玻璃台面108、安装杆114、连接臂115、高度显示器118、模具120。其中宽带低相干光源31采用中心波长为1325nm、带宽为100nm的超发光二极管光源，高速线阵相机44采用由2048像素单元组成的线阵扫描相机，样品臂中扫描透镜51选用焦距为54mm的透镜。
61.由本发明装置所使用的低相干宽带光源31发出的光，经过光环行器32后进入到分光比为50:50的光纤耦合器33，从光纤耦合器33出射的光被分成两部分子光束：其中一束光通过光纤经过第一偏振控制器46连接至参考臂中的第一光纤准直器件34，经过准直、色散补偿器48色散补偿和聚焦透镜35聚焦后照射到平面高反射镜36；另一束光通过光纤经过第二偏振控制器47连接至样品臂部分的第二光纤准直器件37，经过准直、扫描振镜38光路反射和聚焦透镜39、聚焦透镜49聚焦后照射到被测样品上。在扫描透镜51之前，采用二向色镜50将聚焦透镜49出射的光线实现oct探测光路的90
°
转折。样品臂中的扫描振镜38固定不动，使得低相干干涉仪能够并行探测得到样品空间同一位置在不同时刻的深度方向的散射信号。同时样品臂中的光路通过单模光纤传导光束，对待测样品散射回的光起到空间滤波的作用，即有效地减小散射信号中的多次散射成分。由参考臂中平面高反射镜36反射的光与样品臂中被测样品背向散射的光在光纤耦合器33处干涉，干涉光经过光谱仪(包括器件41～44)探测并被记录，而后由计算单元45采集并作信号分析处理。
62.本发明根据oct深度域强度信号可以得到生物膜纤维束取向，可用于指导切割人工心脏生物瓣膜的小叶边缘，提高制作的小叶强度。
63.图4示出的是拉平后的生物膜表层胶原束成像结果，为oct采集的结构图，oct可实现三维结构成像。图4a为胶原束oct结构投影图，图4b为图4a中虚线位置的断层横截面图。图4c为oct胶原束结构投影图，图4d为图4c中虚线位置的断层横截面图。任一深度的胶原束图像都可以获得，图4b和图4d分别对应拉平后的生物薄膜和拉平后的生物厚膜，可见生物膜表面整体水平，但表面的胶原束的高度变化被保留。
64.图5示出的是生物膜胶原束平均取向结果。图5a为胶原束oct结构投影图，图5b为快速傅里叶变换后的胶原束平均取向结果，平均取向用黑色实线标注。计算得到的平均取向和投影图中的胶原束特征符合。
65.上述实验结果充分说明：本发明可实现无损地获取不同深度的生物膜胶原束取向，实现快速评估生物膜切割方向以获取人工心脏生物瓣膜小叶。