空分复用光学相干断层扫描设备及方法
【专利说明】
[0001] 参见相关申请
[0002] 本申请要求对2012年12月6日提交的美国临时专利申请号61/734, 168、2013年 5月3日提交的美国临时专利申请号61/819, 251享有优先权；特此将其全部内容并入本文 作为参考。
[0003] 政府权益声明
[0004] 本发明受到政府支持，由美国国家卫生研宄院（NIH)-国家生物医学成像与生物 工程研宄所（NIBIB)的R00-EB010071项目资助。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
[0005] 本发明涉及断层成像技术，尤其是光学相干断层扫描技术。
【背景技术】
[0006] 光学相干断层扫描（OCT)是一种新型光学成像技术，可以在原位对生物组织进行 微米级、截面和三维（3D)实时成像。OCT作用如同"光学活检"，其组织显微结构成像分辨 率接近于传统的组织病理学，但是无需从活体摘取和处理组织标本。因此，OCT可获取有形 物体（如生物组织）的视觉影像并将其数字化。OCT穿透生物组织的深度通常为1-2毫米。 OCT已经广泛用于临床和生物医学领域，特别是在人类和动物的应用上，包括眼科、心血管 成像、内窥镜成像、肿瘤成像、牙科和成像研宄应用。
[0007] 目前，商业用眼科OCT系统的扫描频率为20-70kHz。每次512X512轴向扫描（A 扫描）的3D图像需要3-10秒。商业用心血管和内窥镜OCT成像系统的轴向扫描频率为 100kHz-200kHz，这样可以覆盖较大的成像面积。1MHz以上的轴向扫描频率可以使成像更快 并减少运动伪影。然而，目前还没有以此速度进行扫描的商业用波长可调激光器或高速行 扫描相机。OCT成像速度取决于每秒轴向扫描（A扫描）的数量，受到频域OCT(SD-OCT)线 扫描相机的行频或扫频OCT(SS-OCT)激光扫描速率的限制。
【发明内容】
[0008] 本发明特此披露光学相干断层扫描（0CT)系统，该系统比前述系统的成像速度要 快。在一个示范性实施例中，该系统可以是空分复用（SDM)光学相干断层扫描（SDM-0CT) 系统。在各种不同的实施例中，SDM-0CT系统可以利用波长可调光源，例如扫频激光器或宽 带光源。本发明披露的SDM-0CT系统可以利用光学延迟，将来自空间分布的采样光信号映 射为不同频带。
[0009] 本发明披露的0CT系统可以充分利用相干长度较长的新型可用光源，例如但不限 于，波长可调激光器（例如，垂直腔面发射激光器VCSEL)，以此扩大成像深度范围。该0CT 系统可以进一步对空间分布的光束进行并行检测，将有效的轴向扫描速率提高一个量级。 有利的是，这样可以将0CT成像速度提高若干倍，同时保持分辨率和灵敏度。在一个实施例 中，这种样品成像可以通过单个探测通道完成，进而采用多条采样光束获得可进一步扩展 和提高的有效成像速度，使OCT系统简单化、不那么复杂并且价格便宜。除了大幅提高成像 速度以外，该0CT系统还保留了图像分辨率，并利用多条光束在多个不同样品位置实现同 步同时成像，开辟了众多生物医学应用的机会。
[0010] 在一个实施例中，使用了空分复用光学相干断层扫描系统。该系统包括：一个光 源；将光分成参考光和采样光的第一光学设备；将采样光分成多条采样光束的第二光学设 备；一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件；一个将多条采样光束同时扫 描到样品表面上的扫描器件；以及第三光学设备，该光学设备接收样品表面反射回的多条 采样光信号和参考光生成干涉信号。干涉信号包含代表样品数字化图像的数据。
[0011] 在另一个实施例中，空分复用光学相干断层扫描系统包括：一个产生相干光的光 源；将光分成参考光和采样光的第一光学设备；一个限定第一条光路的参考臂，该参考臂 接收参考光并在参考光基础上产生参考光信号；一个限定第二条光路和接收采样光的单一 样品臂；一个安装在样品臂上的分光器，该分光器将采样光分成多条采样光束；以及一个 在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件。该系统能将多条采样光束同时扫描到 样品表面上。在一个实施例中，该系统包括一个扫描振镜，用来扫描采样光束。可以使用其 它类型的扫描器件。该系统还包括第二光学设备，该光学设备接收参考光信号和样品表面 反射回的多条采样光信号并将其合并成干涉信号。干涉信号包含样品数字化图像数据。
[0012] 在另一个实施例中，空分复用低插入损耗光学相干断层扫描系统包括：一个产生 相干光的光源；一台将光分成参考光和采样光的光学设备；一个限定第一条光路的参考 臂，该参考臂接收参考光并在参考光基础上产生参考光信号；一个限定第二条光路并接收 采样光的单一样品臂；一个安装在样品臂上的分光器，该分光器将采样光分成多条采样光 束；以及一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件。该系统能将多条采样光 束同时扫描到样品表面上。该系统还包括多个光耦合器，各光耦合器设计成接收参考光信 号和样品表面反射回的采样光信号并将其合并成多个干涉信号，以及一个检测多个干涉信 号的传感器。干涉信号包含样品数字化图像数据。
[0013] 在另一个实施例中，空分复用光学相干断层扫描系统包括：一个光源；将光分成 参考光和采样光的第一光学设备；将采样光分成多条采样光束的第二光学设备；一个在多 条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件；以及一台将多条采样光束同时扫描到样品 表面上的扫描器件。第一光学设备进一步设计成接收样品表面反射回的多条采样光信号和 参考光生成干涉信号。干涉信号包含样品数字化图像数据。
[0014] 本发明提供了一种使用空分复用光学相干断层扫描系统进行样品成像的方法。该 方法包括：提供光学相干断层扫描系统，该系统由光源、限定第一条光路的参考臂和限定第 二条光路的样品臂组成；将来自光源的光分成参考光和采样光；将参考光传输到参考臂以 产生反射光信号；将采样光传输到样品臂；将样品臂上的采样光分成多条采样光束；在多 条采样光束之间产生光学延迟；将多条采样光束扫描到样本表面上；采集样品表面反射回 的多条米样光信号；将多个反射光信号合并成单一反射光信号；和将单一反射光信号和参 考臂产生的反射光信号合并成干涉信号，该干涉信号包含样品的数字化图像数据。
【附图说明】
[0015] 参照以下附图，对优选实施例的特征加以说明，附图中相似元素的标示相同：
[0016] 图1是本发明一个实施例中的空分复用光学相干断层扫描（SDM-OCT)系统的示意 图；
[0017] 图2是一个实施例中的光纤阵列横截面视图；
[0018] 图3是本发明引入多条采样光束的光学延迟曲线图；
[0019] 图4是空分复用光学相干断层扫描（SDM-0CT)系统的第二个低插入损耗实施例示 意图；
[0020] 图5是多普勒成像光纤阵列第二个实施例的横截面图；
[0021] 图6是使用图1的SDM-0CT系统获得的样品实际数字图像；
[0022] 图7是样品不同扫描深度的采样点扩散函数测量曲线图；
[0023] 图8是使用图1的SDM-0CT系统进行果蝇幼虫活体成像的三维数字图像；
[0024] 图9是果蝇幼虫活体节片成像的二维数字图像；
[0025] 图10是果蝇幼虫活体节片同步成像的二维数字图像，揭示了昆虫的跳动心脏管；
[0026] 图11是果蝇幼虫活体节片M型成像的数字图像，揭示了昆虫的跳动心脏管；
[0027] 图12是光学延迟元件的示意图；
[0028] 图13是第三个实施例中空分复用光学相干断层扫描（SDM-0CT)系统的示意图；
[0029] 图14是示范性实施例中的0CT探头示意图；
[0030] 图15是使用宽带光源的频域空分复用光学相干断层扫描（SDM-0CT)系统的示意 图；
[0031] 图16是另一个实施例中使用宽带光源的频域空分复用光学相干断层扫描 (SDM-0CT)系统的示意图；
[0032]图17是第三个实施例中的多普勒成像光纤阵列的横截面图；和
[0033] 图18是另一个实施例中的自由空间光传输空分复用光学相干断层扫描 (SDM-0CT)系统的示意图。
[0034] 所有附图均为示意图，未按等比例绘制。
【具体实施方式】
[0035] 本发明的特点和优点参照优选实施例加以说明。相应地，本发明不应局限于此类 优选实施例，此类实施例阐述了可能单独或与其它组合特征同时存在的某种非限制性特 征；本发明的范围由所附的权利要求限定。对优选实施例的描述旨在联系附图进行阅读，这 些附图是整个书面描述的一部分。附图不一定按比例进行绘制，并且某些特征可能被放大 比例或以图解形式进行说明以求清楚明了。因此，附图所示的各种图的材料和结构的尺寸、 厚度和间距不受附图所示的相对尺寸、厚度和间距限制。
[0036] 本发明披露的实施例的描述，凡提及方向或定位之处仅为了方便描述，无意限制 本发明的范围。相关术语如"下部"、"上部"、"水平的"、"垂直的"、"上方"、"下方"、"向上"、 "向下"、"顶部"和"底部"以及由此派生的词语（例如，"水平地"、"向下地"、"向上地"等） 应理解为此处讨论的附图中描述或标示的方向。这些相关术语仅为了方便描述，并不要求 按此特定方向进行构造或操作器械。此处用来描述各种元素、特征或层级之间物理关系的 术语，例如"附加"、"固定"、"连接"、"联接"、"互联"或类似术语应广义地理解为关系，此类 元素、特征或层级可以通过插入的元素、特征或层级，以及可移动的或牢固的附件或关系， 除非另有明确说明，彼此直接或间接地加以固定或连接。同样的，此处用来描述各种元素、 特征或层级之间的物理关系的术语"在…上"，应广义地理解为通过插入的元素、特征或层 级，除非另有明确说明，彼此直接或间接接触。
[0037] 在一个实施例中，本发明披露的OCT系统可以利用波长可调光源，例如扫频 OCT(SS-OCT)激光源作为光源和检测方法的基础。在SS-OCT中，光源被分成干涉仪的样品 臂（第一条光路）和参考臂（第二条光路）。光源通常为照射或扫描待测物体或样品的波 长可调宽带相干光。由于样品内的折射率发生变化，从物体或样品反射回的散射光在样品 臂内重新耦合，然后与沿参考臂传输了一定长度光路的光合并，从而产生一个由干涉图构 成的干涉信号。生成的干涉图经干涉仪的检测臂测量，由传感器捕获。使用计算机处理器 进行傅立叶变换来分析干涉图的光频率，干涉图与样品反射的采样光成像深度相关。采样 深度不同的反射产生的干涉图案具有不同的频率。通过傅立叶变换程序的反射解析生成样 品的深度反射率曲线（A扫描）。在第一方向上扫描样品的采样光束进一步产生二维（2D) 图像（B扫描）。沿第二方向扫描采样光束可以生成样品的三维（3D)图像。
[0038] 本发明发现，通过空分复用技术，0CT的成像速度大大提高，同时成像分辨率和灵 敏度得以保持。本发明披露的光学相干断层扫描（0CT)系统的独特之处在于其可分离样品 臂上的成像光束，以便同时照射样品上的多个物理位置。在一些实施例中，可以使用单一 样品臂。系统对每条光束进行光延迟，使得图像形成时，不同物理位置的信号可在不同频 带（即