并行成像光学相干断层扫描系统及方法
【专利说明】并行成像光学相干断层扫描系统及方法
[0001]交叉参考相关申请
[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]本发明涉及成像技术，尤其是对检体或样品提供多点照射和并行成像的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]大部分商用的OCT系统对样品进行单光束扫描以获得二维(2D)和三维(3D)组织影像。OCT成像速度取决于每秒轴向扫描的数量(A扫描)，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。截面2D-0CT帧频和3D-0CT容积率也由光束扫描器件的速度决定。使用多重成像光束并行采集OCT图像是一种显著提高轴向扫描速率、帧频以及容积率的新方法。
[0008]为获取OCT图像，现已开发出使用林尼克干涉仪和二维数字照相机的全场OCT (FF-OCT)。FF-OCT利用并行成像技术，通过2D照相机检测被光源照射的整个样品并检测样品各处的干涉信号。虽然FF-OCT展示出优异的图像分辨率，但是由于非相干散射光和像素串扰的影响，FF-OCT的成像灵敏度通常较差。OCT系统的灵敏度与非相干散射光水平成反比。非相干散射光在相机达到饱和度之前限制最大可用功率，进而限制了检测灵敏度。现已开发出利用行场照射而非全场照射的行扫描OCT(LS-OCT)以减少非相干散射光和像素串扰。因此，与FF-OCT相比，LS-OCT使灵敏度提高了一个量级。但是，与使用上述单光束方法的OCT相比，LS-OCT中的非相干散射光和像素串扰仍然高出很多。
[0009]并行扫描和成像系统有待改进。
【发明内容】
[0010]本发明特此披露光学相干断层扫描(OCT)系统，该系统采用并行成像干涉法提高成像速度，比采用前述方法的成像速度要快。
[0011]在一个实施例中，并行成像光学相干断层扫描系统包括:一个光源；一个接收来自光源入射光的扫描器件，该扫描器件可进行移动扫描，配置多个将入射光分成多束光的通光孔；以及一个干涉仪。该干涉仪包括:一个分束器，该分束器接收扫描器件多条光束并将各条光束分成参考光束和米样光束；一个参考臂，该参考臂配置一个参考反射镜，接收分束器的多条参考光束并将反射的参考光信号返回到分束器；以及一个采样臂，该采样臂接收分束器的多条采样光束，并将采样光束扫描到样品上。分束器还接收从参考臂反射回的参考光信号和从样品反射回的采样光信号并将其合并，生成以反射的参考光信号和采样光信号为基础的干涉信号，以此构成干涉图。该干涉仪还包括一个检测臂，其所配置的检测器可获取分束器的干涉信号，并且将输出信号转换为样品的数字化图像。在一个实施例中，扫描器件是一个进行旋转扫描的旋转盘。通光孔为针孔。
[0012]在另一个实施例中，并行成像光学相干断层扫描系统包括:一个光源；一个接收来自光源入射光的扫描器件。该扫描器件组件包括:一个由微透镜阵列组成的采集盘；和一个由孔径阵列组成、与采集盘安装在同一旋转轴上的旋转盘，该旋转盘通过显微透镜和孔径阵列传输入射光，并将入射光分成多条光束。该系统还包括一个干涉仪，此干涉仪包括:一个分束器，该分束器接收旋转盘的多条光束并将各条光束分成参考光束和米样光束；一个参考臂，该参考臂配置一个参考反射镜，接收分束器的多条参考光束并将反射的参考光信号返回到分束器；以及一个采样臂，该采样臂接收分束器的多条采样光束，并将采样光束扫描到样品上。分束器还接收从参考臂反射回的参考光信号和从样品反射回的采样光信号并将其合并，生成以反射的参考光信号和采样光信号为基础的干涉信号，以此构成干涉图。该干涉仪还包括一个检测臂，其所配置的检测器可获取分束器的干涉信号，并且将输出信号转换为样品的数字化图像。
[0013]本发明提供了一种使用并行成像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，此系统由光源、扫描器件和干涉仪组成，而干涉仪由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；用光源照射扫描器件；移动扫描器件进行扫描；通过扫描器件的多个通光孔传输光，形成多条光束进行移动扫描；将多条光束分成参考光束和米样光束；将多条参考光束传输到参考臂，此参考臂配置一个反射参考光信号的反射镜；将多条采样光束传输到样品臂；将多条采样光束扫描到样品表面上；将从参考臂反射回的参考光信号和从样品反射回的采样光信号合并，生成以反射的参考光信号和采样光信号为基础的干涉信号，以此构成干涉图；使用检测器检测干涉仪检测臂中的干涉信号；检测器生成构成干涉图的输出信号，转换成样品的数字化图像。
【附图说明】
[0014]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:
[0015]图1是并行成像光学相干断层扫描(OCT)系统的示意图，该系统包括旋转盘和干涉仪；
[0016]图2是并行成像光学相干断层扫描(OCT)系统的示意图，该系统包括配置显微透镜的双旋转盘和干涉仪；
[0017]图3是图1中的OCT系统加上成像光纤探针的示意图；
[0018]图4是图2中的OCT系统加上成像光纤探头的示意图；以及
[0019]图5是图2中的双旋转盘的单目显微透镜和通光孔的侧面剖视图，显示光收集和透光路径。
[0020]所有附图均为示意图，未按比例绘制。
【具体实施方式】
[0021]本发明的特点和优点参照优选实施例加以说明和描述。因此，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组合特征；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简洁明了。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。
[0022]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”或类似术语除非另有明确说明，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，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”除非另有明确说明，应广义地理解为通过插入的元素、特征或层级，彼此直接或间接接触。
[0023]本发明披露的各种实施例中，并行成像OCT系统及相关方法采用干涉仪和由定型通光孔(如针孔)构成的可移动掩罩，对样品进行多点照射，同时形成多条成像光束。每条成像光束均被针孔空间分离，大大减少了非相干散射光以及像素串扰，从而提高了 OCT成像灵敏度。
[0024]在一个实施例中，掩罩可以旋转形成一个旋转扫描盘(“旋转盘”)，或者平移确保整个成像区被成像或采样光束覆盖。旋转盘接收来自光源的入射光并将光分成多束成像或采样光束，这些光束同时被扫描在样品上以获取图像信号。通过每个针孔形成的点照射在待成像的样品上形成多条对应的扫描线或痕迹。本发明披露的转盘式OCT利用并行成像技术实现高速成像，同时通过降低非相干散射光以及像素串扰获得较高的成像灵敏度。
[0025]虽然共聚焦显微镜已利用旋转盘技术获得生物样品的反射率和荧光图像，但是还有明显的局限性。共聚焦显微镜提供样品的正面2D图像。虽然使用共聚焦显微镜可获得3D图像，但是正面2D系列图像需要沿纵深维度机械平移(例如摆动)样品而获取，这将使3D成像速度减缓。此外，在医学成像应用中，特别是对患者进行体内检查时，摆动样品不实用或不可能。
[0026]与共聚焦显微镜相比，本发明披露的转盘式OCT是基于内禀对比度而非荧光标记来获取样