光学成像设备和用于对样本成像的方法
【专利说明】光学成像设备和用于对样本成像的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月7日提交的美国临时申请号61/774，340的优先权利益，该临时申请的内容为了所有目的特此通过引用被全部并入本文。
技术领域
[0003]各种实施例涉及光学成像设备和用于对样本成像的方法。
【背景技术】
[0004]光学相干断层成像术(OCT)是提供在人类组织中的微米分辨率和毫米穿透深度的公认的活体内光学成像技术。在临床上已证实，OCT使在与组织学可比较的分辨率下人目艮、冠状动脉、胃肠道和气道组织的活体内可视化变得可能。OCT在临床上广泛用于诊断在眼睛的视网膜和前段中的各种各样的疾病。最近，冠状动脉内OCT技术在临床上用于使管状动脉疾病成像，且内视镜OCT技术用于检测胃肠神经症。
[0005]眼科学是占优势的OCT应用。在2010年，在美国和全世界的所估计的OCT费用分别是$780M和$1B，且估计眼科OCT系统的销售是大约两亿五千万美元。存在多于10个的眼科OCT产品供应商，其中一个这样的供应商到2008年为止独自将价值$0.7B的10,000个眼科OCT单元交付到市场。在接下来的四年中，OCT市场被预期每年增长大约60%。
[0006]自从它在1991年发明以来，OCT技术从时域OCT (TD-0CT，第一代技术)发展到光谱域/傅立叶域OCT(第二代技术)。在图1中示出现有的光谱域OCT(SD-OCT)装置100，图1示出具有光源(LS) 102的小源SD-OCT装置。基于在IEC(国际电工技术委员会)60825中规定的激光安全条例，“小源”被定义为具有小于或等于最小对向角a min(通常被定义为1.5mrad)的对向角α的源。对向角α可被定义为在观察者的眼睛处或位于测量点处源所张的视角。对向角α也可被定义为如在空间中的点处例如在观看者的眼睛处观看的表观光源(被定义为形成最小可能的视网膜图像的真实或虚拟对象)所张的角。
[0007]在小源SD-OCT装置100中，光源(LS) 102的输出光104由分束器106分成样本光辐射108和参考光辐射110。样本光辐射108穿过装置100的样本臂(S) 120传播，而参考光辐射110穿过装置100的参考臂(R)传播，其中样本臂(S) 120和参考臂(R) 150定义干涉仪。
[0008]样本光辐射108通过聚焦光学器件例如准直透镜(LI) 122和聚焦透镜(L2) 124以及在样本臂(S) 120中的一个或多个光束扫描仪(SC) 126指向或被引导到待研究的组织样本190。样本光辐射108指向在组织样本190上的点192。反射和/或反向散射光辐射109由样本光辐射108和组织样本190之间的相互作用产生，在所有深度处，样本光辐射108沿着在组织样本190的表面和本体之间定义的轴线(Α线)与组织样本190相互作用。反射和/或反向散射光辐射109在与样本光辐射108的传播方向相反的方向上，通过L1122和L2124的相同聚焦光学器件和样本臂(S) 120的光束扫描仪(SC) 126指向或引导到分束器106。
[0009]参考光辐射110通过聚焦光学器件例如一对透镜152、154指向或被引导到参考反射镜(RM) 160，且反射光辐射111作为来自参考反射镜(RM) 160的反射的结果而产生，并指向或被引导到分束器106。来自参考臂(R) 150的反向反射光辐射111和来自样本臂(S) 120的反向反射和/或反向散射光辐射109通过分束器106重组，以形成光谱干涉信号112并被引导到光谱仪170。光谱仪170包括光栅172、透镜174和检测元件(例如摄像机)176。光谱干涉信号112由光谱仪170记录并由计算机(未示出)处理。
[0010]可通过光谱干涉信号112的傅立叶变换来获取组织样本190的轴线剖面(A线)。可通过使用光束扫描仪(SC) 126横向地扫描样本光辐射108来得到组织样本190的二维(2D)断层图像，同时连续地获取轴线剖面(A线)。可通过使用2轴(X和Y)扫描仪横向地扫描样本光辐射108来得到三维(3D)图像。
[0011]所有现有激光扫描OCT系统使用点源，其是小源。虽然现有SD-OCT技术提供比TD-OCT技术高几个数量级的灵敏度，从而使较高的穿透深度和/或较快的成像速度变得可能，但OCT提供诊断信息的能力仍然受其灵敏度限制，特别是当施加到人类组织的辐射量/辐照度被激光安全条例例如美国的ANSI (美国国家标准学会)Z136和国际上的IEC(国际电工技术委员会)60825限制到最大可允许辐射量(MPE)时。
【发明内容】
[0012]根据实施例，提供了光学成像设备。光学成像设备可包括光学装置，该光学装置被配置成产生包括多个分离光谱带的扩展源照射图案并照射样本的即将利用多个分离光谱带的相应光谱带成像的相应区段，其中光学装置还被配置成由样本光和参考光形成干涉信号，样本光包括来自样本的由扩展源照射图案的相应光谱带所照射的相应区段的相应返回光；以及被配置成接收用于产生与样本的区段相对应的图像的干涉信号的检测器。
[0013]根据实施例，提供了用于对样本成像的方法。该方法可包括产生包括多个分离光谱带的扩展源照射图案，照射样本的利用多个分离光谱带的相应光谱带成像的相应区段，由样本光和参考光形成干涉信号，样本光包括来自样本的由扩展源照射图案的相应光谱带所照射的相应区段的相应返回光，以及基于干涉信号产生与样本的区段相对应的图像。
[0014]根据实施例，提供了用于产生具有衍射受限横向分辨率和相干长度受限轴向分辨率的图像的方法。可使用如在本文所述的光学成像设备来实现该方法。该方法可包括在样本的区域上扫描扩展源照射图案，使得样本中的位于待成像的区域中的相应区段由与扩展源照射图案相对应的整个光谱照射，以及执行光谱信号重映算法，以提取与样本的相应区段中的区段相对应的整个干涉光谱，用于产生与样本的区域相对应的图像，其中干涉光谱由参考光和来自样本的区段的返回光形成。
【附图说明】
[0015]在附图中，相似的参考符号通常在全部不同的视图中表示相似的部件。附图并不一定按比例，相反通常强调照射本发明的原理。在下面的描述中，参考下面的附图描述了本发明的各种实施例，其中:
[0016]图1示出现有技术的光谱域光学相干断层成像(SD-OCT)系统的示意图。
[0017]图2A示出说明小源观察的示意图。
[0018]图2B示出说明扩展源观察的示意图。
[0019]图3A示出根据各种实施例的光学成像设备的示意性横截面视图。
[0020]图3B示出根据各种实施例的用于对样本成像的方法的流程图。
[0021]图4A示出根据各种实施例的光学成像设备的示意图。
[0022]图4B示出根据各种实施例的光学成像设备的示意图。
[0023]图4C示出根据各种实施例的光学成像设备的示意图。
[0024]图5A示出随小源光谱域光学相干断层成像(SD-OCT)设备的参考反射率变化的灵敏度的模拟结果的曲线。
[0025]图5B示出随扩展源光谱域光学相干断层成像(SD-OCT)设备的参考反射率变化的灵敏度的模拟结果的曲线。
[0026]图6作为示意图示出根据各种实施例的在样本光辐射扫描方法的各种扫描时间的样本的扫描。
[0027]图7示出根据各种实施例的光谱信号重映算法的图示。
[0028]图8A示出说明光谱重映射方法的图。
[0029]图8B不出分辨率图表的一个B扫描帧的DC分量的图，而图8C不出在重映射之后的图8B的B扫描帧的图。
[0030]图9示出通过图SC的光谱重映射B扫描帧的傅立叶变换来得到的分辨率图表的断层图像。
【具体实施方式】
[0031]下面的详细描述参考附图，附图作为例证示出本发明可被实施的特定细节和实施例。这些实施例足够详细地被描述以使本领域中的技术人员能够实施本发明。其它实施例可被利用，且可做出结构、逻辑和电气变化而不偏离本发明的范围。各种实施例并不一定是相互排他的，因为一些实施例可与一个或多个其它实施例组合以形成新实施例。
[0032]在方法或设备之一的上下文中描述的实施例对于其它方法或设备是类似地有效的。类似地，在方法的上下文中描述的实施例对设备是类似地有效的，反之亦然。
[0033]在实施例的上下文中描述的特征可相应地可适用于在其它实施例中的相同或相似的特征。在实施例的上下文中描述的特征可相应地可适用于其它实施例，即使没有在这些其它实施例中明确地描述。此外，如对在实施例的上下文中的特征描述的添加和/或组合和/或可选形式可相应地可适用于在其它实施例中的相同或相似的特征。
[0034]在各种实施例的上下文中，如关于特征或元件使用的冠词“一个”和“该”包括对一个或多个特征或元件的提及。
[0035]在各种实施例的上下文中，短语“至少实质上”可包括“确切地”和合理的变化。
[0036]在各种实施例的上下文中，如应用于数值的术语“大约”或“近似”包括确切的值和合理的变化。
[0037]如在本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列出的项目的任何和所有组合。
[0038]如在本文使用的，“A或B中的至少一个”的形式的短语可包括A或B或A和B两者。相应地，“A或B或C中的至少一个”或包括另外所列出的项目的形式的短语可包括一个或多个相关的所列出的项目的任何和所有组合。
[0039]各种实施例可涉及光学相干断层成像术(OCT)，例如光谱域OCT (SD-OCT)或傅立叶域0CT。作为另一例子，各种实施例可涉及扩展源SD-0CT，并可提供使用扩展源SD-OCT技术的设备或系统。
[0040]各种实施例可提供扩展源SD-OCT技术。在各种实施例中，可通过修改小源SD-OCT系统来实现扩展源SD-OCT设备或系统。对于扩展源SD-OCT系统，各种实施例可提供样本光辐射聚焦方案、样本光辐射扫描方法和信号映射方法，如稍后将描述的。
[0041]各种实施例可规定，由各种实施例的设备或系统产生的样本光辐射比由现有技术产生的相等功率样本光辐射对于生物组织或样本更安全，使得各种实施例的最大可允许辐射量(MPE)可以高于现有技术的。
[0042]与现有方法或技术相比，各种实施例可实现下列项中的一个或多个:(1)较高的最大可允许辐射量(MPE) ;(2)可在不危害图像采集速率的情况下安全地实现的较高的穿透深度；或(3)以至少与现有方法的灵敏度相等的灵敏度安全地实现的较高的图像采集速率。
[0043]常规SD-OCT设备使用小源。“小源”是具有小于或等于最小对向角α _的对向角α的源，其中α_= 1.5mrad，如在激光安全条例IEC 60825中规定的。小源包括所有点源或点照射图案，因为点源或单点源具有比1.5mrad小得多的一般对向角α。通常，点照射具有不大于