一种宽谱高分辨率光学相干层析成像系统的制作方法

本发明涉及光学相干层析成像领域，涉及一种宽谱高分辨率光学成像方法。

背景技术：

光学相干层析技术(Optical Coherence Tomography，OCT)是继超声成像、X射线成像、CT和MRI之后的新一代生物医学成像技术，采用非侵入式光学成像技术，能够检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。它能对活体组织进行实时、高分辨率断层成像，对活体组织内部机构的生理、病理变化过程进行精确的分析和诊断。OCT可应用在眼科临床诊断，牙齿断层扫描、皮肤病学研究，珍珠层厚度检测等领域，最具诱惑力的应用在于它对人体癌变和心血管疾病的早期准确诊断，这要求OCT的分辨率能够达到细胞水平。

分辨率是衡量OCT性能和技术发展的重要指标，其轴向分辨率由光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定。在探测光束弱聚焦条件下，OCT轴向强度点扩散函数的主瓣宽度将远大于相干门宽度，由于只有当两路光的光程差与光源的相干长度相匹配时才会产生干涉，所以此时的轴向分辨率主要由相干门决定.由于相干门宽度与光源的带宽成反比，与中心波长的平方成反比，在OCT光源中心波长确定的情况下，进一步提高轴向分辨率的方法是基于宽带光源技术。因此这对作为其核心技术的光源性能提出了苛刻要求：需要光源具有较宽的频谱宽度、输出功率高、稳定性好、易于耦合等特点。现今的OCT系统使用的光源主要有超辐射光源SLD和飞秒固体激光器两类。但是前者由于带宽限制难以实现低于微米量级的纵向分辨率，后者因为体积和成本原因难以临床应用。采用PCF超连续谱光源将在以下方面显示出特别突出的优点：谱的宽度大，一般达数百纳米；光谱经过适当整形可以实现对称平坦的谱型；可以利用PCF的特点实现高光束质量(PCF的单模特性)、高稳定性的光谱(在全正常色散区内产生超连续谱的特点)。正因为如此，基于PCF超连续谱的OCT技术逐渐成为当前激光技术的研究热点之一。短短几年中，基于PCF超连续谱的OCT技术已经取得了许多重要进展。尽管基于PCF超连续谱的OCT技术已取得了很大进展，但因起步不久，仍有大量科学技术问题依然亟待研究解决，主要包括：全光纤化且功率稳定的泵浦源。低噪声超连续谱的获取和对称平坦的光谱整形。清晰而又快速的图像获取技术。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种宽谱高分辨率光学相干层析成像系统；旨在研究发展基于PCF的新型高稳定低相干光源，制备出医用级的高分辨率OCT。

为达到上述技术方案的效果，本发明的技术方案为：

由五个模块组成：光路模块；光路扫描模块；信号探测模块；信号处理模块；智能控制模块；

光路模块包括有：PCF超连续谱光源、衰减片、1/2波片、偏振分束器A、1/4波片、分束器B、宽带消色差透镜A、宽带消色差透镜B；

光路模块中的PCF超连续谱光源的带宽范围500-2000nm，功率1w，通过使用衰减片，将功率减少到20mW；

宽谱高分辨率光学相干层析成像系统在暗室环境中，并且没有其他背景光；PCF超连续谱光源发出的光通过自由空间进行传播，宽带消色差透镜A将光会聚到参考镜镜面和宽带消色差透镜B将光会聚到样本上，并采用双路平衡探测方法用来消除PCF超连续谱光源产生的过量噪声；

偏振分束器A、、1/4波片、1/2波片用于优化系统输出以及提高灵敏度；光路模块中的所有光学元器件适合于400-1000nm波段范围，并利用模拟数字转换得到完整的干涉条纹数字信号；

光路扫描模块包括有：样本臂、参考臂、步进电机A、步进电机B、平移台控制A、平移台控制B；光路扫描模块使用了步进电机A和平移台控制A、步进电机B和平移台控制B两种组合，一个组合是用于水平扫描，另一个组合是用于垂直扫描，联合使用两种组合，可以产生一个二维的图像；

信号探测模块包括光电探测器、探测器触发控制、射频输出；

信号处理模块包括有数据采集及存储装置；

参考臂由步进电机A控制，样品臂由步进电机B控制，样品臂先定位在样品区域，并选取一点作为起始点，随后，参考臂以光程差为零为中心，在相干长度范围，产生干涉信号，同时数据采集及存储装置将采集到由光电探测器转换输出的光电流，从而获得干涉信号的光强信息；

步进电机A、步进电机B，可以沿着一个轴方向提供12mm(0.47英寸)的行程范围，并配有1.00英寸×1.00英寸(25.0mm×25.0mm)的螺孔阵列，其中螺孔阵列有7个1/4英寸-20(M6)螺孔，用于兼容标准光学机械部件；

光电探测器为带有快速监测输出的OCT平衡探测器，波长范围是800到1700nm，带宽为75MHz，用于把干涉信号变成电信号；

参考臂与样品臂的扫描过程为：样品臂位于样本区域，并选择一个点作为起始点；参考臂开始在相干长度范围内移动，与样品臂的背向散射光产生干涉信号；在同一时间，数据采集及存储装置将获得由光电探测器检测到的光电流，从而获得有关干涉信号的强度信息；

为了节省时间并加快成像，使用蛇行扫描模式；当扫描完一个点时，参考臂并不返回到其原始位置，而在样品臂横向移动一点后，参考臂从后面向前面扫描，最终形成蛇行扫描方式；

在信号处理模块中的数据采集及存储装置用于提取干涉信号，以及将原始干涉信号进行滤波、干涉信号的包络、计算实际分辨率；

智能控制模块包括有智能控制平台A、智能控制平台B；智能控制平台A用于控制平移台控制A进行工作、智能控制平台B用于控制平移台控制B进行工作。

附图说明

图1为宽谱高分辨率光学相干层析成像系统结构示意图

图2为参考臂与样品臂的扫描过程以及步进电机扫描流程图

图3为探测器的扫描原理图

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：

实施例1：如图1：一种宽谱高分辨率光学相干层析成像系统；由于飞秒激光在反常色散区泵浦光子晶体光纤，超连续谱产生过程中孤子机制非常明显，不稳定的孤子将会导致严重的光谱变化，从而影响了在OCT中的应用，加滤波器之后，虽有所改善，但却限制了光谱功率同时增加了系统的复杂程度。由于超连续谱的不稳定性及噪声，导致了在OCT应用中比较小的带宽范围，在成像时将会影响穿透深度及扫描速度。对超连续谱光源提出了更高的要求。因此如何获得稳定、平坦对称的超连续谱产生来做为高分辨率OCT用的可靠光源，是当今光纤激光和非线性领域内的研究热点之一，大量的科学技术问题亟待解决和研究。

如图1：本发明基于PCF的新型高稳定低相干光源，研制出宽谱高分辨率光学相干层析成像系统，其中：

成像分辨率：＜3μm；在高散射的生物组织内成像深度：5mm；成像速度：2幅/秒；系统信噪比：100dB；检测方式：原位在体非接触式无创伤测量。

研究设计基于PCF超连续谱光源时域OCT系统。设计和构建光学系统及系统硬件操作平台，以实现包括系统初始化、平移台控制、探测器触发、数据采集及存储等各项子功能和作业式采集功能。研究光电采集存储部分联调测试，进行系统性能测试。

(1)构建OCT的核心部分——自由空间迈克尔逊干涉仪。采用基础光学元件设计光路，构建自由空间迈克尔逊干涉仪。(2)采集干涉信号及处理。选取合适的光电探测器，采集干涉信号，并进行平滑滤波处理。重构出生物组织内部结构的二维图像。(3)色散补偿。对于时域OCT，类似于迈克尔逊干涉仪的白光干涉，本发明可以加色散补偿板来解决这个问题。(4)PCF超连续谱宽带光源经过具有半反半透的分束器，前后移动参考镜进行轴向扫描，样品的反射光和参考镜的透射光产生干涉，由探测器测得干涉信号。

光学相干层析成像系统设计：OCT成像系统主要由五个模块组成：光路模块；光路扫描模块；信号探测模块；信号处理模块；智能控制模块；

结合时域OCT系统原理，为了提高成像质量，设计了如图1所示的OCT光学系统：

结合时域OCT系统原理，为了提高质量较高的干涉信号，设计系统光路原理可以参考图1：其中包括有：OCT系统光路

超连续谱光纤光源(Supercontinuum Source)衰减片(AS)偏振分束器(PBS)1/4波片(QWP)

1/2波片(HWP)分束器(BS)Lens透镜Sample arm样本臂

Reference arm参考臂

Detector探测器

RF output射频输出

本发明采用超连续谱光源(带宽范围500-2000nm，功率1w)，通过衰减片(AS)，功率降为20mW。整个系统在暗室环境下进行，无其它背景光。由超连续谱光纤光源(Supercontinuum Source)发出的光接入到自由空间OCT系统，宽带消色差透镜用于将光会聚到样本上。采用双路平衡探测方法用来消除光源产生的过量噪声。光路中的偏振分束器(PBS)、1/4波片(QWP)和1/2波片(HWP)能够优化系统输出以及提高灵敏度。本发明中，时域OCT系统选取的所有光学元器件适合于400-1000nm波段范围。利用10Ms/s采样率、16-bit分辨率的模拟数字转换器得到完整的干涉条纹数字信号。

参考臂与样品臂都由步进电机控制。样品臂先定位在样品区域，并选取一点作为起始点，随后，参考臂以光程差为零为中心，在相干长度范围，就会产生干涉信号，同时数据采集卡将采集到由光电探测器转换输出的光电流，从而获得干涉信号的光强信息。在本发明中，采用的步进电机是Thorlabs公司MT1/M-Z8单轴电动位移台，可以沿着一个轴方向提供12mm(0.47英寸)的行程范围，每个位移台都配有一个1.00英寸x 1.00英寸(25.0mm x 25.0mm)的螺孔阵列，其中有7个1/4英寸-20(M6)螺孔，可以兼容标准光学机械部件。采用的探测器为带有快速监测输出的OCT平衡探测器：波长范围是800到1700nm，探测器类型InGaAs/PIN，带宽75MHz。

光路模块：在本发明中，我们使用了PCF超连续谱光源(bandwidth：500-2000nm，power：1w)，通过使用衰减片(AS)，将功率减少到20mW。整个系统在暗室环境中，并且没有其他背景光。超连续谱光源发出的光通过自由空间到达OCT系统，宽带消色差透镜将光会聚到样本上。

光路扫描模块：本发明中我们使用了两台电动位移平台，一个是用于水平扫描，另一个是用于垂直扫描，联合使用它们，我们可以产生一个二维的图像。

参考臂与样品臂的扫描过程如图2所示：

样品臂位于样本区域，并选择一个点作为起始点。参考臂开始在相干长度范围内移动，与样品臂的背向散射光产生干涉信号。在同一时间，数据采集卡将获得由光电探测器检测到的光电流，从而获得有关干涉信号的强度信息。

OCT系统通常有两种扫描模式，一种是正常扫描模式，另一种是蛇行扫描模式。为了节省时间并加快成像，我们使用蛇行扫描模式。当扫描完一个点时，参考臂并不返回到其原始位置，而是在样品臂横向移动一点后，它从后面向前面扫描，最终形成所谓的蛇行扫描方式。智能控制模块包括有智能控制平台A、智能控制平台B；智能控制平台A用于控制平移台控制A进行工作、智能控制平台A用于控制平移台控制B进行工作。

探测器模块：本发明中使用的探测器(PDB420C)来自Thorlabs公司。

信号处理模块：

在信号处理模块中，本发明使用数据采集卡作为：

1、提取时域OCT干涉信号

2、将原始干涉信号进行滤波

3、干涉信号的包络

4、计算OCT系统实际分辨率

设计了光学相干层析成像系统的光路和系统硬件操作平台，实现了包括系统初始化、平移台控制、探测器触发、数据采集及存储等各项子功能和作业式采集功能，已完成了光电采集存储部分联调测试，搭配超连续谱光源进行系统性能测试，成像分辨率达2.2μm。实现了非接触式无创伤测量的检测方式。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。

宽谱高分辨率光学相干层析成像系统的有益效果如下：

OCT应用中比较小的带宽范围，在成像时将不会影响穿透深度及扫描速度。可以获得稳定、平坦对称的超连续谱产生来做为高分辨率OCT用的可靠光源，这方面的技术问题已经解决。并设计了光学相干层析成像系统的光路和系统硬件操作平台，实现了包括系统初始化、平移台控制、探测器触发、数据采集及存储等各项子功能和作业式采集功能，已完成了光电采集存储部分联调测试，搭配超连续谱光源进行系统性能测试，成像分辨率达2.2μm。实现了非接触式无创伤测量的检测方式。