一种基于积分变换原理的OCT成像系统及方法

一种基于积分变换原理的oct成像系统及方法
技术领域
1.本发明属于生物医学光学成像领域，尤其涉及一种基于积分变换原理的oct成像系统及方法。


背景技术：

2.光学相干断层技术(optical coherence tomography，oct)是20世纪90年代初诞生的高分辨率的生物医学成像手段，是一种利用生物组织散射光相干原理成像的微米尺度的活体组织高分辨断层成像手段。在oct系统中，光源发出的光被分为两束，一束进入参考臂，一束进入样品臂。参考光和样品臂不同深度的返回光发生干涉，形成干涉光谱，最后利用计算机进行光谱数据处理，解析出带有组织结构信息的断层图像，实现了对样品内部生理结构的非侵入式检测。
3.随着oct技术的发展，形成了时域oct(time domain oct，td-oct)和频域oct(fourier domain oct，td-oct)，但因时域oct必须在参考臂引入光程扫描装置而限制了其成像速度，所以逐渐被成像速度更快的频域oct取代。目前，频域oct包括两大类型：光谱域oct(spectral domain oct，sd-oct)和扫频oct(swept source oct，ss-oct)。sd-oct主要利用宽带光源和线阵相机获得来自干涉仪的干涉光谱，而ss-oct则是利用能够瞬时输出可变极窄波长的扫频光源和平衡探测器对干涉光谱进行扫描测量的。二者的样品臂的本质都是基于空间的逐点测量，即在样品臂上，每次只能探测样品上一个点处的深度信息，同时利用振镜引入光束偏转进行扫描来得到样品的二维及三维结构。因此，基于空间单点测量的传统频域oct为了取得样品的二维及三维图像，不仅需要很多次测量。而且受限于生物样品的光功率损伤阈值，不可能将过多光能量集中于样品的一点，所以约束了成像质量，图像的信噪比较低。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为克服上述问题，本发明提供了一种基于积分变换原理的oct成像系统及方法，实现对待测样品的高效率、高质量成像。
5.为实现上述目的，本发明技术方案具体如下：
6.本发明的一种基于积分变换原理的oct成像系统，包括光源单元、干涉仪、探测装置、采集模块以及计算机；其中，光源单元用于发射照射待测样品的光到干涉仪的样品臂和参考臂；探测装置用于检测干涉仪输出的干涉信号，将干涉信号转换为电信号；采集模块用于采集探测装置输出的电信号，将电信号转换为数字信号；计算机用于接收并处理所述数字信号，得到样品的结构图像，所述样品臂中包括调制器，所述调制器将光束调制为积分变换的核函数，产生照明图案，照明图案投射至待测样品，在照明图案的照射下待测样品不同深度反射及散射的光沿原路返回至干涉仪；计算机通过对所述数字信号进行积分变换的逆过程，并在样品深度方向上进行逆fourier变换，得到样品的结构图像。
7.其中，所述积分变换的核函数为一维积分变换的核函数或二维积分变换的核函
数。
8.其中，所述积分变换的核函数为一维积分变换的核函数时，所述照明图案为一维照明图案，所述样品臂还包括一维聚焦器件，用于产生线聚焦作用，将平行光束在一个方向上会聚，以进行线照明，所述调制器只需在这一个照明维度上调制此光线；所述积分变换的核函数为二维积分变换的核函数时，所述照明图案为二维照明图案，所述调制器对样品臂的平行光束进行二维调制。
9.其中，所述为消色差双胶合柱透镜。
10.其中，所述样品臂还包括用于将调制器产生的照明图案投射到待测样品的透镜组。
11.其中，所述光源单元使用宽带光源或者扫频光源；所述干涉仪采用空间光路或光纤光路；采用光纤光路情况下，光纤输出平行光时，在光纤输出端使用准直器；所述探测装置使用光谱仪、探测器或者双平衡探测器。
12.本发明还提供了一种基于积分变换原理的oct成像方法，采用本发明所述的系统进行成像，包括以下步骤：
13.启动系统后，根据积分变换的数学原理，所述调制器对光进行调制，在样品处得到由积分变换核函数所决定的特定的光照明分布；
14.每次调制后，oct系统的探测装置测量相应的oct干涉信号，并由采集模块进行信号采集，然后发送给计算机记录数据；
15.计算机将记录下来的若干组数据进行处理，根据逆向积分变换算法和oct数据处理方法重建出样品的结构信息。
16.其中，所述积分变换为小波变换、傅氏变换或拉氏变换。
17.其中，所述积分变换核函数若存在复数的情况，将积分变换核函数分解为实部和虚部；针对实部和虚部，在样品臂使用所对应的不同光照明分布分别进行测量。
18.其中，所述积分变换核函数的实部或虚部若存在负值的情况，将实部或虚部写为两个非负函数之差的形式，再用这两个非负函数所确定的光照明分布进行差分测量。
19.有益效果
20.本发明系统中，利用调制器取代了传统样品臂中所必需的振镜或等效的扫描装置和聚焦透镜装置。调制器对光束进行调制后产生特定的照明图案投射在样品上，所投射的照明图案会覆盖整个待成像的样品区域。因此，相比于基于振镜和聚焦透镜装置的空间单点测量，本发明不需要对待测样品进行扫描就能成像，系统结构更为简单和稳定；并且在同样的样品光功率损伤阈值情况下，本发明允许使用更高的样品光功率。这样，高的光照功率显著提高了系统探测信号能力，进而提升了相干成像的信噪比。同时，由于样品图像在积分变换域的稀疏性，还可以有效的减少测量次数，实现欠采样情况下样品的高质量成像。
21.本发明系统中，当调制器离样品比较远的情况下，可以增加透镜组，经透镜组将调制器产生的照明图案投射至待测样品表面，系统的适应性更强。
22.在一维图案照明情况下，所述样品臂包括一维聚焦器件(如消色差双胶合柱透镜)，以及用于对光束进行调制的调制器，及用于将调制器产生的照明图案投射到样品的透镜组，其中，消色差双胶合柱透镜用于将色差最小化、同时产生线聚焦作用。
附图说明
23.图1为采用mach-zehnder干涉仪的光学相干断层成像系统示意图；
24.图2为采用michelson干涉仪的光学相干断层成像系统示意图；
25.图3为本发明实施例1中采用一维照明时光学相干断层成像系统的样品臂示意图；
26.图4为本发明实施例2中采用二维照明时光学相干断层成像系统的样品臂示意图。
27.其中，1-光源单元，2-干涉仪，3-样品臂，4-参考臂，5-探测装置，6-采集模块和计算机，7-消色差双胶合柱透镜，8-调制器，9-透镜组，10-待测样品
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.本发明提供了一种基于积分变换原理的oct成像系统，基本原理是：在传统oct系统的基础上，运用“积分变换”的原理在样品臂中使用调制器对光束进行调制以得到特定的照明分布图案，可以是一维照明或二维照明；照明分布图案投射到待测样品上，在照明图案的照射下待测样品不同深度的返回光与参考光进入干涉仪发生干涉，再经探测装置探测、采集模块采集后，由计算机完成数据处理并显示出样品的二维或三维结构图像。相比于传统oct的单点测量方法，本发明基于积分变换原理，无需用振镜等装置对样品进行扫描，系统结构简单，且允许使用更高的样品光功率，显著提高了oct成像的信噪比，同时可以实现欠采样情况下样品的高质量成像。
30.本发明系统包括光源单元、干涉仪、样品臂、参考臂、探测装置、采集模块以及计算机。
31.其中，光源单元用于发射照射待测样品的光，可以是宽带光源或者扫频光源，光源单元的工作波段可采用850nm、1064nm、1310nm和1550nm或其他成像波段中的一种；
32.干涉仪用于对两臂的返回光发生干涉进而进行干涉测量，可以是mach-zehnder干涉仪或者michelson干涉仪，采用空间光路或光纤光路，采用光纤光路情况下，光纤需要输出平行光时，可在光纤输出端使用准直器。
33.样品臂用于将所需的照明图案投射至所述样品，到达所述样品表面及内部的光随后经反射或散射沿样品臂原路返回至所述干涉仪；在一维图案照明情况下，所述样品臂包括一维聚焦器件(如：用于将色差最小化、同时产生线聚焦作用的消色差双胶合柱透镜)，以及用于对光束进行调制的调制器，及用于将调制器产生的照明图案投射到样品的透镜组。在二维图案照明情况下，所述一维聚焦器件依据情况省略掉。当调制器离样品非常近的情况下，所述透镜组也可以省略。所述样品臂中所述调制器对光束进行调制得到的特定照明分布包括一维照明和二维照明。
34.参考臂用于提供延迟后的参考光与所述样品臂返回光于所述干涉仪中发生干涉；
35.探测装置用于检测从两臂返回的光束叠加形成的干涉信号，可以是光谱仪、探测器或者双平衡探测器；
36.采集模块用于采集信号，使电信号经模数转换后转换为数字信号；
37.计算机用于接收并处理数据，显示样品的结构图像。
38.其工作步骤如下：光源单元产生的光束进入干涉仪后被分为两束，一束进入参考臂，一束进入样品臂；样品臂中所述调制器对光束进行调制，以得到所需要的光照明分布，再经所述透镜组将照明图案投射至待测样品，以得到所述样品不同深度处的返回光；参考臂返回光与样品不同深度处的返回光进入所述干涉仪发生干涉，形成干涉信号；干涉信号进入所述探测装置被检测，经所述采集模块采集并转化为数字信号，传输至所述计算机进行数据处理并显示样品的结构图像。
39.本发明系统适用于td-oct、sd-oct和ss-oct，其中，td-oct使用宽带光源和平衡探测器，sd-oct使用宽带光源和光谱仪，ss-oct使用扫频光源和平衡探测器。
40.实施例1：
41.本发明实施例1是采用一维照明时的系统，样品臂结构示意图如图3所示。采用一维照明的基于积分变换原理的光学相干断层成像的系统光路根据干涉仪的不同可以有两种方式：如图1所示为采用mach-zehnder干涉仪的光学相干断层成像的系统光路图，如图2所示为采用michelson干涉仪的光学相干断层成像的系统光路图。本发明实施例1系统结构包括：光源单元1，干涉仪2，样品臂3，参考臂4，探测装置5，采集模块和计算机6，消色差双胶合柱透镜7，调制器8，透镜组9和待测样品10。
42.其中，光源单元1用于产生照射待测样品的光束，可以是宽带光源或者是扫频光源。干涉仪2用于获取样品臂的反射及散射光与参考臂的延迟光来实现对样品的干涉测量。样品臂3用于将一维照明图案投射至样品表面，并收集样品表面和内部的返回光。参考臂4用于提供参考光并与样品臂返回光于干涉仪中发生干涉。探测装置5用于检测从两臂返回的光束叠加形成的干涉信号，可以用光谱仪或双平衡探测器。采集模块6用于采集信号，即将模拟信号转化为数字信号；计算机6用于接收并处理数据，显示样品的结构图像。
43.进一步地，样品臂中，消色差双胶合柱透镜7用于最大幅度的减小色差，同时产生线聚焦作用，将平行光束在一个方向上会聚，以进行线照明。调制器8用于对线照明的光束进行调制，得到所需的一维图样来调制照明光。透镜组9用于将调制器产生的一维照明图案投射到样品表面。
44.本发明系统采用一维照明时，选择如图3所示的样品臂，对应成像方法包括如下步骤：
45.1)光源1发射的光束进入干涉仪2后被分为两束，一束进入样品臂3，一束进入参考臂4；
46.2)进入样品臂3的平行光束经消色差双胶合柱透镜7后被会聚为一条线照射到调制器8上，调制器8将光线调制为一维积分变换的核函数，产生一维照明图案，一维照明图案再通过透镜组9投射至待测样品10，在照明图案的照射下样品不同深度反射或散射的光沿原路返回至干涉仪2；
47.3)参考臂4将参考光变为返回至干涉仪2的参考回光；
48.4)样品10的反射及散射光与参考回光于干涉仪2中发生干涉叠加，形成干涉信号；
49.5)干涉信号进入探测装置5检测，经采集模块6采集并转化为数字信号后，传输至计算机6进行数据处理，由计算机6显示样品10的二维结构图像。
50.根据积分变换的原理，一维积分变换的定义式为：
51.其中，k(x,u)为积分变换的核函数，取一系列不同的u值时，积分变换核就表现为一系列的一维空间分布函数。这些一维空间分布函数就决定了调制器所产生的一维照明图案。x方向为一维照明的方向，[a,b]为一维照明图案在待测样品上的照射范围，u为变换域上的坐标，f(x)表示待变换的函数，g(u)表示变换后的函数。i[]表示积分变换。
[0052]
积分变换的逆过程的表达式为：其中i-1
[]表示积分变换的逆过程，为此逆过程的核函数。
[0053]
进一步地，步骤4中，对应于不同u值所确定的照明图案，测量干涉仪所输出的若干组干涉信号，得到一系列与u值相关的干涉信号，表示为：其中，r(x,k)为x处样品臂返回光与参考臂返回光的干涉光谱，k为波数，k(x,u)为u值所确定的调制器所产生的一维照明图案。
[0054]
步骤5中，由计算机完成数据处理，进行样品的重建，得到样品的二维结构图像，该过程表示为：或者其中，f-1
表示在样品深度方向(即z方向)上的逆fourier变换，为样品的二维结构图像。
[0055]
实施例2：
[0056]
本发明实施例1是采用二维照明时的系统，样品臂结构示意图如图4所示。采用二维照明的系统光路与一维照明的系统光路相同，即根据选择的干涉仪的不同也存在两种方式：如图1所示为采用mach-zehnder干涉仪的光学相干断层成像的系统光路图，如图2所示为采用michelson干涉仪的光学相干断层成像的系统光路图。其中，采用二维照明时，系统选用如图4所示的结构方案。因此，采用二维照明的基于积分变换原理的光学相干断层成像的结构包括：光源单元1，干涉仪2，样品臂3，参考臂4，探测装置5，采集模块和计算机6，调制器8，透镜组9和待测样品10。
[0057]
其中，光源单元1用于产生照射待测样品的光束，可以是宽带光源或者是扫频光源。干涉仪2用于获取样品臂的反射及散射光与参考臂的延迟光来实现对样品的干涉测量。样品臂3用于将二维照明图案投射至样品表面，并收集样品表面和内部的返回光。参考臂4用于提供参考光并与样品臂返回光于干涉仪中发生干涉。探测装置5用于检测从两臂返回的光束叠加形成的干涉信号，可以为光谱仪或双平衡探测器。采集模块6用于采集信号，即将模拟信号转化为数字信号；计算机6用于接收并处理数据，显示样品的结构图像。
[0058]
进一步地，样品臂中，调制器8用于对平行光束进行调制，得到所需的二维图样对样品进行照明。透镜组9用于将调制器产生的二维照明图案投射到样品表面。
[0059]
本发明系统采用二维照明时，选择如图4所示的样品臂，对应成像方法包括如下步骤：
[0060]
1)光源1发射的光束进入干涉仪2后被分为两束，一束进入样品臂3，一束进入参考臂4；
[0061]
2)进入样品臂3的平行光束照射到调制器8上，调制器8将光束调制为二维积分变换的核函数，产生二维照明图案，二维照明图案再通过透镜组9投射至待测样品10，在照明
图案的照射下样品不同深度反射及散射的光沿原路返回至干涉仪2；
[0062]
3)参考臂4将参考光变为返回至干涉仪2的参考回光；
[0063]
4)样品10的反射及散射光与参考回光于干涉仪2中发生干涉叠加，形成干涉信号；
[0064]
5)干涉信号进入探测装置5检测，经采集模块6采集并转化为数字信号后，传输至计算机6进行数据处理，由计算机6显示样品10的三维结构图像。
[0065]
根据积分变换的原理，二维积分变换的定义式为：
[0066][0067]
其中，k(x,y,u
x
,uy)为积分变换的核函数，取一系列不同的(u
x
,uy)值时，积分变换的核函数就表现为一系列的二维空间分布函数。这些二维空间分布函数就决定了调制器所产生的二维照明图案。x,y为二维照明的横纵坐标，s为二维照明图案在待测样品上的照射范围，(u
x
,uy)为变换域上的坐标，f(x,y)表示待变换的函数，g(u
x
,uy)表示变换后的函数。i
2d
[]表示积分变换。
[0068]
基于二维积分变换原理的逆过程表达式为：其中i
2d-1
[]表示积分变换的逆过程，为此逆过程的核函数。
[0069]
进一步地，步骤4中，在不同(u
x
,uy)值下，对应于不同(u
x
,uy)值所确定的照明图案，测量干涉仪所输出的若干组干涉信号，得到一系列与(u
x
,uy)值相关的干涉信号，表示为：其中，r(x,y,k)为(x,y)处样品臂返回光与参考臂返回光的干涉信号，k为波数，k(x,y,u
x
,uy)为(u
x
,uy)值所确定的调制器所需产生的二维照明图案。
[0070]
步骤5中，由计算机完成数据处理，进行样品的重建，得到样品的三维结构图像，该过程表示为：或者其中，f-1
表示在样品深度方向(即z方向)上的逆fourier变换，为样品的三维结构图像。
[0071]
实施例1和实施例2中，所述积分变换可采用数学中常用的积分变换，例如：小波变换、傅氏变换、拉氏变换等。
[0072]
实施例1和实施例2中，所述积分变换核函数若存在复数的情况，可将积分变换核函数分解为实部和虚部。针对实部和虚部，在样品臂使用所对应的不同光照明分布分别进行测量。
[0073]
实施例1和实施例2中，所述积分变换核函数的实部或虚部若存在负值的情况，可将实部或虚部写为两个非负函数之差的形式，再用这两个非负函数所确定的光照明分布进行差分测量。
[0074]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。