一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置，包括系統(tǒng)光源（1）、1:99光分束器（2）、輔助干涉儀（15）、主干涉儀（16）和采集裝置（13），輔助干涉儀（15）產(chǎn)生的干涉信號(hào)用于作為采集裝置13的外部時(shí)鐘；依據(jù)該外部時(shí)鐘采集主干涉儀（16）的第二平衡光電探測(cè)器（12）輸出的電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)（14）；由計(jì)算機(jī)（14）對(duì)采集裝置（13）采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括對(duì)相干層析成像處理，光譜分析處理。本發(fā)明將光學(xué)相干層析成像對(duì)于生物組織病變位置或奇異位置定位和散射信息與光譜分析信息結(jié)合，將有利于獲得更多的光譜分析信息，有利于醫(yī)生或科學(xué)家找到更多的解決方案。免去了活檢的創(chuàng)傷,實(shí)現(xiàn)了病變的快速檢測(cè)。
【專利說明】一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電檢測(cè)結(jié)合生物成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]層析成像技術(shù)是指對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行橫斷面成像，它實(shí)際上是一個(gè)逆散射問題:利用物體在多角度或多頻率波場(chǎng)照射下所接收到的前向透射數(shù)據(jù)或背向散射數(shù)據(jù)，通過反演算法，求取物體中散射體的相對(duì)位置、幾何形狀或內(nèi)在參數(shù)。光學(xué)相干成像是層析成像技術(shù)在光學(xué)上的應(yīng)用。
[0003]光學(xué)相干層析成像將先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)和超靈敏探測(cè)合為一體，加上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像處理，發(fā)展成為一門新興的層析成像診斷技術(shù)。它與其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)相比，例如X射線層析成像、超聲層析成像等，具有以下優(yōu)越性:
[0004]I)無輻射損傷、非侵入性
[0005]光學(xué)相干層析成像光源的發(fā)射功率在I~20mW內(nèi)，不會(huì)對(duì)生物組織造成損害。當(dāng)檢測(cè)組織表面的時(shí)候，可將光源直接照射，掃描探測(cè)機(jī)構(gòu)不需要與組織表面嚴(yán)密接觸。當(dāng)診斷體內(nèi)組織的時(shí)候，可結(jié)合內(nèi)窺鏡技術(shù)探測(cè)體內(nèi)空腔淺表組織，所以避免了對(duì)病變組織做病理切片這種具有一定破壞性的方法。
[0006]2)高靈敏度
[0007]光學(xué)相干層析成像可達(dá)到很高的探測(cè)靈敏度，因?yàn)楦缮鎯x測(cè)量的是場(chǎng)而不是光的強(qiáng)度。參考信號(hào)可有效加強(qiáng)微弱的后向散射光信號(hào)。用優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可得到近似量子極限探測(cè)。典型的光學(xué)相干成像系 統(tǒng)可達(dá)到90dB~IOOdB的探測(cè)靈敏度，要探測(cè)來自大多數(shù)散射生物組織2~3mm深度的光學(xué)信號(hào)已足夠。
[0008]3)高分辨率
[0009]光學(xué)相干層析成像能提供獨(dú)立于橫向分辨率的近似于微米量級(jí)(I~15μπι)的軸向分辨率，這主要取決于寬帶光源的帶寬或可調(diào)諧光源的調(diào)諧范圍。
[0010]光譜分析，特別是生物組織的吸收光譜，對(duì)于鑒別生物組織的特征和成分具有重要作用。如果將光學(xué)相干層析成像對(duì)于生物組織病變位置或奇異位置定位和散射信息與光譜分析信息結(jié)合，將有利于獲得更多的光譜分析信息，有利于醫(yī)生或科學(xué)家找到更多的解決方案。
[0011]目前還沒有一種光學(xué)層析成像技術(shù)和光譜分析技術(shù)結(jié)合的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]基于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置和方法，利用傳統(tǒng)光學(xué)相干層析方法得到生物組織的層析成像特征，對(duì)病變部位或奇異部位再進(jìn)行多中心波長的光學(xué)相干層析成像，得到在不同波長下的生物組織病變部位或奇異部位的散射和吸收信息，即在傳統(tǒng)光學(xué)相干層析方法上增加了光譜分析功能。[0013]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0014]本發(fā)明提供的一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置，該裝置包括系統(tǒng)光源1、1:99光分束器2、輔助干涉儀15、主干涉儀16和采集裝置13，其中:
[0015]系統(tǒng)光源1，用于提供由不同中心波長可調(diào)諧激光光源組成的光源；
[0016]1:99光分束器2,用于將系統(tǒng)光源I的出射光由1:99光分束器2的第一端口進(jìn)入，并以1:99的比例分別從第二、第三端口分配到輔助干涉儀15和主干涉儀16 ；
[0017]輔助干涉儀15，采用邁克遜干涉儀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具體包括第一環(huán)行器4、第一50:50稱合器6、第一法拉第轉(zhuǎn)鏡7和第二法拉第轉(zhuǎn)鏡8、延遲線9和第一平衡光電探測(cè)器3，在所述輔助干涉儀15中:從1:99光分束器2的第二端口的出射光進(jìn)入第一環(huán)行器4的第一端口，光從第一環(huán)行器4的第二端口射出進(jìn)入第一 50:50稱合器6的第二端口，光從第一 50:50耦合器6的第三端口和第四端口分別進(jìn)入邁克遜干涉儀的兩臂，其中一臂設(shè)置一個(gè)光學(xué)延遲線9，其作用是控制輔助干涉儀15輸出干涉信號(hào)的頻率；在邁克遜干涉儀的兩臂光經(jīng)過第一法拉第轉(zhuǎn)鏡7和第二法拉第轉(zhuǎn)鏡8返回第一 50:50耦合器6的第三端口和第四端口，再從第一 50:50稱合器6發(fā)生干涉,后干涉光從第一 50:50稱合器6的第一端口和第二端口射出，第一 50:50 f禹合器6第二端口出射光進(jìn)入從第一環(huán)行器的第二端口，光從第一環(huán)行器4的第三端口進(jìn)入第一平衡光電探測(cè)器3 ;第一 50:50稱合器6第一端口出射光也進(jìn)入第一平衡光電探測(cè)器3 ;第一平衡光電探測(cè)器3將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),該電信號(hào)直接用于產(chǎn)生采集裝置13的外部時(shí)鐘；
[0018]主干涉儀16，采用共路結(jié)構(gòu)的邁克遜干涉儀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具體包括第二環(huán)行器5、第二 50:50耦合器10、第二光電平衡探測(cè)器12和掃描探頭11 ;在主干涉儀中:從1:99光分束器2的第二端口的出射光進(jìn)入第二環(huán)行器5的第一端口，光從第二環(huán)行器5的第二端口射出進(jìn)入第二 50:50耦合器1`0的第二端口，光從第二 50:50耦合器10的第四端口分別共路邁克遜干涉儀的一臂，該臂設(shè)置有一個(gè)掃描探頭11，可掃描探頭11下的樣品17進(jìn)行X方向和y方向的掃描；利用掃描探頭11末端的反射端面與樣品的反射光發(fā)生干涉，其干涉光進(jìn)入第二 50:50稱合器10的第四端口 ；干涉光從第二 50:50稱合器10的第一端口和第二端口射出，第二 50:50 f禹合10第一端口出射光進(jìn)入從第一環(huán)行器的第二端口，光從第二環(huán)行器5的第三端口進(jìn)入第二平衡光電探測(cè)器12 ;第二 50:50耦合器10第二端口出射光也進(jìn)入第二平衡光電探測(cè)器12 ;第二平衡光電探測(cè)器12將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作為光學(xué)相干層析信號(hào)被采集裝置13采集；
[0019]采集裝置13，由輔助干涉儀上15的第一平衡探測(cè)器3輸出的電信號(hào)作為外部時(shí)鐘，用于依據(jù)該外部時(shí)鐘采集主干涉儀16的第二平衡光電探測(cè)器12輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)14;以及
[0020]計(jì)算機(jī)14:對(duì)采集裝置13采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括對(duì)相干層析成像處理，光譜分析處理。
[0021]本發(fā)明還提出一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析方法，該方法包括以下步驟:
[0022]采用由不同中心波長可調(diào)諧激光光源組成的光源作為輸入光源；
[0023]利用輔助干涉儀產(chǎn)生采集裝置13的外部時(shí)鐘；
[0024]利用主干涉儀上設(shè)置的掃描探頭11，對(duì)樣品17進(jìn)行X方向和y方向的掃描；利用掃描探頭11末端的反射端面與樣品的反射光發(fā)生干涉，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作為光學(xué)相干層析信號(hào)被采集，得到樣品進(jìn)行多中心波長的光學(xué)相干層析成像；在不同波長下的生物組織病變部位或奇異部位的散射和吸收信息；
[0025]采集裝置13依據(jù)外部時(shí)鐘采集主干涉儀16的輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)14;以及
[0026]由計(jì)算機(jī)14對(duì)采集裝置13采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括對(duì)相干層析成像處理，進(jìn)行光譜分析處理。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用某一波長的可調(diào)諧激光光源形成對(duì)生物組織的光學(xué)相干層析信號(hào)后，確定特定部分如病變部分或重要部分，對(duì)此部分利用不同中心波長可調(diào)諧激光光源再次進(jìn)行光學(xué)相干層析成像，得到生物組織的病變部分或重要部分的光譜信息。將光學(xué)相干層析成像對(duì)于生物組織病變位置或奇異位置定位和散射信息與光譜分析信息結(jié)合，將有利于獲得更多的光譜分析信息，有利于醫(yī)生或科學(xué)家找到更多的解決方案。免去了活檢的創(chuàng)傷，實(shí)現(xiàn)了病變的快速檢測(cè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]1、系統(tǒng)光源；2、1:99光分束器；3、第一平衡光電探測(cè)器；4、第一環(huán)行器5、第二環(huán)行器；6、第一 50:50稱合器；7、第一法拉第轉(zhuǎn)鏡；8、第二法拉第轉(zhuǎn)鏡；9、延遲線；10、第二50:50耦合器；11、掃描探頭12、第二光電平衡探測(cè)器；13、采集裝置；14、計(jì)算機(jī)；15、輔助干涉儀16、主干涉儀；17、 【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步說明。
[0031]如圖1所示的一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析的裝置，系統(tǒng)光源包含一個(gè)中心波長為1310nm的可調(diào)諧激光光源和多個(gè)中心波長在400nm到1600nm的可調(diào)諧激光源，其中1310nm的可調(diào)諧激光光源為普通光學(xué)相干層析成像提供光源，多個(gè)中心波長在400nm到1600nm的可調(diào)諧激光源為相干層析成像找到的病變或重要部分提供光譜采集時(shí)的光源；
[0032]1:99光分束器2:系統(tǒng)光源I的出射光由光分束器的第一端口進(jìn)入，并以1:99的比例分別從第二、第三端口分配到輔助干涉儀15和主干涉儀16 ；
[0033]輔助干涉儀15:輔助干涉儀為一個(gè)邁克遜干涉儀結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的干涉信號(hào)用于作為采集裝置13的外部時(shí)鐘；包括第一環(huán)行器4、第一 50:50耦合器6、第一法拉第轉(zhuǎn)鏡7和第二法拉第轉(zhuǎn)鏡8、延遲線9和第一平衡光電探測(cè)器3 ；
[0034]從1:99光分束器2的第二端口的出射光進(jìn)入第一環(huán)行器4的第一端口，光從第一環(huán)行器4的第二端口射出進(jìn)入第一 50:50稱合器6的第二端口，光從第一 50:50稱合器6的第三端口和第四端口分別進(jìn)入邁克遜干涉儀的兩臂，其中一臂設(shè)置一個(gè)光學(xué)延遲線9，其作用是控制輔助干涉儀15輸出干涉信號(hào)的頻率。在邁克遜干涉儀的兩臂光經(jīng)過第一法拉第轉(zhuǎn)鏡7和第二法拉第轉(zhuǎn)鏡8返回第一 50:50稱合器6的第三端口和第四端口，在從第一50:50稱合器6發(fā)生干涉,后干涉光從第一 50:50稱合器6的第一端口和第二端口射出，第一 50:50稱合器6第二端口出射光進(jìn)入從第一環(huán)行器的第二端口，光從第一環(huán)行器4的第三端口進(jìn)入第一平衡光電探測(cè)器3。第一 50:50稱合器6第一端口出射光也進(jìn)入第一平衡光電探測(cè)器3。第一平衡光電探測(cè)器3將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其電信號(hào)直接用于采集裝置13的外部時(shí)鐘。
[0035]主干涉儀16:是兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置核心，其為共路結(jié)構(gòu)的邁克遜干涉儀結(jié)構(gòu)，包括第二環(huán)行器5、第二 50:50耦合器10、第二光電平衡探測(cè)器12和掃描探頭11 ;
[0036]從1:99光分束器2的第二端口的出射光進(jìn)入第二環(huán)行器的第一端口，光從第二環(huán)行器5的第二端口射出進(jìn)入第二 50:50耦合器10的第二端口，光從第二 50:50耦合器10的第四端口分別共路邁克遜干涉儀的一臂，該臂設(shè)置有一個(gè)掃描探頭11，可掃描探頭11下的樣品17如生物組織等進(jìn)行X方向和y方向的掃描。利用掃描探頭11末端的反射端面與樣品的反射光發(fā)生干涉，其干涉光進(jìn)入第二 50:50耦合器10的第四端口。這里掃描探頭11末端的反射端面可以采用鍍膜處理來獲得不同的透過率和反射率，以得到最佳的信噪比和靈敏度。干涉光從第二 50:50耦合器10的第一端口和第二端口射出，第二 50:50耦合10第一端口出射光進(jìn)入從第一環(huán)行器的第二端口，光從第二環(huán)行器5的第三端口進(jìn)入第二平衡光電探測(cè)器12。第二 50:50耦合器10第二端口出射光也進(jìn)入第二平衡光電探測(cè)器12。第二平衡光電探測(cè)器12將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作為光學(xué)相干層析信號(hào)被采集裝置13采集;
[0037]采集裝置12:由輔助干涉儀上15的第一平衡探測(cè)器3輸出的電信號(hào)作為外部時(shí)鐘信號(hào)，采集主干涉儀上第二平衡光電探測(cè)器12輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)14。
[0038]計(jì)算機(jī)14:對(duì)采集裝置12采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括對(duì)相干層析成像處理，光譜分析處理。
[0039]本發(fā)明的一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析方法，包括以下步驟:
[0040]傳統(tǒng)光學(xué)相干層析方法采用單一中心波長的可調(diào)諧光源或?qū)拵Ч庠?。本方法在與利用傳統(tǒng)光學(xué)相干層析方法得到生物組織的層析成像特征，對(duì)病變部位或奇異部位再進(jìn)行多中心波長的光學(xué)相干層析成像，得到在不同波長下的生物組織病變部位或奇異部位的散射和吸收信息，即在傳統(tǒng)光學(xué)相干層析方法上增加了光譜分析功能。該方法所基于的兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置是一種頻域共路光學(xué)相干層析方法，本方法不限于此種光學(xué)相干層析方法，其他光學(xué)相干層析方法如譜域光學(xué)相干層析方法、偏振敏感光學(xué)相干層析方法、相位敏感光學(xué)相干層析方法等同樣適用。
【權(quán)利要求】
1.一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置，其特征在于，該裝置包括系統(tǒng)光源(1)、1:99光分束器(2)、輔助干涉儀(15)、主干涉儀(16)和采集裝置(13)，其中: 系統(tǒng)光源(I )，用于提供由不同中心波長可調(diào)諧激光光源組成的光源； 1:99光分束器(2),用于將系統(tǒng)光源(I)的出射光由1:99光分束器(2)的第一端口進(jìn)入，并以1:99的比例分別從第二、第三端口分配到輔助干涉儀(15)和主干涉儀(16); 輔助干涉儀(15)，采用邁克遜干涉儀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具體包括第一環(huán)行器(4)、第一50:50稱合器(6)、第一法拉第轉(zhuǎn)鏡(7)和第二法拉第轉(zhuǎn)鏡(8)、延遲線(9)和第一平衡光電探測(cè)器(3)，在所述輔助干涉儀(15)中:從1:99光分束器(2)的第二端口的出射光進(jìn)入第一環(huán)行器(4)的第一端口，光從第一環(huán)行器(4)的第二端口射出進(jìn)入第一 50:50稱合器(6)的第二端口，光從第一 50:50耦合器(6)的第三端口和第四端口分別進(jìn)入邁克遜干涉儀的兩臂，其中一臂設(shè)置一個(gè)光學(xué)延遲線(9)，其作用是控制輔助干涉儀(15)輸出干涉信號(hào)的頻率；在邁克遜干涉儀的兩臂光經(jīng)過第一法拉第轉(zhuǎn)鏡(7)和第二法拉第轉(zhuǎn)鏡(8)返回第一50:50耦合器(6)的第三端口和第四端口，再從第一 50:50耦合器(6)發(fā)生干涉，后干涉光從第一 50:50 I禹合器(6)的第一端口和第二端口射出，第一 50:50 I禹合器(6)第二端口出射光進(jìn)入從第一環(huán)行器的第二端口，光從第一環(huán)行器(4)的第三端口進(jìn)入第一平衡光電探測(cè)器(3);第一 50:50耦合器(6)第一端口出射光也進(jìn)入第一平衡光電探測(cè)器(3);第一平衡光電探測(cè)器(3)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)直接用于產(chǎn)生采集裝置(13)的外部時(shí)鐘； 主干涉儀(16)，采用共路結(jié)構(gòu)的邁克遜干涉儀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具體包括第二環(huán)行器(5)、第二 50:50耦合器(10)、第二光電平衡探測(cè)器(12)和掃描探頭(11);在主干涉儀中:從1:99光分束器(2)的第二端口的出射光進(jìn)入第二環(huán)行器(5)的第一端口，光從第二環(huán)行器(5)的第二端口射出進(jìn)入第二 50:50耦合 器(10)的第二端口，光從第二 50:50耦合器(10)的第四端口分別共路邁克遜干涉儀的一臂，該臂設(shè)置有一個(gè)掃描探頭(11)，可掃描探頭(11)下的樣品(17)進(jìn)行X方向和y方向的掃描；利用掃描探頭(11)末端的反射端面與樣品的反射光發(fā)生干涉，其干涉光進(jìn)入第二 50:50耦合器(10)的第四端口 ；干涉光從第二50:50耦合器(I O)的第一端口和第二端口射出，第二 50:50耦合10第一端口出射光進(jìn)入從第一環(huán)行器的第二端口，光從第二環(huán)行器(5 )的第三端口進(jìn)入第二平衡光電探測(cè)器(12 );第二 50:50耦合器(10)第二端口出射光也進(jìn)入第二平衡光電探測(cè)器(12);第二平衡光電探測(cè)器(12)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作為光學(xué)相干層析信號(hào)被采集裝置(13)采集； 采集裝置(13)，由輔助干涉儀上(15)的第一平衡探測(cè)器(3)輸出的電信號(hào)作為外部時(shí)鐘，用于依據(jù)該外部時(shí)鐘采集主干涉儀(16)的第二平衡光電探測(cè)器(12)輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)(14);以及 計(jì)算機(jī)(14):對(duì)采集裝置(13)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括對(duì)相干層析成像處理，光譜分析處理。
2.如權(quán)利要求1所述的兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析裝置，其特征在于，所述這里掃描探頭(11)末端的反射端面采用鍍膜處理。
3.一種兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 采用由不同中心波長可調(diào)諧激光光源組成的光源作為輸入光源；利用輔助干涉儀產(chǎn)生采集裝置(13)的外部時(shí)鐘； 利用主干涉儀上設(shè)置的掃描探頭(11)，對(duì)樣品(17)進(jìn)行X方向和y方向的掃描；利用掃描探頭(11)末端的反射端面與樣品的反射光發(fā)生干涉，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作為光學(xué)相干層析信號(hào)被采集，得到樣品進(jìn)行多中心波長的光學(xué)相干層析成像；在不同波長下的生物組織病變部位或奇異部位的散射和吸收信息； 采集裝置(13)依據(jù)外部時(shí)鐘采集主干涉儀(16)的輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)(14);以及 由計(jì)算機(jī)(14)對(duì)采集裝置(13)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括對(duì)相干層析成像處理，進(jìn)行光譜分析處理。
4.如權(quán)利要求3所述的兼容光譜信息分析功能的光學(xué)相干層析方法，其特征在于，所述這里掃描探頭(11)末端的反射 端面采用鍍膜處理。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK103720460SQ201310750992
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】劉鐵根, 丁振揚(yáng), 江俊峰, 劉琨, 杜陽 申請(qǐng)人:天津大學(xué)