基于全空間調(diào)制譜分割角度復(fù)合的微血管造影系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于全空間調(diào)制譜分割角度復(fù)合的微血管造影系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括低相干寬帶光源、光環(huán)行器、光纖耦合器、參考臂、樣品臂、光譜儀和信號(hào)處理模塊；其中參考臂包括參考臂偏振控制器件、參考臂準(zhǔn)直透鏡、參考臂聚焦透鏡和平面反射鏡；樣品臂包括樣品臂偏振控制器、樣品臂準(zhǔn)直透鏡、正交掃描振鏡和樣品臂聚焦物鏡；光譜儀包括光譜儀準(zhǔn)直透鏡、閃耀光柵、傅里葉透鏡和線陣CMOS相機(jī)；利用本實(shí)用新型獲得的多個(gè)空間角度復(fù)合的微血管造影圖，具有增強(qiáng)的對(duì)比度和血管連通性；本實(shí)用新型談及的全空間的橫向調(diào)制譜分割技術(shù)，可以提供最大化的空間頻率域的橫向調(diào)制譜，消除由于調(diào)制譜分割導(dǎo)致的橫向分辨率下降。
【專利說(shuō)明】
基于全空間調(diào)制譜分割角度復(fù)合的微血管造影系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及光學(xué)相干層析成像技術(shù)(Optical Coherence Tomography，0CT) 以及在此基礎(chǔ)之上的無(wú)標(biāo)記三維光學(xué)微血管造影技術(shù)(OCT Angiography，Angi〇-0CT)，尤 其涉及基于全空間調(diào)制譜分割角度復(fù)合的微血管造影方法與系統(tǒng)。 技術(shù)背景
[0002] 0CT技術(shù)是自從上世紀(jì)90年代以后逐步發(fā)展起來(lái)的在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重大應(yīng)用 價(jià)值的一種新型成像技術(shù)。憑借著無(wú)標(biāo)記物、非侵入性、非接觸性、高成像分辨率和高探測(cè) 靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，它吸引著越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外科研工作者更加深入地對(duì)其進(jìn)行研究，目前在 醫(yī)學(xué)臨床中得到了廣泛應(yīng)用。0CT技術(shù)主要依據(jù)所探測(cè)到的由于生物樣品的光學(xué)不均勻性 所導(dǎo)致的樣品背向散射光光強(qiáng)變化，獲取樣品內(nèi)部的反射率信息，進(jìn)而重構(gòu)出樣品的斷層 結(jié)構(gòu)圖像。然而通常在疾病的早期階段，由于正常的和病變的生物組織間光散射特性的差 異性較小，運(yùn)用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型0CT較難加以檢測(cè)并區(qū)分，故而在臨床應(yīng)用上其存在諸多的局 限性。為了能夠獲得除生物樣品組織形態(tài)結(jié)構(gòu)之外更多的生理信息，功能型0CT技術(shù)得到了 開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用。
[0003] 諸多的疾病（如青光眼、老年黃斑病變等眼底疾病，腦中風(fēng)等腦疾病）與血流灌注 的病態(tài)變化存在密切的相關(guān)性。如若能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)病人血管的變化，并提供血管的三維影 像，對(duì)該類疾病的早期診斷和控制具有重要的意義。Angio-OCT技術(shù)是一項(xiàng)具有巨大前景的 可有助于血管疾病診斷的工具，其能夠較好的區(qū)分靜態(tài)的組織和動(dòng)態(tài)的血流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了 0CT在獲取血管內(nèi)血流信息方面的功能性拓展。相較于傳統(tǒng)的造影技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在無(wú)需 注入顯影劑和利用X射線，并結(jié)合前面所述0CT技術(shù)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)微血管三維深度分辨 的高對(duì)比度的成像。通常，血流對(duì)比度的模型建立是運(yùn)用數(shù)學(xué)的手段分析光散射信號(hào)的時(shí) 間統(tǒng)計(jì)特性，并用閾值分割動(dòng)態(tài)的血流信號(hào)和靜態(tài)的組織背景信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而由于動(dòng) 態(tài)和靜態(tài)信號(hào)統(tǒng)計(jì)曲線之間存在重疊，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信號(hào)分割錯(cuò)誤，血流對(duì)比度受到抑 制。因此，采取有效的方法提高造影圖的血流對(duì)比，有助于更加清晰地解釋說(shuō)明圖像的特 征。
[0004] 基于Angio-OCT信號(hào)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)特性研究得出：多個(gè)獨(dú)立的血管造影子圖的平均 可以提高造影的對(duì)比度。參照一些消除散斑的方法，可以通過(guò)波長(zhǎng)多樣性、角度多樣性和偏 振多樣性等方法來(lái)獲取獨(dú)立的造影子圖。Jia等人提出了一種類似于波長(zhǎng)多樣性的光譜分 割A(yù)ngio-OCT方法。該方法將0CT干涉信號(hào)的全波長(zhǎng)光譜分割成不同的子光譜，每個(gè)子光譜 可產(chǎn)生獨(dú)立的造影子圖，通過(guò)復(fù)合形成新的血管造影圖。然而相對(duì)于原來(lái)的全光譜，每個(gè)子 光譜帶寬變窄，導(dǎo)致圖像的軸向分辨率下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了基于全空間調(diào)制譜分割角度復(fù)合的微血 管造影系統(tǒng)。
[0006] 本實(shí)用新型基于全空間調(diào)制譜分割角度復(fù)合的微血管造影系統(tǒng)，包括低相干寬帶 光源、光環(huán)行器、光纖耦合器、參考臂、樣品臂、光譜儀和信號(hào)處理模塊;其中參考臂包括參 考臂偏振控制器件、參考臂準(zhǔn)直透鏡、參考臂聚焦透鏡和平面反射鏡;樣品臂包括樣品臂偏 振控制器、樣品臂準(zhǔn)直透鏡、正交掃描振鏡和樣品臂聚焦物鏡;光譜儀包括光譜儀準(zhǔn)直透 鏡、閃耀光柵、傅里葉透鏡和線陣CMOS相機(jī)；
[0007] 低相干寬帶光源經(jīng)過(guò)光環(huán)行器與光纖耦合器一側(cè)的輸入端相連接;光纖耦合器另 一側(cè)的其中一個(gè)輸出端口經(jīng)過(guò)參考臂偏振控制器件與參考臂準(zhǔn)直透鏡相連接;參考臂聚焦 透鏡的光軸與參考臂準(zhǔn)直透鏡的光軸重合，平面反射鏡置于參考臂聚焦透鏡的焦平面處； 光纖耦合器另一側(cè)的另外一個(gè)輸出端口，經(jīng)過(guò)樣品臂偏振控制器與樣品臂準(zhǔn)直透鏡相連 接;正交掃描振鏡的第一掃描鏡轉(zhuǎn)軸中心位于樣品臂準(zhǔn)直透鏡的光軸上，第二掃描鏡轉(zhuǎn)軸 中心位于樣品臂聚焦物鏡的光軸上，待測(cè)樣品置于樣品臂聚焦物鏡的焦平面處;光環(huán)行器 的另一個(gè)輸出端口與光譜儀準(zhǔn)直透鏡相連接，閃耀光柵根據(jù)分光原理放置在光譜儀準(zhǔn)直透 鏡的出射光路上，傅里葉透鏡置于閃耀光柵的出射光路上，線陣CMOS相機(jī)的采光面與傅里 葉透鏡的后焦平面重合;線陣CMOS相機(jī)后面接信號(hào)處理模塊；
[0008]低相干寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光環(huán)行器后入射到光纖親合器，出射光分成兩部 分，一部分進(jìn)入?yún)⒖急郏?jīng)準(zhǔn)直聚焦后照射到平面反射鏡；另一部分進(jìn)入樣品臂，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直 聚焦后照射到待測(cè)樣品上；樣品臂的正交掃描振鏡實(shí)現(xiàn)樣品臂光束對(duì)待測(cè)樣品的三維掃 描;參考臂反射鏡反射回的光與待測(cè)樣品背向散射回的光在光纖耦合器處發(fā)生干涉，出射 的干涉光經(jīng)過(guò)光譜儀后由信號(hào)處理模塊采集處理。
[0009] 與【背景技術(shù)】相比，本實(shí)用新型具有的有益效果是：
[0010] 1)利用本實(shí)用新型獲得的多個(gè)空間角度復(fù)合的微血管造影圖，具有增強(qiáng)的對(duì)比度 和血管連通性；
[0011] 2)本實(shí)用新型談及的全空間的橫向調(diào)制譜分割技術(shù)，可以提供最大化的空間頻率 域的橫向調(diào)制譜，消除由于調(diào)制譜分割導(dǎo)致的橫向分辨率下降。
[0012] 3)利用本實(shí)用新型談及的基于全空間調(diào)制譜分割的多個(gè)角度分辨的探測(cè)技術(shù)，可 以在單光束單次測(cè)量的情況下實(shí)現(xiàn)血流絕對(duì)流速的測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為樣品臂掃描光束示意圖；
[0014] 圖2為偏移量δ引入的調(diào)制頻率匕圖；
[0015]圖3為橫向掃描調(diào)制譜正負(fù)頻率混疊圖；
[0016] 圖4是本實(shí)用新型的方法實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0017] 圖5是本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)示意圖。
[0018] 圖1中:①、探測(cè)光束;②、掃描振鏡;③、振鏡轉(zhuǎn)軸中心;④、聚焦物鏡。
[0019] 圖2中：偏移量δ引入的調(diào)制頻率fm。
[0020] 圖3中：正負(fù)頻率混疊的橫向掃描調(diào)制譜。
[0021] 圖4中:A表示0CT干涉光譜實(shí)數(shù)信號(hào);B表示深度(z)域的空間結(jié)構(gòu)信息;C表示去除 共輒項(xiàng)后的空間結(jié)構(gòu)信息;D表示復(fù)數(shù)值的干涉光譜;E表示空間頻率域的全空間橫向掃描 調(diào)制譜;F1至Fn分別表示分割得到的調(diào)制子光譜;G1至Gn分別表示z域空間結(jié)構(gòu)信號(hào);H1至 Hn分別表示光學(xué)造影子圖；I表示光學(xué)造影圖；
[0022] 圖5中：1、低相干寬帶光源；2、光環(huán)行器;3、光纖耦合器;4、參考臂偏振控制器件； 5、參考臂準(zhǔn)直透鏡;6、參考臂聚焦透鏡;7、平面反射鏡;8、樣品臂偏振控制器件;9、樣品臂 準(zhǔn)直透鏡；10、正交掃描振鏡；11、樣品臂聚焦物鏡；12、待測(cè)樣品；13、準(zhǔn)直透鏡；14、閃耀光 柵;15、傅里葉透鏡;16、線陣CMOS相機(jī);17、信號(hào)處理模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例子對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0024]圖1、圖2和圖3所示為本實(shí)用新型的橫向調(diào)制原理示意圖。下面對(duì)圖1、圖2和圖3中 的示意圖作詳細(xì)說(shuō)明。
[0025] 1)通常在0CT系統(tǒng)的樣品臂中，為獲得較高的橫向成像分辨率，要求照射到物鏡上 的光束直徑尺寸盡量大。因此，在圖1中，當(dāng)一定寬度的準(zhǔn)直光束照射到樣品臂掃描振鏡的 轉(zhuǎn)軸中心時(shí)，光束距離轉(zhuǎn)軸中心存在一定的偏移量δ。而偏移量δ會(huì)引入樣品臂光程的調(diào)制， 導(dǎo)致在空間頻率域的橫向掃描調(diào)制(如圖2)，其調(diào)制頻率匕與偏移量δ成線性函數(shù)關(guān)系：
[0026]
[0027] 其中，k表示光源的中心波數(shù)，ω表示掃描振鏡的角速度。因此，在全空間的橫向掃 描調(diào)制譜中，不同的調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)著不同入射角度的探測(cè)光。
[0028] 2)在0CT成像中，對(duì)應(yīng)于一次橫向掃描得到的干涉光譜為實(shí)數(shù)值信號(hào)。由于直接對(duì) 光譜實(shí)數(shù)信號(hào)沿橫向快掃方向作傅里葉變換，所得到的空間頻率分布會(huì)產(chǎn)生正負(fù)頻率的混 疊(如圖3)，因此需要重構(gòu)出復(fù)數(shù)值的0CT干涉光譜。
[0029] 圖4所示為本實(shí)用新型的方法的具體實(shí)現(xiàn)流程圖。下面對(duì)圖4中的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō) 明：
[0030] 1)在0CT成像中，對(duì)應(yīng)于一次橫向掃描得到的是干涉光譜實(shí)數(shù)信號(hào)（即方框Α)。為 了重構(gòu)出復(fù)數(shù)值的光譜信號(hào)，對(duì)實(shí)數(shù)譜沿著波數(shù)k方向進(jìn)行傅里葉變換，得到深度ζ域的空 間結(jié)構(gòu)信息（即方框B)。通常在譜域0CT中，一半的z空間對(duì)應(yīng)約3mm的成像范圍，能夠滿足絕 大多數(shù)的應(yīng)用要求，于是將待測(cè)樣品完全置于零光程差的一邊，以分辨復(fù)共輒鏡像。通過(guò)去 除ζ域中的共輒項(xiàng)，得到新的ζ域空間結(jié)構(gòu)信息（即方框C)。而后沿著k方向進(jìn)行傅里葉逆變 換，最終得到復(fù)數(shù)值的光譜信號(hào)即方框D)。對(duì)該復(fù)數(shù)譜沿X方向進(jìn)行傅立葉變換，在 空間頻率域獲得全空間的橫向掃描調(diào)制譜(即方框E)。
[0031] 2)對(duì)得到的橫向調(diào)制譜進(jìn)行分割，可獲得入射角度分辨的相互獨(dú)立的0CT干涉子 光譜（即方框F1至Fn)。分割得到的子光譜個(gè)數(shù)η及子光譜間的重疊視最終的圖像效果而定： 分割的個(gè)數(shù)越多會(huì)導(dǎo)致橫向分辨率減小得越多，此外還增加了處理算法的復(fù)雜度;子光譜 間相互重疊的部分越大，會(huì)導(dǎo)致子光譜相互之間的獨(dú)立性下降，影響編碼不同入射角度的 探測(cè)光。
[0032] 3)對(duì)獲得的入射角度分辨的相互獨(dú)立的子光譜（即方框F1至Fn)，分別沿著X方向 進(jìn)行傅里葉逆變換，再沿著k方向進(jìn)行傅里葉變換，得到ζ域的空間結(jié)構(gòu)信息（即方框G1至 Gn)。利用目前的光學(xué)微血管造影技術(shù)，如幅值差分法、互相關(guān)法等，分別產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的獨(dú)立 的造影子圖（即方框HI和Hn)。對(duì)這些空間角度分辨的造影子圖進(jìn)行復(fù)合平均，得到新的微 血管造影圖（即方框I )，其血流對(duì)比度得到了提高。
[0033] 傳統(tǒng)的多普勒頻移測(cè)流速法只能測(cè)量與探測(cè)光束方向平行的速度分量。要測(cè)量血 流的絕對(duì)速度，還需測(cè)得探測(cè)光束方向與血流方向的夾角（即多普勒角）?；谌臻g調(diào)制 譜分割，能夠分辨不同入射角度的探測(cè)光束。對(duì)分割得到的調(diào)制子光譜（即方框F1至Fn)，利 用多普勒血流速度計(jì)算方法，可以獲得不同入射角度探測(cè)方向的流速分量，根據(jù)幾何關(guān)系 可確定絕對(duì)的血流速度值。
[0034] 圖5所示為本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)示意圖。下面對(duì)圖5進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0035] 基于全空間調(diào)制譜分割角度復(fù)合的微血管造影系統(tǒng)，包括低相干寬帶光源1、光環(huán) 行器2、光纖耦合器3、參考臂、樣品臂、光譜儀和信號(hào)處理模塊17;其中參考臂包括參考臂偏 振控制器件4、參考臂準(zhǔn)直透鏡5、參考臂聚焦透鏡6和平面反射鏡7;樣品臂包括樣品臂偏振 控制器8、樣品臂準(zhǔn)直透鏡9、正交掃描振鏡10和樣品臂聚焦物鏡11;光譜儀包括光譜儀準(zhǔn)直 透鏡13、閃耀光柵14、傅里葉透鏡15和線陣CMOS相機(jī)；
[0036] 其特征在于：低相干寬帶光源1經(jīng)過(guò)光環(huán)行器2與光纖耦合器3-側(cè)的輸入端相連 接;光纖耦合器3另一側(cè)的其中一個(gè)輸出端口經(jīng)過(guò)參考臂偏振控制器件4與參考臂準(zhǔn)直透鏡 5相連接;參考臂聚焦透鏡6的光軸與參考臂準(zhǔn)直透鏡5的光軸重合，平面反射鏡7置于參考 臂聚焦透鏡6的焦平面處;光纖耦合器3另一側(cè)的另外一個(gè)輸出端口，經(jīng)過(guò)樣品臂偏振控制 器8與樣品臂準(zhǔn)直透鏡9相連接;正交掃描振鏡10的第一掃描鏡轉(zhuǎn)軸中心位于樣品臂準(zhǔn)直透 鏡9的光軸上，第二掃描鏡轉(zhuǎn)軸中心位于樣品臂聚焦物鏡11的光軸上，待測(cè)樣品12置于樣品 臂聚焦物鏡11的焦平面處;光環(huán)行器2的另一個(gè)輸出端口與光譜儀準(zhǔn)直透鏡13相連接，閃耀 光柵14根據(jù)分光原理放置在光譜儀準(zhǔn)直透鏡13的出射光路上，傅里葉透鏡15置于閃耀光柵 14的出射光路上，線陣CMOS相機(jī)16的采光面與傅里葉透鏡15的后焦平面重合;線陣CMOS相 機(jī)16后面接信號(hào)處理模塊17;
[0037] 低相干寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光環(huán)行器2后入射到光纖親合器3,出射光分成兩 部分，一部分進(jìn)入?yún)⒖急?，?jīng)準(zhǔn)直聚焦后照射到平面反射鏡7;另一部分進(jìn)入樣品臂，經(jīng)過(guò)準(zhǔn) 直聚焦后照射到待測(cè)樣品12上;樣品臂的正交掃描振鏡10實(shí)現(xiàn)樣品臂光束對(duì)待測(cè)樣品12的 三維掃描;參考臂反射鏡7反射回的光與待測(cè)樣品12背向散射回的光在光纖耦合器3處發(fā)生 干涉，出射的干涉光經(jīng)過(guò)光譜儀后由信號(hào)處理模塊17采集處理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于全空間調(diào)制譜分割角度復(fù)合的微血管造影系統(tǒng)，包括低相干寬帶光源、光環(huán)行 器、光纖耦合器、參考臂、樣品臂、光譜儀和信號(hào)處理模塊;其中參考臂包括參考臂偏振控制 器件、參考臂準(zhǔn)直透鏡、參考臂聚焦透鏡和平面反射鏡;樣品臂包括樣品臂偏振控制器、樣 品臂準(zhǔn)直透鏡、正交掃描振鏡和樣品臂聚焦物鏡;光譜儀包括光譜儀準(zhǔn)直透鏡、閃耀光柵、 傅里葉透鏡和線陣CMOS相機(jī)； 其特征在于:低相干寬帶光源經(jīng)過(guò)光環(huán)行器與光纖耦合器一側(cè)的輸入端相連接;光纖 耦合器另一側(cè)的其中一個(gè)輸出端口經(jīng)過(guò)參考臂偏振控制器件與參考臂準(zhǔn)直透鏡相連接;參 考臂聚焦透鏡的光軸與參考臂準(zhǔn)直透鏡的光軸重合，平面反射鏡置于參考臂聚焦透鏡的焦 平面處;光纖耦合器另一側(cè)的另外一個(gè)輸出端口，經(jīng)過(guò)樣品臂偏振控制器與樣品臂準(zhǔn)直透 鏡相連接;正交掃描振鏡的第一掃描鏡轉(zhuǎn)軸中心位于樣品臂準(zhǔn)直透鏡的光軸上，第二掃描 鏡轉(zhuǎn)軸中心位于樣品臂聚焦物鏡的光軸上，待測(cè)樣品置于樣品臂聚焦物鏡的焦平面處;光 環(huán)行器的另一個(gè)輸出端口與光譜儀準(zhǔn)直透鏡相連接，閃耀光柵根據(jù)分光原理放置在光譜儀 準(zhǔn)直透鏡的出射光路上，傅里葉透鏡置于閃耀光柵的出射光路上，線陣CMOS相機(jī)的采光面 與傅里葉透鏡的后焦平面重合;線陣CMOS相機(jī)后面接信號(hào)處理模塊； 低相干寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光環(huán)行器后入射到光纖親合器，出射光分成兩部分，一 部分進(jìn)入?yún)⒖急?，?jīng)準(zhǔn)直聚焦后照射到平面反射鏡;另一部分進(jìn)入樣品臂，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直聚焦后 照射到待測(cè)樣品上;樣品臂的正交掃描振鏡實(shí)現(xiàn)樣品臂光束對(duì)待測(cè)樣品的三維掃描;參考 臂反射鏡反射回的光與待測(cè)樣品背向散射回的光在光纖耦合器處發(fā)生干涉，出射的干涉光 經(jīng)過(guò)光譜儀后由信號(hào)處理模塊采集處理。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK205458608SQ201620115923
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年2月5日
【發(fā)明人】李鵬, 李培, 程宇軒, 周麗萍, 丁志華
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)