專利名稱：具有集成的參考反射器的成像導(dǎo)管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像，并且更具體地涉及用于光學(xué)相干斷層成像(optical coherence tomography) (OCT)的纖維光學(xué)探針的設(shè)計(jì)和相關(guān)的成像技術(shù)。
背景技術(shù)：
光干涉是一種廣泛用于整個(gè)科學(xué)界的現(xiàn)象。特別地，短相干(或“低相干”)干涉 測(cè)量成像的使用已經(jīng)成為許多領(lǐng)域中并且尤其是醫(yī)療應(yīng)用中的一種重要成像模式。在干涉 測(cè)量成像中，導(dǎo)致來(lái)自已知和受控光學(xué)路徑(光程)(“參考路徑”)的光干擾從未知路徑返 回的光使得關(guān)于該未知路徑(“樣品路徑”)的信息可以通過(guò)分析所得到的干涉圖來(lái)確定。在短相干成像中，干涉圖包含進(jìn)行分析的樣品中結(jié)構(gòu)的深度位置信息。在樣品體 積上掃描短相干光以產(chǎn)生斷層分析圖像，這被稱為光學(xué)相干斷層成像，或OCT。近年來(lái)，具有 20 y m或更低的相干長(zhǎng)度的基于實(shí)際激光的光源已經(jīng)變得可用，促進(jìn)OCT在包括眼科學(xué)、普 通顯微鏡、心臟病學(xué)和腫瘤學(xué)的許多領(lǐng)域中的使用。OCT的一個(gè)特定優(yōu)點(diǎn)是其與纖維光學(xué)的固有相容性，使得其成為對(duì)于非侵入性或 最小侵入性醫(yī)療過(guò)程的接近理想的成像模式。所有OCT實(shí)現(xiàn)的中心問(wèn)題(central)是要求為了確保干涉效應(yīng)被記錄而匹配的樣 品和參考路徑的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于樣品中期望的掃描區(qū)域。在許多過(guò)程中所需的相對(duì)長(zhǎng)的光學(xué)導(dǎo) 管(通常為約1. 5 2m)的情況下，對(duì)于匹配路徑長(zhǎng)度的該要求可能會(huì)變得難以實(shí)現(xiàn)，尤其 是當(dāng)許多實(shí)際的OCT實(shí)現(xiàn)要求在毫米級(jí)上匹配時(shí)。而且，在這些導(dǎo)管中使用的非常薄的纖 維在使用期間可以容易地伸長(zhǎng)或收縮幾毫米。當(dāng)在任何應(yīng)用中使用OCT時(shí)，光學(xué)“零點(diǎn)”是關(guān)鍵的。這定義了在成像空間中存在 所謂的參考平面的地方。按照慣例，表面平面處于x_y平面，而深度沿著z-軸出現(xiàn)。在顯 微鏡應(yīng)用中，例如，在顯微鏡載玻片的表面上設(shè)置零點(diǎn)可能是有利的，這樣試樣可以相對(duì)于 該已知表面進(jìn)行測(cè)量。在插入體腔的導(dǎo)管中，最有用的參考平面是導(dǎo)管尖端自身的外表面， 并且所有距離都從該位置向外測(cè)量。對(duì)于旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)管，x-y-z空間最好以極坐標(biāo)(角度和徑向距離)表示。因此，Z-軸 變成距離中心的徑向距離。實(shí)際上，設(shè)置匹配點(diǎn)是指距離樣品中所選參考平面的光學(xué)長(zhǎng)度 等于參考臂(referencearm)中的主要光學(xué)長(zhǎng)度。在掃描中參考臂長(zhǎng)度的高速變化僅表示 在主長(zhǎng)度上的很小變化。因?yàn)镺CT至多穿透組織僅幾毫米，掃描實(shí)際上限于典型地1 5mm， 而樣品和參考臂的實(shí)際長(zhǎng)度可能是幾米。例如，在心臟病學(xué)中使用的光學(xué)導(dǎo)管的情況下，儀器自身將定位在患者周圍的名 義上的“無(wú)菌場(chǎng)所”外部，導(dǎo)管自身將處于該場(chǎng)所內(nèi)部，并且臍帶(umbilical)將用于連接 這兩者。樣品臂(samplearm)的總光學(xué)長(zhǎng)度(導(dǎo)管+臍帶)可以容易地達(dá)到5米，這也將 是參考臂的主長(zhǎng)度。由于掃描將或許是5mm，因此這表示總長(zhǎng)度的0.1%。在這種應(yīng)用中測(cè) 量精度要求為0. 1mm或更好。因?yàn)閷?dǎo)管和臍帶內(nèi)的每一光學(xué)纖維的長(zhǎng)度控制至亞毫米尺 寸不是成本有效的，因此最好的設(shè)計(jì)方法在光學(xué)成像設(shè)備中使用可調(diào)的參考路徑以按照每一導(dǎo)管的使用對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，醫(yī)療應(yīng)用每天可以使用許多一次性導(dǎo)管；所有都與相同的成像設(shè)備對(duì)接。因 此，盡管主路徑長(zhǎng)度調(diào)節(jié)可以十分有效地工作，但是通常需要由理解光學(xué)反射模式或OCT 將要記錄的導(dǎo)管的“標(biāo)記”的熟練操作者進(jìn)行初始調(diào)節(jié)以確定如何調(diào)節(jié)參考路徑從而與導(dǎo) 管尖端的外表面相一致。此外，成像零點(diǎn)的調(diào)節(jié)，或參考平面定位通過(guò)調(diào)節(jié)參考臂的主要路 徑長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行。該調(diào)節(jié)經(jīng)常稱為參考臂的“z-補(bǔ)償(z-offset)”并經(jīng)由簡(jiǎn)稱為z-補(bǔ)償馬 達(dá)的馬達(dá)控制。按照慣例，當(dāng)樣品臂長(zhǎng)度(導(dǎo)管)按照設(shè)計(jì)進(jìn)行精確制造時(shí)，儀器的z補(bǔ)償 是零；當(dāng)導(dǎo)管太短時(shí)為負(fù)；而當(dāng)導(dǎo)管太長(zhǎng)時(shí)為正。這些光學(xué)導(dǎo)管典型地具有置于它們的遠(yuǎn)側(cè)尖端的透鏡和反射器結(jié)構(gòu)，以聚焦并引 導(dǎo)光用于掃描目的。光典型地通過(guò)一個(gè)或多個(gè)構(gòu)成導(dǎo)管外結(jié)構(gòu)的透明外殼進(jìn)行傳播。每一 界面能夠并將導(dǎo)致將由OCT檢測(cè)的反射。因此，確定這些反射中的哪一個(gè)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)期望 的光學(xué)參考點(diǎn)(“零點(diǎn)”)可能具有挑戰(zhàn)性。因?yàn)闇y(cè)量是基于該零點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行的，因此正確 地設(shè)置該零點(diǎn)在醫(yī)療應(yīng)用中可以具有顯著的重要性。而且，因?yàn)榭赡艽嬖谠S多間隔較近且 類似強(qiáng)度的反射，因此使用檢測(cè)適當(dāng)零補(bǔ)償(“z-補(bǔ)償”)的軟件具有極大問(wèn)題并且是不可 靠的。如所提及的，當(dāng)導(dǎo)管前進(jìn)或縮回時(shí)，光學(xué)纖維可以在這些尺度內(nèi)顯著地伸長(zhǎng)。例 如，利用OCT中使用的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)纖維的已知屈服強(qiáng)度，以及導(dǎo)管長(zhǎng)度，可以容易地表明在纖 維斷裂前可以發(fā)生10mm的伸長(zhǎng)。在實(shí)際情況下遇到的典型力將僅導(dǎo)致1mm的伸長(zhǎng)或更小， 但是許多醫(yī)療測(cè)量要求1/4毫米或更好的精確度。因此，需要一種用于可靠地確定導(dǎo)管的光學(xué)匹配點(diǎn)(“零點(diǎn)”)的簡(jiǎn)單、成本有效的 方法。而且，該方法應(yīng)該與實(shí)時(shí)視頻速率成像相容，使得零點(diǎn)可以隨著導(dǎo)管被操縱，縮回或 前進(jìn)，而進(jìn)行跟蹤。本發(fā)明解決了這些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及具有細(xì)長(zhǎng)區(qū)段以及近端和遠(yuǎn)端的纖維光學(xué)成像探針，該 探針包括施加于遠(yuǎn)端的薄的受控光學(xué)散射材料。在另一方面，本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件。該光學(xué)元件包括具有第一表面和第二表 面的膜。該膜包括聚合物和設(shè)置在其中的用于受控光學(xué)背散射(反向散射)的至少一個(gè)背 散射元件。而且，該膜允許透射基本上無(wú)失真的成像光。本文中所描述的本發(fā)明的方面可以進(jìn)一步包括多種實(shí)施方式。例如，該光學(xué)元件 可以進(jìn)一步包括多個(gè)背散射元件，其中所述至少一個(gè)背散射元件和所述多個(gè)背散射元件中 的每一個(gè)都是具有顆粒尺寸的顆粒，該多個(gè)背散射元件設(shè)置在聚合物內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方式 中，該膜被成形為形成適合于吞沒(méi)、包圍、密封或以其他方式覆蓋光學(xué)纖維端面或微透鏡的 曲面。在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，顆粒尺寸低于約1.5 ym。而且，該顆?？梢园ㄢ仭\、 鋁、和/或其他適合于散射光的材料。多個(gè)散射元件可以具有按體積計(jì)約0. 摻雜濃度的 濃度。光學(xué)元件可以進(jìn)一步包括細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，其中該膜被成形以形成外殼，該細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件設(shè)置在 該外殼中以形成探針尖端的一部分。在另一方面，本發(fā)明涉及一種成像探針。該探針包括具有第一端和第二端的細(xì)長(zhǎng)區(qū)段；第二端形成能夠腔內(nèi)成像的探針尖端，該探針尖端包括散射材料，細(xì)長(zhǎng)區(qū)段適于將由 散射材料反射的光傳送至細(xì)長(zhǎng)區(qū)段的第一端。在一個(gè)實(shí)施方式中，該細(xì)長(zhǎng)區(qū)段是一種光學(xué)纖維。細(xì)長(zhǎng)區(qū)段可以是外殼。而且，該 探針可以進(jìn)一步包括設(shè)置在外殼中的光學(xué)纖維。散射材料可以包括多個(gè)分散在基質(zhì)中的光 散射顆粒。散射顆粒可以包括鈦和/或其他已知散射光的材料。而且，該基質(zhì)可以包括聚 對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和/或其他聚合物。在另一方面，本發(fā)明涉及一種透鏡組件。該透鏡組件包括微透鏡；與該微透鏡光學(xué) 通信的光束引向器(beam director)；以及基本上透明的膜。該基本上透明的膜能夠雙向 透射光，并產(chǎn)生受控量的背散射。另外，該膜包圍光束引向器的一部分。在本發(fā)明的一個(gè)方面的一個(gè)實(shí)施方式中，受控量的背散射是至少足以產(chǎn)生用于校 準(zhǔn)至少一個(gè)成像系統(tǒng)參數(shù)的成像系統(tǒng)中的參考點(diǎn)的光量。該基本上透明的膜也可以包括 多個(gè)散射顆粒。該微透鏡可以與光學(xué)纖維光學(xué)通信。而且，該基本上透明的膜可以被成形 以形成成像探針尖端。而且，探針尖端可以用于光學(xué)相干斷層成像(optical coherence tomography imaging)。在又一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種校準(zhǔn)光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)的方法。該方法包括 響應(yīng)于由樣品反射的光來(lái)產(chǎn)生掃描數(shù)據(jù)，該反射的光穿過(guò)雙向的基本上透明的光學(xué)元件; 響應(yīng)于從設(shè)置在所述雙向的基本上透明的光學(xué)元件中的散射元件反射的散射光來(lái)產(chǎn)生參 考數(shù)據(jù)；以及響應(yīng)于所述參考數(shù)據(jù)來(lái)校準(zhǔn)所述光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)以確定隨后掃描的相 對(duì)位置。在本發(fā)明的一個(gè)方面的一個(gè)實(shí)施方式中，掃描數(shù)據(jù)包括一組角度和一組徑向距 離。而且，該參考數(shù)據(jù)可以包括一組角度和一組徑向距離。校準(zhǔn)步驟可以包括搜索參考數(shù) 據(jù)中的環(huán)形模式(ringpattern)。在又一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種制造光學(xué)元件的方法。該方法包括選擇適合于在 動(dòng)物內(nèi)腔內(nèi)使用的膜材料；選擇適合于在該膜材料中分散的摻雜劑，該摻雜劑適于響應(yīng)于 光源而散射光；確定摻雜劑體積濃度使得摻雜膜的徑向掃描產(chǎn)生所定義的模式(或圖案)； 用所選擇的摻雜劑摻雜該膜以基本上獲得確定的摻雜劑體積濃度；以及成形用于在動(dòng)物體 內(nèi)腔內(nèi)使用的膜。在一個(gè)實(shí)施方式中，該膜包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。摻雜劑體積濃度可以包括 按體積計(jì)約0. 的摻雜濃度。所選的摻雜劑可以包括氧化物。而且，所定義的模式可以選 自由環(huán)形和螺旋形組成的組。


圖1是適合用于本發(fā)明的光學(xué)探針的OCT系統(tǒng)的框圖；圖2是光學(xué)導(dǎo)管系統(tǒng)的示意圖，適合用于冠狀動(dòng)脈中OCT成像；圖3是具有微透鏡和保護(hù)罩的光學(xué)纖維尖端的示意圖；圖3a是在圖3中示意性示出的探針的實(shí)施方式的顯微照片；圖4a和圖4b描述了分別采用摻雜塑膠透鏡罩和未摻雜塑膠(例如PET)罩拍攝 的圖像；圖4c示出了 OCT圖像，其中使用了過(guò)量濃度的摻雜劑Ti02并且所得的結(jié)塊導(dǎo)致光學(xué)陰影；圖5a示出了采用合適的掃描線取向和由短戈|〗線(hashed line )指示的檢測(cè)
的PET反射的頻率域OCT圖像；圖釙示出了采用反向掃描線取向(或反轉(zhuǎn)狀態(tài))和由短劃線
(hashed line )指示的檢測(cè)的PET反射的頻率域OCT圖像；圖6是用于檢測(cè)PET環(huán)的算法的實(shí)施方式的流程圖；圖7是用于設(shè)置PET環(huán)位置的算法的實(shí)施方式的流程圖；圖8示出了使用圖1和2中的部件制成的冠狀動(dòng)脈的圖像，其中零點(diǎn)補(bǔ)償被正確 設(shè)置；圖9示出了使用圖1和2中的部件制成的冠狀動(dòng)脈的圖像，其中零點(diǎn)補(bǔ)償被不正 確地設(shè)置(零點(diǎn)太短并在光纖中移動(dòng)，導(dǎo)致圖像遠(yuǎn)離中心擴(kuò)展)；圖10示出了使用圖1和2中的部件制成的冠狀動(dòng)脈的圖像，其中零點(diǎn)補(bǔ)償被不正 確地設(shè)置(零點(diǎn)太長(zhǎng)并移動(dòng)至光纖外面的點(diǎn)，導(dǎo)致圖像朝向中心收縮)；以及圖11示出了顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的特征性環(huán)反射的導(dǎo)管中心的放大OCT 圖像。
具體實(shí)施例方式簡(jiǎn)而概之并參照?qǐng)D1，示出了一般化的OCT干涉儀10，其適合用于本發(fā)明的導(dǎo)管成 像系統(tǒng)。光源14(如二極管激光器)產(chǎn)生短相干長(zhǎng)度光，該光通過(guò)光纖18進(jìn)入光纖耦合器 22。進(jìn)入耦合器22的光沿著兩個(gè)光纖路徑26和30分裂。一個(gè)路徑26終止于可移動(dòng)反射 器34，而另一路徑進(jìn)入探針38并朝向感興趣的對(duì)象42發(fā)射。由可移動(dòng)反射器34反射的光沿著光纖26反向傳播至耦合器22。類似地，由感興 趣的對(duì)象42反射的光沿著光纖30反向傳播至耦合器22并與由可移動(dòng)反射器34反射的光 合并以形成干涉圖樣(interference pattern) 0該合并的光傳播通過(guò)光纖46并由檢測(cè)器 50檢測(cè)。來(lái)自檢測(cè)器50的輸出信號(hào)通過(guò)電子設(shè)備54處理并在顯示器58上形成圖像。適合用作圖1中探針的成像導(dǎo)管的實(shí)例示于圖2中。在該實(shí)施方式中，成像探針 38是冠狀血管成像導(dǎo)管的尖端。連接器62連接至圖1的系統(tǒng)的光學(xué)耦合器22。光纖30 進(jìn)入連接至氣囊導(dǎo)管70的y-體連接器66。該導(dǎo)管70包括沖洗端口(flushing port) 74 和氣囊膨脹端口 78以及沖洗出口 82。圖3描述了探針38的圖像導(dǎo)線尖端的實(shí)施方式。光纖30終止于微透鏡組件86， 該透鏡組件聚焦離該微透鏡組件86 —定距離的光。從微透鏡組件86發(fā)射的光被光束偏轉(zhuǎn) 器90反射，使得以基本上與光纖30的光軸呈直角地通過(guò)。整個(gè)纖維組件由如下討論的在 一端98處密封的保護(hù)性透明外殼94覆蓋。如在以引用方式結(jié)合于本文的美國(guó)專利6，891，894中解釋的，特別有利的纖維透 鏡設(shè)計(jì)從氧化硅_空氣界面使用全內(nèi)反射以通過(guò)簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)光纖來(lái)提供腔，如動(dòng)脈內(nèi)部的 所需徑向掃描。因?yàn)槿珒?nèi)反射取決于氧化硅與空氣之間的折射率錯(cuò)配，因此在流體中的 直接浸沒(méi)將消除這種反射并且光將反而向前傳播，破壞了采取有用徑向掃描的能力。如 在'894專利以及圖3和圖3a中所示，空氣-氧化硅界面可以通過(guò)使用直接附著于光纖透鏡組件的清晰保護(hù)罩94保護(hù)。這樣的罩可以優(yōu)選由熱縮材料如聚酯(聚對(duì)苯二甲酸乙二 醇酯，或PET)制成。PET廣泛地用于工業(yè)和醫(yī)療裝置中，并且具有良好的生物醫(yī)療相容性性 質(zhì)。這樣的PET罩具有內(nèi)在的低背反射，因此在其通常的形式中，其不適合于提供固 定的參考反射的目的。然而，可以將摻雜劑小心地加入到粗PET材料中(在管形狀形成前)， 增加天然的背反射。作為合適的摻雜劑存在幾種材料。尤其是，二氧化鈦(Ti02)是有利的。由于其 優(yōu)異的光散射性能，Ti02被用于許多涂料制劑中。而且，其是惰性的并且可以散裝制成。 顆粒尺寸可以制作成比感興趣的光學(xué)波長(zhǎng)(標(biāo)稱1.3i!m)更小，在本質(zhì)上形成散射“瑞利 (Rayleigh) ”。因此，輸出和返回光的波前并未明顯受到干擾，由此以足夠低濃度的摻雜劑 使任何潛在的圖像降級(jí)得到最小化。在形成材料中的關(guān)鍵步驟是在粗PET中均勻地混合Ti02顆粒，使得當(dāng)將PET拉制 成管時(shí)，以高的均勻性實(shí)現(xiàn)精確的濃度。另外，因?yàn)镺CT成像具有極大的靈敏度和較大的動(dòng) 態(tài)范圍(典型地為100dB的靈敏度和> 60dB的動(dòng)態(tài)范圍可以在實(shí)際儀器中實(shí)現(xiàn))，因此必 須小心計(jì)算才能在材料中實(shí)現(xiàn)最佳摻雜水平的Ti02?；旧⑸淅碚摽梢杂糜谶_(dá)到材料中的摻雜濃度。在冠狀動(dòng)脈的典型OCT成像中， 儀器中的最小噪聲為約-100dB。即，約1個(gè)十億分之十的光輸出功率施加于感興趣的對(duì)象， 而典型的圖像具有約40dB的有用動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于該范圍優(yōu)化圖像處理電子設(shè)備和軟件，因 此探針?lè)瓷淦髟?yīng)該被優(yōu)化以接近圖像強(qiáng)度的最大可檢測(cè)峰，其為約_60dB (-100+40)。 這意味著探針?lè)瓷淦鲬?yīng)該是圖像中的最明亮的對(duì)象。如本文中所描述的，探針?lè)瓷淦髟梢园ǖ幌抻?，膜、薄膜、蓋、罩、或其他 材料。在一些實(shí)施方式中，反射器元件是彎曲的或不可彎曲的。反射器元件可以被成形為 各種幾何形狀，使得反射器的各部分是彎曲的、平坦的或基本上平坦的。顆粒的基本散射理論和經(jīng)典的雷達(dá)截面理論估計(jì)，由單個(gè)Ti02顆粒反射的光分?jǐn)?shù) 由以下表達(dá)式給出 其中！^是返回光分?jǐn)?shù)，ob是散射截面(由標(biāo)準(zhǔn)MIE理論計(jì)算)，\是顆粒的體積， 1。是相互作用長(zhǎng)度(來(lái)自雷達(dá)理論)，在這種情況下，OCT光的相干長(zhǎng)度，以及△ Q是微透 鏡的受光角(立體角)。因此，對(duì)于散射截面為約4. 26X10—、m2的大約45nm的顆粒尺寸， 以及輻射顆粒通過(guò)立體角為 0. 004微透鏡的具有約15 y m相干長(zhǎng)度的光，反射光分?jǐn)?shù)Lk 為約 0. 006，或-32dB。因此，從探針參考反射器元件材料返回的總光應(yīng)該等于單個(gè)顆粒光分?jǐn)?shù)乘以體積 分?jǐn)?shù)(摻雜濃度)。由于這應(yīng)該等于約_60dB(如上)，因而需要-30dB(或0.001)的降低。 因此，體積分?jǐn)?shù)應(yīng)該為按體積計(jì)約0. 001，或約0. 的摻雜濃度。這應(yīng)導(dǎo)致由Ti02顆粒產(chǎn) 生強(qiáng)的但并非太強(qiáng)的參考反射。當(dāng)零點(diǎn)補(bǔ)償位置穩(wěn)定時(shí)，與未摻雜的罩(圖4b)相比，摻雜的PET材料在如圖4a 所示的圖像中產(chǎn)生一致的明亮環(huán)。當(dāng)零點(diǎn)補(bǔ)償位置不穩(wěn)定時(shí)，在正常使用期間通過(guò)有目的 地改變參考路徑長(zhǎng)度或通過(guò)拉伸或壓縮纖維，環(huán)形更似螺旋形。如果Ti02顆粒的濃度過(guò)高，則可以由于結(jié)塊而產(chǎn)生顆粒投射陰影，如圖4c所示。在一個(gè)實(shí)施方式中，探針?lè)瓷淦髟?是能夠透射基本上無(wú)失真的成像光的膜。術(shù)語(yǔ)“基本上無(wú)失真的成像光”是指適合于產(chǎn)生 樣品或樣品元件的圖像的光。以“原始”格式捕獲的數(shù)據(jù)是一系列徑向掃描，每一個(gè)都以均勻間隔的角度出現(xiàn)， 極其像腳踏車輪中的輻條。原始數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單地以傳統(tǒng)矩陣記憶格式(儲(chǔ)存格式)存儲(chǔ)，其中 列表示角度，而每行是特定的徑向距離。因此，儲(chǔ)存在內(nèi)存中的完美圓形的圖像將會(huì)對(duì)于每 一列沿著相同行出現(xiàn)，即，具有零(平坦)斜率的直線。螺旋模式儲(chǔ)存為具有一定斜率的直 線，如果螺旋膨脹則為正，如果螺旋收縮則為負(fù)。因此，來(lái)自PET材料的信號(hào)在圖像中產(chǎn)生可能具有平坦、正或負(fù)斜率的線，這取決 于光路徑長(zhǎng)度是否是恒定的、增加的或減小的。于是斜率大小與在拉伸或收縮的方向上纖 維路徑長(zhǎng)度變化的速率成比例。因?yàn)楝F(xiàn)在零點(diǎn)補(bǔ)償位置是可檢測(cè)的，因此可以通過(guò)利用其 明亮反射、已知的厚度和內(nèi)存中的期望直線表象，應(yīng)用軟件算法來(lái)分離PET環(huán)。在頻率域OCT系統(tǒng)中，斜率符號(hào)也必須加以考慮。由于頻率混疊效應(yīng)，OCT圖像可 以在一定的z-補(bǔ)償馬達(dá)軌跡范圍內(nèi)反向出現(xiàn)。正確取向的圖像在圖5a中示出(其中檢測(cè) 的PET如短華線所示)，而反向圖像在圖5b中示出。在反向圖像中，掃描線反轉(zhuǎn)，因此靠近 原點(diǎn)的目標(biāo)出現(xiàn)在外圍，而在外圍中的目標(biāo)出現(xiàn)在原點(diǎn)附近。當(dāng)圖像倒置時(shí)，PET信號(hào)的斜 率具有與取向正常時(shí)相反的符號(hào)(反轉(zhuǎn)狀態(tài))。該事實(shí)可以用于確定圖像的取向。算法的基本步驟在圖6中示出。獲得OCT圖像(步驟1)并在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上首先 進(jìn)行分析。該分析對(duì)于每一給定的強(qiáng)度值而計(jì)算像素?cái)?shù)目。隨后采用直方圖來(lái)產(chǎn)生“全局 閾值(Global Threshold)”值以從背景噪聲中分離前景組織(步驟2)。因?yàn)閳D像強(qiáng)度將 實(shí)際上下降到背景噪聲水平，因此較大徑向距離的強(qiáng)度可以用于估計(jì)系統(tǒng)的總“本底噪聲 (noise-floor)”。隨后這個(gè)值用于產(chǎn)生二進(jìn)制圖像(步驟3)。閾值以上的強(qiáng)度值設(shè)置為 1 ；低于閾值的那些強(qiáng)度值設(shè)為0。通過(guò)分析二進(jìn)制圖像而不是輸出的OCT圖像，最小化對(duì) 摻雜PET反射絕對(duì)水平的依賴性。一旦二進(jìn)制圖像可以利用，則采用設(shè)計(jì)為對(duì)于厚度類似于已知PET層厚度的信號(hào) 和鄰近黑空間具有峰值響應(yīng)的一維空間濾波器濾波(步驟4)。如圖中所示，組織的影響通 過(guò)空間濾波器被大大最小化，而保存了 PET環(huán)。關(guān)于時(shí)間域OCT系統(tǒng)，圖像被假設(shè)為具有標(biāo)準(zhǔn)取向而省略步驟5。相反，關(guān)于頻率 域OCT系統(tǒng)，在處理過(guò)程中的下一步驟(步驟5)將會(huì)通過(guò)根據(jù)一起平均所有過(guò)濾圖像的掃 描線而計(jì)算整個(gè)過(guò)濾圖像的代表性掃描線來(lái)確定圖像的取向。這種平均處理將預(yù)計(jì)的斜率 S考慮在內(nèi)并相對(duì)于其鄰近對(duì)掃描線位置進(jìn)行線性調(diào)節(jié)，以使傾斜的PET信號(hào)橫穿所有的 這些線而構(gòu)造性地添加。這種“斜率校正的”平均線也可以采用相反斜率-s計(jì)算以觀察哪 一結(jié)果產(chǎn)生最強(qiáng)的峰值信號(hào)。如果采用S校正產(chǎn)生最佳結(jié)果，則框架正確取向(圖5a)并 應(yīng)該使用該框架。如果采用-S (或負(fù)S)校正產(chǎn)生最佳結(jié)果，則框架反轉(zhuǎn)(圖5b)，并且應(yīng)該 棄之。因此，在某些校準(zhǔn)或取向方法的實(shí)施方式中，負(fù)斜率值、反轉(zhuǎn)狀態(tài)，或關(guān)于或指示相同 情況的某些模式可以在來(lái)自O(shè)CT掃描的某些原始數(shù)據(jù)中檢測(cè)并且用于校準(zhǔn)OCT系統(tǒng)(或其 部件)。在處理過(guò)程中的下一步(第6步)是在過(guò)濾的二進(jìn)制圖像的每一象限中一起平 均所有的掃描線從而產(chǎn)生每個(gè)象限的一個(gè)代表性掃描線。這就意味著，在存儲(chǔ)的內(nèi)存中，列分成四個(gè)等組，而對(duì)于每組，所有的列都一起跨行平均從而對(duì)于初始圖像的四個(gè)90度象 限中的每一個(gè)都產(chǎn)生一個(gè)代表性列。該過(guò)程起到強(qiáng)調(diào)作為同心或近同心的圖像內(nèi)容的作 用。在一個(gè)象限基礎(chǔ)上進(jìn)行平均，與全360度相反，使得來(lái)自移動(dòng)參考路徑的PET信號(hào)(其 會(huì)是螺旋形的)并未在求和過(guò)程中丟失。所得的四個(gè)平均線每一個(gè)都用簡(jiǎn)單矩形窗濾波器 (boxcar filter)進(jìn)行平滑化，而在每個(gè)之上定位最明亮的三個(gè)峰。最后，在下一步驟(步驟7)中，選擇來(lái)自每一象限平均線的峰值使得一起形成最 佳環(huán)。采用遞歸算法通過(guò)首先計(jì)算四點(diǎn)總和并隨后計(jì)算采用最小二乘擬合(least squares fit)算法擬合該點(diǎn)的線均方誤差(MSE)來(lái)分析每一可能組。所得的MSE結(jié)合四點(diǎn)的總和以 形成得分(score)。該得分起到強(qiáng)調(diào)明亮的(更大和)和平坦的(更小MSE)可能環(huán)的作 用。具有最大得分的組選擇作為優(yōu)勝者，并且將其和與截止值相比以確定該結(jié)果是否有效。在操作中，當(dāng)新的成像導(dǎo)管連接到該系統(tǒng)時(shí)，初始粗略校準(zhǔn)通過(guò)旋轉(zhuǎn)纖維并調(diào)節(jié) 參考路徑控制馬達(dá)來(lái)進(jìn)行，如圖7所示。在參考臂中的z-補(bǔ)償馬達(dá)開(kāi)始在其界限之間高速 掃過(guò)(步驟10)，而同時(shí)搜索PET環(huán)。一旦發(fā)現(xiàn)該環(huán)，馬達(dá)速率就減慢(步驟12)，并且PET 圖像就靠近其所需位置(零點(diǎn)，本文中稱之為“松弛范圍”)移動(dòng)。而且，一旦處于松弛范圍內(nèi)，馬達(dá)就按步移動(dòng)(步驟14)直至PET圖像處于其最后 容許的范圍(“緊縮范圍”)。在現(xiàn)場(chǎng)掃描期間，z-補(bǔ)償可稍微漂移，導(dǎo)致PET向緊縮范圍之 外移動(dòng)。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，馬達(dá)就再次啟動(dòng)而將PET按步移動(dòng)回到緊縮范圍。緊縮范圍 限額是通過(guò)所需的測(cè)定精度和恒定z-補(bǔ)償馬達(dá)移動(dòng)最小化所設(shè)定的平衡值。在實(shí)時(shí)成像期間，PET環(huán)，如通過(guò)優(yōu)勝組的最小二乘擬合線定義的，在固定位置 (半徑)基于微透鏡組件中PET的已知物理位置顯示在顯示屏上。每一圖像框架的z補(bǔ)償 調(diào)進(jìn)或調(diào)出以使PET環(huán)終結(jié)于所需位置。最后的結(jié)果是z-補(bǔ)償校正的圖像顯示在顯示屏上并存儲(chǔ)在保存圖像文件中，容 許校正按照直進(jìn)模式實(shí)施的臨床測(cè)定結(jié)果。圖8是冠狀動(dòng)脈的OCT成像，其中z補(bǔ)償正確 設(shè)定。脈管直徑由此正確測(cè)定為2. 55mm。圖9是冠狀動(dòng)脈的OCT成像，其中z補(bǔ)償不正確 設(shè)定使得z-補(bǔ)償定位于透鏡組件內(nèi)。脈管直徑由此不正確地測(cè)定為2. 97mm。圖10是冠狀動(dòng)脈的OCT成像，其中z補(bǔ)償不正確設(shè)定使得z-補(bǔ)償定位在保護(hù)性 PET罩之外。脈管直徑由此不正確地測(cè)定為2. 00mm。因此，本發(fā)明提供了一種用于確定OCT 干涉儀中參考和樣品路徑均等化的方法，而由此提供了感興趣的目標(biāo)的精確測(cè)定。圖11是根據(jù)本發(fā)明各方面產(chǎn)生的另一 OCT圖像。具體地，其是顯示由微透鏡PET 層(最里層)100和圖像導(dǎo)線塑膠外殼(中間)102產(chǎn)生的特征環(huán)反射的導(dǎo)管中心的放大 OCT圖像。外環(huán)104對(duì)應(yīng)于塑膠管的內(nèi)壁邊沿，圖像導(dǎo)線插入其中以產(chǎn)生圖11中所示圖像。 然而，由于管的厚度，外壁邊沿在圖像中并不可見(jiàn)。在圖11中，PET環(huán)采用標(biāo)準(zhǔn)的未摻雜的PET產(chǎn)生。如所示出的，圖像導(dǎo)線壓在管 的側(cè)面上由此導(dǎo)致第三外環(huán)104變成非同心的。應(yīng)該理解到，以上描述的實(shí)施方式和以下的實(shí)施例通過(guò)舉例說(shuō)明而非限制性給 出。本發(fā)明范圍內(nèi)的各種變化和修改對(duì)于本發(fā)明描述的領(lǐng)域內(nèi)那些技術(shù)人員而言將是顯而 易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
一種光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括具有第一表面和第二表面的膜，所述膜包括聚合物和至少一個(gè)設(shè)置在其中的用于受控光學(xué)背散射的背散射元件，所述膜允許透射基本上無(wú)失真的成像光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，進(jìn)一步包括多個(gè)背散射元件，其中，所述至少一個(gè) 背散射元件和每一個(gè)所述多個(gè)背散射元件都是具有顆粒尺寸的顆粒，所述多個(gè)背散射元件 設(shè)置在所述聚合物內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，其中，所述顆粒尺寸小于約1.5μπι。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，其中，所述顆粒包括鈦、鋅或鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，其中，所述多個(gè)背散射元件具有按體積計(jì)約0.1% 的摻雜濃度的濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，進(jìn)一步包括細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，其中，所述膜被成形以形成 將所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件設(shè)置在其中以形成探針尖端的一部分的外殼。
7.一種成像探針，所述探針包括具有第一端和第二端的細(xì)長(zhǎng)區(qū)段；所述第二端形成能夠腔內(nèi)成像的探針尖端，所述探針尖端包括散射材料，所述細(xì)長(zhǎng)區(qū) 段適于將由所述散射材料反射的光透射到所述細(xì)長(zhǎng)區(qū)段的所述第一端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的成像探針，其中，所述細(xì)長(zhǎng)區(qū)段是光纖。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的成像探針，其中，所述細(xì)長(zhǎng)區(qū)段是外殼，并且其中所述探針進(jìn) 一步包括設(shè)置在所述外殼內(nèi)的光纖。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的成像探針，其中，所述散射材料包括多個(gè)分散在基質(zhì)中的光 散射顆粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像探針，其中，所述散射顆粒包括鈦，并且其中所述基質(zhì) 包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。
12.—種透鏡組件，包括微透鏡；光束引向器，其與所述微透鏡光學(xué)通信；以及基本上透明的膜，其能夠(1)雙向透光，和(2)產(chǎn)生受控量的背散射，其中，所述膜包圍所述光束引向器的一部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的透鏡組件，其中，所述受控量的背散射是至少足以產(chǎn)生用 于校準(zhǔn)至少一個(gè)成像系統(tǒng)參數(shù)的成像系統(tǒng)中的參考點(diǎn)的光量。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的透鏡組件，其中，所述基本上透明的膜包括多個(gè)散射顆粒。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的透鏡組件，其中，所述微透鏡與光纖光學(xué)通信。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的透鏡組件，其中，所述基本上透明的膜被成形以形成成像 探針尖端。
17.一種校準(zhǔn)光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)的方法，所述方法包括響應(yīng)由樣品反射的光而產(chǎn)生掃描數(shù)據(jù)，所述反射的光穿過(guò)雙向基本透明的光學(xué)元件；響應(yīng)從設(shè)置在所述雙向基本透明的光學(xué)元件中的散射元件反射的散射光而產(chǎn)生參考數(shù)據(jù)；以及響應(yīng)所述參考數(shù)據(jù)來(lái)校準(zhǔn)所述光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)以確定隨后掃描的相對(duì)位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述掃描數(shù)據(jù)包括一組角度和一組徑向距離。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述參考數(shù)據(jù)包括一組角度和一組徑向距離。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述校準(zhǔn)步驟包括搜索選自由環(huán)形模式、螺旋 形模式、負(fù)斜率值和反轉(zhuǎn)狀態(tài)組成的組中的模式的參考數(shù)據(jù)。
21.一種制造光學(xué)元件的方法，所述方法包括 選擇適合于在動(dòng)物腔內(nèi)應(yīng)用的膜材料；選擇適合于在所述膜材料中分散的摻雜劑，所述摻雜劑適于響應(yīng)光源而散射光； 確定摻雜劑體積濃度以使摻雜膜的徑向掃描產(chǎn)生所定義的模式； 用所選擇的摻雜劑摻雜所述膜以基本上獲得所述確定的摻雜劑體積濃度；以及 成形用于在動(dòng)物腔內(nèi)應(yīng)用的所述膜。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述膜包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述摻雜劑體積濃度為按體積計(jì)約0.的摻 雜濃度。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所選擇的摻雜劑包括氧化物。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述所定義的模式選自由環(huán)形、螺旋形、負(fù)斜 率值和反轉(zhuǎn)狀態(tài)組成的組。
全文摘要
本申請(qǐng)部分涉及一種透鏡組件。該透鏡組件包括微透鏡(86)；與微透鏡光學(xué)通信的光束引向器(90)；以及基本上透明的膜(94)。該基本上透明的膜能夠雙向透光，并產(chǎn)生受控量的背散射。此外，該膜包圍光束引向器的一部分。該透鏡組件可用于OCT系統(tǒng)的樣品臂中。來(lái)自膜的背散射可用于將參考臂的路徑長(zhǎng)度調(diào)節(jié)為樣品臂的路徑長(zhǎng)度，即，用于z-補(bǔ)償檢測(cè)。
文檔編號(hào)G02B5/00GK101854850SQ200880115592
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月12日
發(fā)明者喬爾·M·弗里德曼, 克里斯托弗·彼得森, 史蒂芬·M·麥卡廷, 約瑟夫·M·斯密特 申請(qǐng)人:光學(xué)實(shí)驗(yàn)室成像公司