專(zhuān)利名稱(chēng)：近紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)干涉層析成像裝置，特別是一種適用于眼科臨床中視網(wǎng)膜細(xì) 胞層高分辨成像的近紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)干涉層析成像技術(shù)是一門(mén)比較前沿的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外在二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始 該技術(shù)研究，目前國(guó)外已形成了一套相對(duì)完善的光學(xué)相干層析技術(shù)理論和裝置，尤其是時(shí) 域光學(xué)相干層析和光譜域光學(xué)相干層析技術(shù)就是該項(xiàng)技術(shù)的主要研究成果，而國(guó)內(nèi)目前仍 未發(fā)現(xiàn)有自主研發(fā)的光學(xué)相干層析成像裝置成型產(chǎn)品。光譜域光學(xué)相干層析技術(shù)，是在時(shí)域光學(xué)相干層析技術(shù)基礎(chǔ)之上的提高和功能拓 展。目前國(guó)內(nèi)外已將該技術(shù)應(yīng)用于眼科疾病的臨床診斷中。與時(shí)域光學(xué)相干層析成像技術(shù) 相比，光譜域光學(xué)相干層析技術(shù)不僅具有高分辨率、高靈敏度、高精度，以及非接觸式測(cè)量 等優(yōu)點(diǎn)，還能反映出不同光譜成分下視網(wǎng)膜細(xì)胞層的光學(xué)特性。Maciej Wojtkowski等人在 《In vivo human retinal imaging by Fourier domain optical coherence tomography》 (2002 年、Journal of Biomedical Optics 7 (3)，457-463) 一文中提出了一種光譜域的光 學(xué)相干層析裝置。它的主體部分是基于一個(gè)開(kāi)放式的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)。其中光源部分 采用低時(shí)間相干性、高空間相干性的寬光譜光源SLD ；參考臂上的參考鏡與壓電陶瓷相連 接；樣品臂上通過(guò)二維掃描機(jī)構(gòu)對(duì)垂直視軸的視網(wǎng)膜面進(jìn)行掃描；前述兩者返回信號(hào)的干 涉結(jié)果則可以由衍射光柵和CCD等構(gòu)成的光譜儀進(jìn)行分析。該方法是基于光學(xué)的干涉理 論，把被測(cè)樣品的多層結(jié)構(gòu)信息調(diào)制到干涉信號(hào)的相位中，并借助于衍射光柵的分光作用， 使得寬光譜光源中不同頻率成分的光束成像在CCD靶面上不同的位置，即把調(diào)制的相位信 息也反映到CCD靶面的不同位置上，因此，通過(guò)傅里葉變換的方法解調(diào)相位信息，就可得到 視網(wǎng)膜細(xì)胞各層的位置和結(jié)構(gòu)信息，從而重構(gòu)出視網(wǎng)膜細(xì)胞各層的層析圖像。上述方法存 在的缺陷是系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)完整區(qū)域的視網(wǎng)膜層析成像，在樣品臂上引入了二維掃描機(jī)構(gòu)， 即分別通過(guò)反射鏡在紙面方向的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直紙面方向的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)視網(wǎng)膜區(qū)域的 x-y方向掃描，這使得成像速度受到硬件掃描機(jī)構(gòu)的限制。另外，由于二維掃描的過(guò)程需要 一定的曝光時(shí)間，因此近紅外光劑量會(huì)對(duì)被測(cè)人眼脆弱的視網(wǎng)膜產(chǎn)生損傷、因此該系統(tǒng)難 以保證測(cè)試時(shí)人眼的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種成像速度快、測(cè)量精度高，能安全用 于人眼科臨床醫(yī)療中視網(wǎng)膜細(xì)胞層高分辨成像的近紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像裝置，從而為 眼底疾病的診斷提供依據(jù)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。近紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像裝置，它包括寬 光譜光源、立方分光棱鏡、干涉成像系統(tǒng)樣品臂和干涉成像系統(tǒng)參考臂以及光譜分析系統(tǒng)， 立方分光棱鏡位于寬光譜光源的出射光路上，在立方分光棱鏡的反射光路上設(shè)置干涉成像系統(tǒng)樣品臂，在立方分光棱鏡的透射光路上設(shè)置干涉成像系統(tǒng)參考臂，光譜分析系統(tǒng)設(shè)置在樣品臂與參考臂的返回光束經(jīng)立方分光棱鏡合成后的光路上；其特征是干涉成像系統(tǒng)的 樣品臂是由另一個(gè)立方分光棱鏡和人眼樣品構(gòu)成的，在該立方分光棱鏡的反射光路上還設(shè) 置有一個(gè)眼底相機(jī)物鏡和位于物鏡后焦面處的(XD。本發(fā)明是在光譜域光學(xué)相干層析成像裝置的上改進(jìn)，它采用了一寬一窄的雙視場(chǎng) 光路結(jié)構(gòu)，即由樣品臂中立方分光棱鏡、眼底相機(jī)物鏡和位于物鏡后焦面處的CCD構(gòu)成系 統(tǒng)的寬視場(chǎng)成像光路(眼底成像系統(tǒng))；由參考臂、樣品臂和光譜分析系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)的窄視 場(chǎng)干涉成像光路。寬視場(chǎng)成像光路是直接眼底成像，可獲取寬視場(chǎng)的視網(wǎng)膜深度投影圖像， 為后續(xù)的分析處理過(guò)程提供母圖，窄視場(chǎng)干涉成像光路獲得視網(wǎng)膜小視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的光學(xué)層 析圖像，為分析處理過(guò)程提供子圖像群。其具體工作原理是由寬光譜光源發(fā)出的光束，經(jīng) 準(zhǔn)直成為一束平行光，到達(dá)立方分光棱鏡后被分成兩束相干的光束，其中一束進(jìn)入?yún)⒖急?后返回，為干涉提供一支參考光束，另一束進(jìn)入被測(cè)的人眼樣品后，被人眼樣品中視網(wǎng)膜細(xì) 胞不同層散射。其中樣品散射回的光束一部分按原路返回，為干涉提供一支包含被測(cè)樣品 結(jié)構(gòu)信息的測(cè)量信號(hào)，另一部分被樣品臂中的立方分光棱鏡反射，由寬視場(chǎng)成像光路接收， 為系統(tǒng)提供一幅清晰的視網(wǎng)膜細(xì)胞層的圖像即母圖，提供給計(jì)算機(jī)待處理。樣品散射返回 的光束與參考光束在立方分光鏡合成后進(jìn)入光譜分析系統(tǒng)，并由擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后到達(dá)衍射 光柵上。通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)以增大入射到光柵上的面積，可以提高光柵的色分辨本領(lǐng)。由于光譜 分析系統(tǒng)中的光柵對(duì)不同頻率成分的光束具有不同的衍射角，因此能把不同頻率成分的光 束干涉信息分列在光譜分析系統(tǒng)的CCD靶面上不同位置，形成一組子圖群提供給計(jì)算機(jī)。 子圖群反映了視網(wǎng)膜部分區(qū)域細(xì)胞各層的特征，而母圖則反映了完整視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)視網(wǎng)膜細(xì) 胞各層散射光束的光強(qiáng)在眼底成像系統(tǒng)后焦面上投影一共軛成像后的光強(qiáng)分布。為了獲 得視網(wǎng)膜細(xì)胞層完整視場(chǎng)區(qū)域的層析圖像，本發(fā)明最后采用軟件處理的方法，結(jié)合子圖群 的特點(diǎn)，對(duì)眼底成像系統(tǒng)獲得視網(wǎng)膜細(xì)胞層的母圖進(jìn)行圖像分離，實(shí)現(xiàn)快速、高分辨率的視 網(wǎng)膜細(xì)胞層層析成像，即通過(guò)計(jì)算機(jī)求取子母圖像之間的投影算子，然后對(duì)母圖像逆變換 后即得到寬視場(chǎng)視網(wǎng)膜細(xì)胞各層的層析圖像。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著效果是(1)引入了雙視場(chǎng)的成像系統(tǒng)，窄視場(chǎng)的 子圖為寬視場(chǎng)的母圖提供多層分解的判別依據(jù)，由軟件處理得到子母圖像的投影算子，并 由此獲取寬視場(chǎng)視網(wǎng)膜分層圖像，避免了現(xiàn)有技術(shù)中二維硬件掃描機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)成像速度的 影響，有效提高了系統(tǒng)的成像速度；(2)本裝置中引入反射型衍射光柵，它不但可以使不同 頻率的光譜成分成像在CCD中不同的位置，通過(guò)提取并分析成像在CCD中不同的位置圖像 中的干涉信息，來(lái)了解細(xì)胞各層在不同頻率成分光譜下的光學(xué)特性和視網(wǎng)膜各層的結(jié)構(gòu)， 還有效簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(3)本系統(tǒng)由于工作時(shí)成像的時(shí)間較短，因此作用于人眼視網(wǎng)膜 近紅外光譜劑量也較少，有效地降低了被測(cè)人眼的視網(wǎng)膜損傷；另外使用SLD作為光源，裝 置的軸向分辨率可以達(dá)到微米量級(jí)，具有高縱向分辨率。本發(fā)明是一種更快速、更安全的人 眼視網(wǎng)膜細(xì)胞層析三維快速成像裝置，可廣泛應(yīng)用于眼科疾病的臨床診斷中。本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下的附圖和實(shí)施例給出。


圖1是根據(jù)本發(fā)明所述近紅外光譜分析和雙視場(chǎng)干涉成像裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是基于本發(fā)明中雙視場(chǎng)干涉成像技術(shù)中視網(wǎng)膜細(xì)胞各層圖像分離的核心算 法原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合 附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。參見(jiàn)圖1，在近紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像的裝置中，包含了寬視場(chǎng)、窄視場(chǎng)兩支主 要的成像光路和光源的入射光路。光源入射光路由高斯光源1和準(zhǔn)直物鏡2組成，高斯光 源1選擇近紅外波段超亮發(fā)光二極管SLD，其中心波長(zhǎng)為820nm，半極值全寬度(FWHM)為 40nm，輸出功率為2mW左右的SLD-38-MP，它能夠?yàn)楦缮娉上裣到y(tǒng)提供一束低時(shí)間相干性， 高空間相干性的寬光譜光束，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡2的準(zhǔn)直作用后，形成一束平行光入射到位于 其出射光路上的立方分光棱鏡3中。立方分光棱鏡3由兩塊直角棱鏡膠合，并在膠合面上 鍍半透半反膜，實(shí)現(xiàn)50/50的分振幅作用。寬視場(chǎng)成像光路由樣品臂、眼底相機(jī)物鏡10和 CXDll組成。其中CXDll采用高分辨大視場(chǎng)成像CXD，其響應(yīng)波段為600 900nm，德國(guó)VDS 公司型號(hào)為CCD-1020的CCD，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬區(qū)域的視網(wǎng)膜細(xì)胞層成像，從而為軟件算法分離層 析圖像提供母圖。窄視場(chǎng)干涉成像光路由光源部分、干涉的樣品臂、參考臂和光譜分析系統(tǒng) 組成。立方分光棱鏡8與人眼樣品9構(gòu)成干涉成像系統(tǒng)的樣品臂，立方分光棱鏡8與立方 分光棱鏡3要求相同，會(huì)聚透鏡6和參考板7構(gòu)成干涉成像系統(tǒng)的參考臂，由于人眼視網(wǎng)膜 具有一定的像差，因此必須在參考臂上對(duì)視網(wǎng)膜細(xì)胞層的色散作用進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到高 精度、高分辨率成像的目的，故在立方分光棱鏡3和會(huì)聚透鏡6之間引入了光衰減器4和人 眼色散補(bǔ)償器5。光譜分析系統(tǒng)主要由擴(kuò)束系統(tǒng)12、衍射光柵13、物鏡14和(XD15組成，其 中擴(kuò)束系統(tǒng)12增加了輸出平行光的寬度，使得到達(dá)衍射光柵13上的面積增大，從而提高光 柵的色分辨率。起分光作用的衍射光柵13選擇反射型光柵，根據(jù)光譜分析系統(tǒng)中實(shí)際色分 辨本率的要求自行設(shè)計(jì)。CCD15也是響應(yīng)紅外波段，但實(shí)際使用的視場(chǎng)角要比CCDll小些， 因此也可以選擇與CXDll同一款型號(hào)的(XD。上述裝置，先由SLD光源發(fā)出的光束，分別由寬視場(chǎng)成像光路獲取母圖，窄視場(chǎng)干 涉成像光路獲取子圖群，子圖群反映了視網(wǎng)膜部分區(qū)域細(xì)胞各層的特征，而母圖則反映了 完整視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)視網(wǎng)膜細(xì)胞各層散射光束的光強(qiáng)在眼底成像系統(tǒng)后焦面上投影一共軛成 像后的光強(qiáng)分布。為了獲得視網(wǎng)膜細(xì)胞層完整區(qū)域的層析圖像，本發(fā)明采用軟件算法代替 傳統(tǒng)的硬件二維掃描機(jī)構(gòu)，并輔以子圖群的層析特征，從寬視場(chǎng)光路獲得的母圖中分離出 視網(wǎng)膜細(xì)胞各層的層析圖像。見(jiàn)圖2所示，它是本發(fā)明中視網(wǎng)膜細(xì)胞各層圖像分離的核心算法原理示意圖，由 軟件處理的手段完成。從寬視場(chǎng)成像光路獲得的母圖χ中截取部分圖像X，這部分圖像對(duì)應(yīng) 著干涉層析子圖的視網(wǎng)膜區(qū)域。引入ρ(·)算子，建立母圖與子圖y之間的“投影”關(guān)系， 即y = P(X) (1)母圖與完整視網(wǎng)膜區(qū)域的層析圖X也存在這樣的“投影”關(guān)系，表現(xiàn)為Y = P (X) (2)因此，根據(jù)式(1)求解出P算子，并代入到式(2)后就能獲取完整的視網(wǎng)膜區(qū)域的細(xì)胞各層層析圖像。
P算子的求解過(guò)程如圖2中左半部分所示，部分的母圖χ與合適的基函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué) 變換，然后變換后的系數(shù)進(jìn)行處理，如線性濾波、Radon變換等，分離出視網(wǎng)膜細(xì)胞不同層圖 像對(duì)應(yīng)的變換系數(shù)。這些分層的系數(shù)與子圖y的特征進(jìn)行比較，若兩者不吻合，則重新選取 變換基后按上述的處理，直到分層系數(shù)能體現(xiàn)出子圖的特征為止。這個(gè)基函數(shù)也就是P算 子，能夠建立子圖群與母圖之間的聯(lián)系。運(yùn)用上述求解的P算子，對(duì)母圖X進(jìn)行類(lèi)似的變換處理，分離各層變換系數(shù)，即可 重構(gòu)出完整的視網(wǎng)膜區(qū)域細(xì)胞各層的層析圖像。
權(quán)利要求
一種近紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像裝置，它包括寬光譜光源[1]、立方分光棱鏡[3]、干涉成像系統(tǒng)的樣品臂和干涉成像系統(tǒng)的參考臂以及光譜分析系統(tǒng)，立方分光棱鏡[3]位于寬光譜光源[1]的出射光路上，在立方分光棱鏡[3]的反射光路上設(shè)置干涉成像系統(tǒng)的樣品臂，在立方分光棱鏡[3]的透射光路上設(shè)置干涉成像系統(tǒng)的參考臂，光譜分析系統(tǒng)設(shè)置在樣品臂與參考臂的返回光束經(jīng)立方分光棱鏡[3]合成后的光路上；其特征是干涉成像系統(tǒng)的樣品臂是由立方分光棱鏡[8]和人眼樣品[9]構(gòu)成的，在立方分光棱鏡[8]的反射光路上還設(shè)置有一個(gè)眼底相機(jī)物鏡[10]和位于物鏡[10]后焦面處的CCD[11]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像裝置，其特征是在立方分光棱鏡[3] 與干涉成像系統(tǒng)的參考臂中的會(huì)聚透鏡[6]之間的光路上依次設(shè)置光衰減器[4]、人眼色 散補(bǔ)償器[5]。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像裝置，其特征是CCD[11]為高分辨大 視場(chǎng)成像CCD。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像裝置，其特征是起分光作用的衍射光 柵[16]為反射型光柵。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于視網(wǎng)膜細(xì)胞層快速干涉層析成像的紅外光譜雙視場(chǎng)干涉成像裝置，其特征是它引入了寬窄雙視場(chǎng)的成像系統(tǒng)，窄視場(chǎng)的子圖為寬視場(chǎng)的母圖提供多層分解的判別依據(jù)，由計(jì)算機(jī)采用軟件工程的處理方法，并結(jié)合子圖群的特點(diǎn)，對(duì)眼底成像系統(tǒng)獲得視網(wǎng)膜細(xì)胞層母圖進(jìn)行圖像分離，實(shí)現(xiàn)快速、高分辨率的視網(wǎng)膜細(xì)胞層層析成像。該系統(tǒng)具有較高的靈敏度和測(cè)量精度，不需采用二維硬件掃描機(jī)構(gòu)，成像時(shí)間較短，視網(wǎng)膜接受到的近紅外光譜劑量較少，可以有效地降低被測(cè)人眼的視網(wǎng)膜損傷，是一種更快速、更安全的人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞干涉成像技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于眼科疾病的臨床診斷中。
文檔編號(hào)A61B3/14GK101862180SQ200910030810
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者葉海水, 高志山 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)