基于全空間調制譜分割角度復合的微血管造影系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于全空間調制譜分割角度復合的微血管造影系統，該系統包括低相干寬帶光源、光環行器、光纖耦合器、參考臂、樣品臂、光譜儀和信號處理模塊；其中參考臂包括參考臂偏振控制器件、參考臂準直透鏡、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直透鏡、閃耀光柵、傅里葉透鏡和線陣CMOS相機；利用本實用新型獲得的多個空間角度復合的微血管造影圖，具有增強的對比度和血管連通性；本實用新型談及的全空間的橫向調制譜分割技術，可以提供最大化的空間頻率域的橫向調制譜，消除由于調制譜分割導致的橫向分辨率下降。
【專利說明】
基于全空間調制譜分割角度復合的微血管造影系統
技術領域
[0001 ] 本實用新型涉及光學相干層析成像技術(Optical Coherence Tomography，0CT) 以及在此基礎之上的無標記三維光學微血管造影技術(OCT Angiography，Angi〇-0CT)，尤 其涉及基于全空間調制譜分割角度復合的微血管造影方法與系統。 技術背景
[0002] 0CT技術是自從上世紀90年代以后逐步發展起來的在生物醫學領域具有重大應用 價值的一種新型成像技術。憑借著無標記物、非侵入性、非接觸性、高成像分辨率和高探測 靈敏度等優點，它吸引著越來越多的國內外科研工作者更加深入地對其進行研究，目前在 醫學臨床中得到了廣泛應用。0CT技術主要依據所探測到的由于生物樣品的光學不均勻性 所導致的樣品背向散射光光強變化，獲取樣品內部的反射率信息，進而重構出樣品的斷層 結構圖像。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，運用傳統的結構型0CT較難加以檢測并區分，故而在臨床應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結構之外更多的生理信息，功能型0CT技術得到了 開發并廣泛應用。
[0003] 諸多的疾病（如青光眼、老年黃斑病變等眼底疾病，腦中風等腦疾病）與血流灌注 的病態變化存在密切的相關性。如若能夠實時監測病人血管的變化，并提供血管的三維影 像，對該類疾病的早期診斷和控制具有重要的意義。Angio-OCT技術是一項具有巨大前景的 可有助于血管疾病診斷的工具，其能夠較好的區分靜態的組織和動態的血流信號，實現了 0CT在獲取血管內血流信息方面的功能性拓展。相較于傳統的造影技術，其優勢體現在無需 注入顯影劑和利用X射線，并結合前面所述0CT技術的特點，能夠實現微血管三維深度分辨 的高對比度的成像。通常，血流對比度的模型建立是運用數學的手段分析光散射信號的時 間統計特性，并用閾值分割動態的血流信號和靜態的組織背景信號來實現的。然而由于動 態和靜態信號統計曲線之間存在重疊，導致動態和靜態信號分割錯誤，血流對比度受到抑 制。因此，采取有效的方法提高造影圖的血流對比，有助于更加清晰地解釋說明圖像的特 征。
[0004] 基于Angio-OCT信號的時間統計特性研究得出：多個獨立的血管造影子圖的平均 可以提高造影的對比度。參照一些消除散斑的方法，可以通過波長多樣性、角度多樣性和偏 振多樣性等方法來獲取獨立的造影子圖。Jia等人提出了一種類似于波長多樣性的光譜分 割Angio-OCT方法。該方法將0CT干涉信號的全波長光譜分割成不同的子光譜，每個子光譜 可產生獨立的造影子圖，通過復合形成新的血管造影圖。然而相對于原來的全光譜，每個子 光譜帶寬變窄，導致圖像的軸向分辨率下降。
【發明內容】
[0005] 本實用新型針對現有技術的不足，提出了基于全空間調制譜分割角度復合的微血 管造影系統。
[0006] 本實用新型基于全空間調制譜分割角度復合的微血管造影系統，包括低相干寬帶 光源、光環行器、光纖耦合器、參考臂、樣品臂、光譜儀和信號處理模塊;其中參考臂包括參 考臂偏振控制器件、參考臂準直透鏡、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直透 鏡、閃耀光柵、傅里葉透鏡和線陣CMOS相機；
[0007] 低相干寬帶光源經過光環行器與光纖耦合器一側的輸入端相連接;光纖耦合器另 一側的其中一個輸出端口經過參考臂偏振控制器件與參考臂準直透鏡相連接;參考臂聚焦 透鏡的光軸與參考臂準直透鏡的光軸重合，平面反射鏡置于參考臂聚焦透鏡的焦平面處； 光纖耦合器另一側的另外一個輸出端口，經過樣品臂偏振控制器與樣品臂準直透鏡相連 接;正交掃描振鏡的第一掃描鏡轉軸中心位于樣品臂準直透鏡的光軸上，第二掃描鏡轉軸 中心位于樣品臂聚焦物鏡的光軸上，待測樣品置于樣品臂聚焦物鏡的焦平面處;光環行器 的另一個輸出端口與光譜儀準直透鏡相連接，閃耀光柵根據分光原理放置在光譜儀準直透 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相機的采光面與傅里 葉透鏡的后焦平面重合;線陣CMOS相機后面接信號處理模塊；
[0008]低相干寬帶光源發出的光經過光環行器后入射到光纖親合器，出射光分成兩部 分，一部分進入參考臂，經準直聚焦后照射到平面反射鏡；另一部分進入樣品臂，經過準直 聚焦后照射到待測樣品上；樣品臂的正交掃描振鏡實現樣品臂光束對待測樣品的三維掃 描;參考臂反射鏡反射回的光與待測樣品背向散射回的光在光纖耦合器處發生干涉，出射 的干涉光經過光譜儀后由信號處理模塊采集處理。
[0009] 與【背景技術】相比，本實用新型具有的有益效果是：
[0010] 1)利用本實用新型獲得的多個空間角度復合的微血管造影圖，具有增強的對比度 和血管連通性；
[0011] 2)本實用新型談及的全空間的橫向調制譜分割技術，可以提供最大化的空間頻率 域的橫向調制譜，消除由于調制譜分割導致的橫向分辨率下降。
[0012] 3)利用本實用新型談及的基于全空間調制譜分割的多個角度分辨的探測技術，可 以在單光束單次測量的情況下實現血流絕對流速的測量。
【附圖說明】
[0013] 圖1為樣品臂掃描光束示意圖；
[0014] 圖2為偏移量δ引入的調制頻率匕圖；
[0015]圖3為橫向掃描調制譜正負頻率混疊圖；
[0016] 圖4是本實用新型的方法實現流程圖；
[0017] 圖5是本實用新型的成像系統示意圖。
[0018] 圖1中:①、探測光束;②、掃描振鏡;③、振鏡轉軸中心;④、聚焦物鏡。
[0019] 圖2中：偏移量δ引入的調制頻率fm。
[0020] 圖3中：正負頻率混疊的橫向掃描調制譜。
[0021] 圖4中:A表示0CT干涉光譜實數信號;B表示深度(z)域的空間結構信息;C表示去除 共輒項后的空間結構信息;D表示復數值的干涉光譜;E表示空間頻率域的全空間橫向掃描 調制譜;F1至Fn分別表示分割得到的調制子光譜;G1至Gn分別表示z域空間結構信號;H1至 Hn分別表示光學造影子圖；I表示光學造影圖；
[0022] 圖5中：1、低相干寬帶光源；2、光環行器;3、光纖耦合器;4、參考臂偏振控制器件； 5、參考臂準直透鏡;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 準直透鏡；10、正交掃描振鏡；11、樣品臂聚焦物鏡；12、待測樣品；13、準直透鏡；14、閃耀光 柵;15、傅里葉透鏡;16、線陣CMOS相機;17、信號處理模塊。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖和實施例子對本實用新型作進一步的說明。
[0024]圖1、圖2和圖3所示為本實用新型的橫向調制原理示意圖。下面對圖1、圖2和圖3中 的示意圖作詳細說明。
[0025] 1)通常在0CT系統的樣品臂中，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，當一定寬度的準直光束照射到樣品臂掃描振鏡的 轉軸中心時，光束距離轉軸中心存在一定的偏移量δ。而偏移量δ會引入樣品臂光程的調制， 導致在空間頻率域的橫向掃描調制(如圖2)，其調制頻率匕與偏移量δ成線性函數關系：
[0026]
[0027] 其中，k表示光源的中心波數，ω表示掃描振鏡的角速度。因此，在全空間的橫向掃 描調制譜中，不同的調制頻率對應著不同入射角度的探測光。
[0028] 2)在0CT成像中，對應于一次橫向掃描得到的干涉光譜為實數值信號。由于直接對 光譜實數信號沿橫向快掃方向作傅里葉變換，所得到的空間頻率分布會產生正負頻率的混 疊(如圖3)，因此需要重構出復數值的0CT干涉光譜。
[0029] 圖4所示為本實用新型的方法的具體實現流程圖。下面對圖4中的過程進行詳細說 明：
[0030] 1)在0CT成像中，對應于一次橫向掃描得到的是干涉光譜實數信號（即方框Α)。為 了重構出復數值的光譜信號，對實數譜沿著波數k方向進行傅里葉變換，得到深度ζ域的空 間結構信息（即方框B)。通常在譜域0CT中，一半的z空間對應約3mm的成像范圍，能夠滿足絕 大多數的應用要求，于是將待測樣品完全置于零光程差的一邊，以分辨復共輒鏡像。通過去 除ζ域中的共輒項，得到新的ζ域空間結構信息（即方框C)。而后沿著k方向進行傅里葉逆變 換，最終得到復數值的光譜信號即方框D)。對該復數譜沿X方向進行傅立葉變換，在 空間頻率域獲得全空間的橫向掃描調制譜(即方框E)。
[0031] 2)對得到的橫向調制譜進行分割，可獲得入射角度分辨的相互獨立的0CT干涉子 光譜（即方框F1至Fn)。分割得到的子光譜個數η及子光譜間的重疊視最終的圖像效果而定： 分割的個數越多會導致橫向分辨率減小得越多，此外還增加了處理算法的復雜度;子光譜 間相互重疊的部分越大，會導致子光譜相互之間的獨立性下降，影響編碼不同入射角度的 探測光。
[0032] 3)對獲得的入射角度分辨的相互獨立的子光譜（即方框F1至Fn)，分別沿著X方向 進行傅里葉逆變換，再沿著k方向進行傅里葉變換，得到ζ域的空間結構信息（即方框G1至 Gn)。利用目前的光學微血管造影技術，如幅值差分法、互相關法等，分別產生相對應的獨立 的造影子圖（即方框HI和Hn)。對這些空間角度分辨的造影子圖進行復合平均，得到新的微 血管造影圖（即方框I )，其血流對比度得到了提高。
[0033] 傳統的多普勒頻移測流速法只能測量與探測光束方向平行的速度分量。要測量血 流的絕對速度，還需測得探測光束方向與血流方向的夾角（即多普勒角）。基于全空間調制 譜分割，能夠分辨不同入射角度的探測光束。對分割得到的調制子光譜（即方框F1至Fn)，利 用多普勒血流速度計算方法，可以獲得不同入射角度探測方向的流速分量，根據幾何關系 可確定絕對的血流速度值。
[0034] 圖5所示為本實用新型的成像系統示意圖。下面對圖5進行詳細說明。
[0035] 基于全空間調制譜分割角度復合的微血管造影系統，包括低相干寬帶光源1、光環 行器2、光纖耦合器3、參考臂、樣品臂、光譜儀和信號處理模塊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直 透鏡13、閃耀光柵14、傅里葉透鏡15和線陣CMOS相機；
[0036] 其特征在于：低相干寬帶光源1經過光環行器2與光纖耦合器3-側的輸入端相連 接;光纖耦合器3另一側的其中一個輸出端口經過參考臂偏振控制器件4與參考臂準直透鏡 5相連接;參考臂聚焦透鏡6的光軸與參考臂準直透鏡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另一側的另外一個輸出端口，經過樣品臂偏振控制 器8與樣品臂準直透鏡9相連接;正交掃描振鏡10的第一掃描鏡轉軸中心位于樣品臂準直透 鏡9的光軸上，第二掃描鏡轉軸中心位于樣品臂聚焦物鏡11的光軸上，待測樣品12置于樣品 臂聚焦物鏡11的焦平面處;光環行器2的另一個輸出端口與光譜儀準直透鏡13相連接，閃耀 光柵14根據分光原理放置在光譜儀準直透鏡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16的采光面與傅里葉透鏡15的后焦平面重合;線陣CMOS相 機16后面接信號處理模塊17;
[0037] 低相干寬帶光源1發出的光經過光環行器2后入射到光纖親合器3,出射光分成兩 部分，一部分進入參考臂，經準直聚焦后照射到平面反射鏡7;另一部分進入樣品臂，經過準 直聚焦后照射到待測樣品12上;樣品臂的正交掃描振鏡10實現樣品臂光束對待測樣品12的 三維掃描;參考臂反射鏡7反射回的光與待測樣品12背向散射回的光在光纖耦合器3處發生 干涉，出射的干涉光經過光譜儀后由信號處理模塊17采集處理。
【主權項】
1.基于全空間調制譜分割角度復合的微血管造影系統，包括低相干寬帶光源、光環行 器、光纖耦合器、參考臂、樣品臂、光譜儀和信號處理模塊;其中參考臂包括參考臂偏振控制 器件、參考臂準直透鏡、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直透鏡、閃耀光柵、 傅里葉透鏡和線陣CMOS相機； 其特征在于:低相干寬帶光源經過光環行器與光纖耦合器一側的輸入端相連接;光纖 耦合器另一側的其中一個輸出端口經過參考臂偏振控制器件與參考臂準直透鏡相連接;參 考臂聚焦透鏡的光軸與參考臂準直透鏡的光軸重合，平面反射鏡置于參考臂聚焦透鏡的焦 平面處;光纖耦合器另一側的另外一個輸出端口，經過樣品臂偏振控制器與樣品臂準直透 鏡相連接;正交掃描振鏡的第一掃描鏡轉軸中心位于樣品臂準直透鏡的光軸上，第二掃描 鏡轉軸中心位于樣品臂聚焦物鏡的光軸上，待測樣品置于樣品臂聚焦物鏡的焦平面處;光 環行器的另一個輸出端口與光譜儀準直透鏡相連接，閃耀光柵根據分光原理放置在光譜儀 準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相機的采光面 與傅里葉透鏡的后焦平面重合;線陣CMOS相機后面接信號處理模塊； 低相干寬帶光源發出的光經過光環行器后入射到光纖親合器，出射光分成兩部分，一 部分進入參考臂，經準直聚焦后照射到平面反射鏡;另一部分進入樣品臂，經過準直聚焦后 照射到待測樣品上;樣品臂的正交掃描振鏡實現樣品臂光束對待測樣品的三維掃描;參考 臂反射鏡反射回的光與待測樣品背向散射回的光在光纖耦合器處發生干涉，出射的干涉光 經過光譜儀后由信號處理模塊采集處理。
【文檔編號】A61B5/00GK205458608SQ201620115923
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月5日
【發明人】李鵬, 李培, 程宇軒, 周麗萍, 丁志華
【申請人】浙江大學