專利名稱：近紅外光譜雙視場干涉成像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學干涉層析成像裝置，特別是一種適用于眼科臨床中視網(wǎng)膜細 胞層高分辨成像的近紅外光譜雙視場干涉成像裝置。
背景技術：
光學干涉層析成像技術是一門比較前沿的技術，國內(nèi)外在二十世紀九十年代開始 該技術研究，目前國外已形成了一套相對完善的光學相干層析技術理論和裝置，尤其是時 域光學相干層析和光譜域光學相干層析技術就是該項技術的主要研究成果，而國內(nèi)目前仍 未發(fā)現(xiàn)有自主研發(fā)的光學相干層析成像裝置成型產(chǎn)品。光譜域光學相干層析技術，是在時域光學相干層析技術基礎之上的提高和功能拓 展。目前國內(nèi)外已將該技術應用于眼科疾病的臨床診斷中。與時域光學相干層析成像技術 相比，光譜域光學相干層析技術不僅具有高分辨率、高靈敏度、高精度，以及非接觸式測量 等優(yōu)點，還能反映出不同光譜成分下視網(wǎng)膜細胞層的光學特性。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 學相干層析裝置。它的主體部分是基于一個開放式的邁克爾遜干涉儀結(jié)構。其中光源部分 采用低時間相干性、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；樣品臂上通過二維掃描機構對垂直視軸的視網(wǎng)膜面進行掃描；前述兩者返回信號的干 涉結(jié)果則可以由衍射光柵和CCD等構成的光譜儀進行分析。該方法是基于光學的干涉理 論，把被測樣品的多層結(jié)構信息調(diào)制到干涉信號的相位中，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，通過傅里葉變換的方法解調(diào)相位信息，就可得到 視網(wǎng)膜細胞各層的位置和結(jié)構信息，從而重構出視網(wǎng)膜細胞各層的層析圖像。上述方法存 在的缺陷是系統(tǒng)為了實現(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構， 即分別通過反射鏡在紙面方向的橫向轉(zhuǎn)動和垂直紙面方向的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對視網(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構的限制。另外，由于二維掃描的過程需要 一定的曝光時間，因此近紅外光劑量會對被測人眼脆弱的視網(wǎng)膜產(chǎn)生損傷、因此該系統(tǒng)難 以保證測試時人眼的安全性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種成像速度快、測量精度高，能安全用 于人眼科臨床醫(yī)療中視網(wǎng)膜細胞層高分辨成像的近紅外光譜雙視場干涉成像裝置，從而為 眼底疾病的診斷提供依據(jù)。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的。近紅外光譜雙視場干涉成像裝置，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置干涉成像系統(tǒng)參考臂，光譜分析系統(tǒng)設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 樣品臂是由另一個立方分光棱鏡和人眼樣品構成的，在該立方分光棱鏡的反射光路上還設 置有一個眼底相機物鏡和位于物鏡后焦面處的(XD。本發(fā)明是在光譜域光學相干層析成像裝置的上改進，它采用了一寬一窄的雙視場 光路結(jié)構，即由樣品臂中立方分光棱鏡、眼底相機物鏡和位于物鏡后焦面處的CCD構成系 統(tǒng)的寬視場成像光路(眼底成像系統(tǒng))；由參考臂、樣品臂和光譜分析系統(tǒng)構成系統(tǒng)的窄視 場干涉成像光路。寬視場成像光路是直接眼底成像，可獲取寬視場的視網(wǎng)膜深度投影圖像， 為后續(xù)的分析處理過程提供母圖，窄視場干涉成像光路獲得視網(wǎng)膜小視場區(qū)域內(nèi)的光學層 析圖像，為分析處理過程提供子圖像群。其具體工作原理是由寬光譜光源發(fā)出的光束，經(jīng) 準直成為一束平行光，到達立方分光棱鏡后被分成兩束相干的光束，其中一束進入?yún)⒖急?后返回，為干涉提供一支參考光束，另一束進入被測的人眼樣品后，被人眼樣品中視網(wǎng)膜細 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樣品 結(jié)構信息的測量信號，另一部分被樣品臂中的立方分光棱鏡反射，由寬視場成像光路接收， 為系統(tǒng)提供一幅清晰的視網(wǎng)膜細胞層的圖像即母圖，提供給計算機待處理。樣品散射返回 的光束與參考光束在立方分光鏡合成后進入光譜分析系統(tǒng)，并由擴束系統(tǒng)擴束后到達衍射 光柵上。通過擴束系統(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。由于光譜 分析系統(tǒng)中的光柵對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算機。 子圖群反映了視網(wǎng)膜部分區(qū)域細胞各層的特征，而母圖則反映了完整視場區(qū)域內(nèi)視網(wǎng)膜細 胞各層散射光束的光強在眼底成像系統(tǒng)后焦面上投影一共軛成像后的光強分布。為了獲 得視網(wǎng)膜細胞層完整視場區(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，對眼底成像系統(tǒng)獲得視網(wǎng)膜細胞層的母圖進行圖像分離，實現(xiàn)快速、高分辨率的視 網(wǎng)膜細胞層層析成像，即通過計算機求取子母圖像之間的投影算子，然后對母圖像逆變換 后即得到寬視場視網(wǎng)膜細胞各層的層析圖像。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比其顯著效果是(1)引入了雙視場的成像系統(tǒng)，窄視場的 子圖為寬視場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 由此獲取寬視場視網(wǎng)膜分層圖像，避免了現(xiàn)有技術中二維硬件掃描機構對系統(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，通過提取并分析成像在CCD中不同的位置圖像 中的干涉信息，來了解細胞各層在不同頻率成分光譜下的光學特性和視網(wǎng)膜各層的結(jié)構， 還有效簡化了系統(tǒng)結(jié)構；(3)本系統(tǒng)由于工作時成像的時間較短，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到微米量級，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)膜細胞層析三維快速成像裝置，可廣泛應用于眼科疾病的臨床診斷中。本發(fā)明的具體結(jié)構由以下的附圖和實施例給出。
圖1是根據(jù)本發(fā)明所述近紅外光譜分析和雙視場干涉成像裝置的總體結(jié)構示意圖。圖2是基于本發(fā)明中雙視場干涉成像技術中視網(wǎng)膜細胞各層圖像分離的核心算 法原理示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合 附圖，對本發(fā)明作進一步詳細描述。參見圖1，在近紅外光譜雙視場干涉成像的裝置中，包含了寬視場、窄視場兩支主 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，它能夠為干涉成像系統(tǒng)提供一束低時間相干性， 高空間相干性的寬光譜光束，經(jīng)過準直透鏡2的準直作用后，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，實現(xiàn)50/50的分振幅作用。寬視場成像光路由樣品臂、眼底相機物鏡10和 CXDll組成。其中CXDll采用高分辨大視場成像CXD，其響應波段為600 900nm，德國VDS 公司型號為CCD-1020的CCD，實現(xiàn)對寬區(qū)域的視網(wǎng)膜細胞層成像，從而為軟件算法分離層 析圖像提供母圖。窄視場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，會聚透鏡6和參考板7構成干涉成像系統(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視網(wǎng)膜細胞層的色散作用進行補償，從而達到高 精度、高分辨率成像的目的，故在立方分光棱鏡3和會聚透鏡6之間引入了光衰減器4和人 眼色散補償器5。光譜分析系統(tǒng)主要由擴束系統(tǒng)12、衍射光柵13、物鏡14和(XD15組成，其 中擴束系統(tǒng)12增加了輸出平行光的寬度，使得到達衍射光柵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)中實際色分 辨本率的要求自行設計。CCD15也是響應紅外波段，但實際使用的視場角要比CCDll小些， 因此也可以選擇與CXDll同一款型號的(XD。上述裝置，先由SLD光源發(fā)出的光束，分別由寬視場成像光路獲取母圖，窄視場干 涉成像光路獲取子圖群，子圖群反映了視網(wǎng)膜部分區(qū)域細胞各層的特征，而母圖則反映了 完整視場區(qū)域內(nèi)視網(wǎng)膜細胞各層散射光束的光強在眼底成像系統(tǒng)后焦面上投影一共軛成 像后的光強分布。為了獲得視網(wǎng)膜細胞層完整區(qū)域的層析圖像，本發(fā)明采用軟件算法代替 傳統(tǒng)的硬件二維掃描機構，并輔以子圖群的層析特征，從寬視場光路獲得的母圖中分離出 視網(wǎng)膜細胞各層的層析圖像。見圖2所示，它是本發(fā)明中視網(wǎng)膜細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。從寬視場成像光路獲得的母圖χ中截取部分圖像X，這部分圖像對應 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)域的細胞各層層析圖像。
P算子的求解過程如圖2中左半部分所示，部分的母圖χ與合適的基函數(shù)進行數(shù)學 變換，然后變換后的系數(shù)進行處理，如線性濾波、Radon變換等，分離出視網(wǎng)膜細胞不同層圖 像對應的變換系數(shù)。這些分層的系數(shù)與子圖y的特征進行比較，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。運用上述求解的P算子，對母圖X進行類似的變換處理，分離各層變換系數(shù)，即可 重構出完整的視網(wǎng)膜區(qū)域細胞各層的層析圖像。
權利要求
一種近紅外光譜雙視場干涉成像裝置，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]的透射光路上設置干涉成像系統(tǒng)的參考臂，光譜分析系統(tǒng)設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]構成的，在立方分光棱鏡[8]的反射光路上還設置有一個眼底相機物鏡[10]和位于物鏡[10]后焦面處的CCD[11]。
2.根據(jù)權利要求1所述紅外光譜雙視場干涉成像裝置，其特征是在立方分光棱鏡[3] 與干涉成像系統(tǒng)的參考臂中的會聚透鏡[6]之間的光路上依次設置光衰減器[4]、人眼色 散補償器[5]。
3.根據(jù)權利要求1所述紅外光譜雙視場干涉成像裝置，其特征是CCD[11]為高分辨大 視場成像CCD。
4.根據(jù)權利要求1所述紅外光譜雙視場干涉成像裝置，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)明公開了一種用于視網(wǎng)膜細胞層快速干涉層析成像的紅外光譜雙視場干涉成像裝置，其特征是它引入了寬窄雙視場的成像系統(tǒng)，窄視場的子圖為寬視場的母圖提供多層分解的判別依據(jù)，由計算機采用軟件工程的處理方法，并結(jié)合子圖群的特點，對眼底成像系統(tǒng)獲得視網(wǎng)膜細胞層母圖進行圖像分離，實現(xiàn)快速、高分辨率的視網(wǎng)膜細胞層層析成像。該系統(tǒng)具有較高的靈敏度和測量精度，不需采用二維硬件掃描機構，成像時間較短，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)膜細胞干涉成像技術，可廣泛應用于眼科疾病的臨床診斷中。
文檔編號A61B3/14GK101862180SQ200910030810
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權日2009年4月16日
發(fā)明者葉海水, 高志山 申請人:南京理工大學