并行成像光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)及方法
【專利說(shuō)明】并行成像光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)及方法
[0001]交叉參考相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求對(duì)2012年12月6日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/734，168享有優(yōu)先權(quán)；特此將其全部?jī)?nèi)容并入本文作為參考。
[0003]政府權(quán)益聲明
[0004]本發(fā)明受到政府支持，由美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研宄院(NIH)-國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像與生物工程研宄所(NIBIB)的R00-EB010071項(xiàng)目資助。政府對(duì)本發(fā)明具有一定的權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005]本發(fā)明涉及成像技術(shù)，尤其是對(duì)檢體或樣品提供多點(diǎn)照射和并行成像的光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0006]光學(xué)相干斷層掃描(OCT)是一種新型光學(xué)成像技術(shù)，可以在原位對(duì)生物組織進(jìn)行微米級(jí)、截面和三維(3D)實(shí)時(shí)成像。OCT作用如同“光學(xué)活檢”，其組織顯微結(jié)構(gòu)成像分辨率接近于傳統(tǒng)的組織病理學(xué)，但是無(wú)需從活體摘取和處理組織標(biāo)本。因此，OCT可獲取有形物體(如生物組織)的視覺(jué)影像并將其數(shù)字化。OCT穿透生物組織的深度通常為1-2毫米。OCT已經(jīng)廣泛用于臨床和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是在人類和動(dòng)物的應(yīng)用上，包括眼科、心血管成像、內(nèi)窺鏡成像、腫瘤成像、牙科和成像研宄應(yīng)用。
[0007]大部分商用的OCT系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行單光束掃描以獲得二維(2D)和三維(3D)組織影像。OCT成像速度取決于每秒軸向掃描的數(shù)量(A掃描)，受到頻域OCT (SD-OCT)線掃描相機(jī)的行頻或掃頻OCT(SS-OCT)激光掃描速率的限制。截面2D-0CT幀頻和3D-0CT容積率也由光束掃描器件的速度決定。使用多重成像光束并行采集OCT圖像是一種顯著提高軸向掃描速率、幀頻以及容積率的新方法。
[0008]為獲取OCT圖像，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出使用林尼克干涉儀和二維數(shù)字照相機(jī)的全場(chǎng)OCT (FF-OCT)。FF-OCT利用并行成像技術(shù)，通過(guò)2D照相機(jī)檢測(cè)被光源照射的整個(gè)樣品并檢測(cè)樣品各處的干涉信號(hào)。雖然FF-OCT展示出優(yōu)異的圖像分辨率，但是由于非相干散射光和像素串?dāng)_的影響，F(xiàn)F-OCT的成像靈敏度通常較差。OCT系統(tǒng)的靈敏度與非相干散射光水平成反比。非相干散射光在相機(jī)達(dá)到飽和度之前限制最大可用功率，進(jìn)而限制了檢測(cè)靈敏度。現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出利用行場(chǎng)照射而非全場(chǎng)照射的行掃描OCT(LS-OCT)以減少非相干散射光和像素串?dāng)_。因此，與FF-OCT相比，LS-OCT使靈敏度提高了一個(gè)量級(jí)。但是，與使用上述單光束方法的OCT相比，LS-OCT中的非相干散射光和像素串?dāng)_仍然高出很多。
[0009]并行掃描和成像系統(tǒng)有待改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明特此披露光學(xué)相干斷層掃描(OCT)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用并行成像干涉法提高成像速度，比采用前述方法的成像速度要快。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，并行成像光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)包括:一個(gè)光源；一個(gè)接收來(lái)自光源入射光的掃描器件，該掃描器件可進(jìn)行移動(dòng)掃描，配置多個(gè)將入射光分成多束光的通光孔；以及一個(gè)干涉儀。該干涉儀包括:一個(gè)分束器，該分束器接收掃描器件多條光束并將各條光束分成參考光束和米樣光束；一個(gè)參考臂，該參考臂配置一個(gè)參考反射鏡，接收分束器的多條參考光束并將反射的參考光信號(hào)返回到分束器；以及一個(gè)采樣臂，該采樣臂接收分束器的多條采樣光束，并將采樣光束掃描到樣品上。分束器還接收從參考臂反射回的參考光信號(hào)和從樣品反射回的采樣光信號(hào)并將其合并，生成以反射的參考光信號(hào)和采樣光信號(hào)為基礎(chǔ)的干涉信號(hào)，以此構(gòu)成干涉圖。該干涉儀還包括一個(gè)檢測(cè)臂，其所配置的檢測(cè)器可獲取分束器的干涉信號(hào)，并且將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為樣品的數(shù)字化圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，掃描器件是一個(gè)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描的旋轉(zhuǎn)盤。通光孔為針孔。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施例中，并行成像光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)包括:一個(gè)光源；一個(gè)接收來(lái)自光源入射光的掃描器件。該掃描器件組件包括:一個(gè)由微透鏡陣列組成的采集盤；和一個(gè)由孔徑陣列組成、與采集盤安裝在同一旋轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)盤，該旋轉(zhuǎn)盤通過(guò)顯微透鏡和孔徑陣列傳輸入射光，并將入射光分成多條光束。該系統(tǒng)還包括一個(gè)干涉儀，此干涉儀包括:一個(gè)分束器，該分束器接收旋轉(zhuǎn)盤的多條光束并將各條光束分成參考光束和米樣光束；一個(gè)參考臂，該參考臂配置一個(gè)參考反射鏡，接收分束器的多條參考光束并將反射的參考光信號(hào)返回到分束器；以及一個(gè)采樣臂，該采樣臂接收分束器的多條采樣光束，并將采樣光束掃描到樣品上。分束器還接收從參考臂反射回的參考光信號(hào)和從樣品反射回的采樣光信號(hào)并將其合并，生成以反射的參考光信號(hào)和采樣光信號(hào)為基礎(chǔ)的干涉信號(hào)，以此構(gòu)成干涉圖。該干涉儀還包括一個(gè)檢測(cè)臂，其所配置的檢測(cè)器可獲取分束器的干涉信號(hào)，并且將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為樣品的數(shù)字化圖像。
[0013]本發(fā)明提供了一種使用并行成像光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)進(jìn)行樣品成像的方法。該方法包括:提供光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)，此系統(tǒng)由光源、掃描器件和干涉儀組成，而干涉儀由限定第一條光路的參考臂和限定第二條光路的樣品臂組成；用光源照射掃描器件；移動(dòng)掃描器件進(jìn)行掃描；通過(guò)掃描器件的多個(gè)通光孔傳輸光，形成多條光束進(jìn)行移動(dòng)掃描；將多條光束分成參考光束和米樣光束；將多條參考光束傳輸?shù)絽⒖急郏藚⒖急叟渲靡粋€(gè)反射參考光信號(hào)的反射鏡；將多條采樣光束傳輸?shù)綐悠繁?；將多條采樣光束掃描到樣品表面上；將從參考臂反射回的參考光信號(hào)和從樣品反射回的采樣光信號(hào)合并，生成以反射的參考光信號(hào)和采樣光信號(hào)為基礎(chǔ)的干涉信號(hào)，以此構(gòu)成干涉圖；使用檢測(cè)器檢測(cè)干涉儀檢測(cè)臂中的干涉信號(hào)；檢測(cè)器生成構(gòu)成干涉圖的輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)換成樣品的數(shù)字化圖像。
【附圖說(shuō)明】
[0014]參照以下附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的特征加以說(shuō)明，附圖中相似元素的標(biāo)示相同:
[0015]圖1是并行成像光學(xué)相干斷層掃描(OCT)系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)盤和干涉儀；
[0016]圖2是并行成像光學(xué)相干斷層掃描(OCT)系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括配置顯微透鏡的雙旋轉(zhuǎn)盤和干涉儀；
[0017]圖3是圖1中的OCT系統(tǒng)加上成像光纖探針的示意圖；
[0018]圖4是圖2中的OCT系統(tǒng)加上成像光纖探頭的示意圖；以及
[0019]圖5是圖2中的雙旋轉(zhuǎn)盤的單目顯微透鏡和通光孔的側(cè)面剖視圖，顯示光收集和透光路徑。
[0020]所有附圖均為示意圖，未按比例繪制。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)參照優(yōu)選實(shí)施例加以說(shuō)明和描述。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于此類優(yōu)選實(shí)施例，此類實(shí)施例闡述了可能單獨(dú)或與其它組合特征同時(shí)存在的某種非限制性組合特征；本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求限定。對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述旨在聯(lián)系附圖進(jìn)行閱讀，這些附圖是整個(gè)書(shū)面描述的一部分。附圖不一定按比例進(jìn)行繪制，并且某些特征可能被放大比例或以圖解形式進(jìn)行說(shuō)明以求簡(jiǎn)潔明了。因此，附圖所示的各種圖的材料和結(jié)構(gòu)的尺寸、厚度和間距不受附圖所示的相對(duì)尺寸、厚度和間距限制。
[0022]本發(fā)明披露的實(shí)施例的描述，凡提及方向或定位之處僅為了方便描述，無(wú)意限制本發(fā)明的范圍。相關(guān)術(shù)語(yǔ)如“下部”、“上部”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“頂部”和“底部”以及由此派生的詞語(yǔ)(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)應(yīng)理解為此處討論的附圖中描述或標(biāo)示的方向。這些相關(guān)術(shù)語(yǔ)僅為了方便描述，并不要求按此特定方向進(jìn)行構(gòu)造或操作器械。此處用來(lái)描述各種元素、特征或?qū)蛹?jí)之間物理關(guān)系的術(shù)語(yǔ)，例如“附加”、“固定”、“連接”、“聯(lián)接”、“互聯(lián)”或類似術(shù)語(yǔ)除非另有明確說(shuō)明，應(yīng)廣義地理解為關(guān)系，此類元素、特征或?qū)蛹?jí)可以通過(guò)插入的元素、特征或?qū)蛹?jí)，以及可移動(dòng)的或牢固的附件或關(guān)系，彼此直接或間接地加以固定或連接。同樣的，此處用來(lái)描述各種元素、特征或?qū)蛹?jí)之間的物理關(guān)系的術(shù)語(yǔ)“在...上”除非另有明確說(shuō)明，應(yīng)廣義地理解為通過(guò)插入的元素、特征或?qū)蛹?jí)，彼此直接或間接接觸。
[0023]本發(fā)明披露的各種實(shí)施例中，并行成像OCT系統(tǒng)及相關(guān)方法采用干涉儀和由定型通光孔(如針孔)構(gòu)成的可移動(dòng)掩罩，對(duì)樣品進(jìn)行多點(diǎn)照射，同時(shí)形成多條成像光束。每條成像光束均被針孔空間分離，大大減少了非相干散射光以及像素串?dāng)_，從而提高了 OCT成像靈敏度。
[0024]在一個(gè)實(shí)施例中，掩罩可以旋轉(zhuǎn)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)掃描盤(“旋轉(zhuǎn)盤”)，或者平移確保整個(gè)成像區(qū)被成像或采樣光束覆蓋。旋轉(zhuǎn)盤接收來(lái)自光源的入射光并將光分成多束成像或采樣光束，這些光束同時(shí)被掃描在樣品上以獲取圖像信號(hào)。通過(guò)每個(gè)針孔形成的點(diǎn)照射在待成像的樣品上形成多條對(duì)應(yīng)的掃描線或痕跡。本發(fā)明披露的轉(zhuǎn)盤式OCT利用并行成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速成像，同時(shí)通過(guò)降低非相干散射光以及像素串?dāng)_獲得較高的成像靈敏度。
[0025]雖然共聚焦顯微鏡已利用旋轉(zhuǎn)盤技術(shù)獲得生物樣品的反射率和熒光圖像，但是還有明顯的局限性。共聚焦顯微鏡提供樣品的正面2D圖像。雖然使用共聚焦顯微鏡可獲得3D圖像，但是正面2D系列圖像需要沿縱深維度機(jī)械平移(例如擺動(dòng))樣品而獲取，這將使3D成像速度減緩。此外，在醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中，特別是對(duì)患者進(jìn)行體內(nèi)檢查時(shí)，擺動(dòng)樣品不實(shí)用或不可能。
[0026]與共聚焦顯微鏡相比，本發(fā)明披露的轉(zhuǎn)盤式OCT是基于內(nèi)稟對(duì)比度而非熒光標(biāo)記來(lái)獲取樣