Oct內(nèi)窺掃描成像系統(tǒng)中使用的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及掃頻激光技術(shù)領(lǐng)域和光學(xué)相干層析掃描成像領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用 于使用掃頻激光器的光學(xué)相干層析掃描成像系統(tǒng)，提供一種可有效減少總采樣數(shù)據(jù)量、簡(jiǎn) 化后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理要求的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)相干層析掃描成像（OpticalCoherenceTomography，簡(jiǎn)稱OCT)，已廣泛應(yīng)用 在眼科診斷領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)是建立在光學(xué)、電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)科學(xué)的基礎(chǔ)上，是集光電 及高速數(shù)據(jù)采集和圖像處理等多項(xiàng)前沿學(xué)科為一體的新型成像技術(shù)，OCT憑借其具有高分 辨率、高速成像等優(yōu)點(diǎn)而備受人們的關(guān)注，并在生物醫(yī)學(xué)與臨床診斷領(lǐng)域開始得到重視和 應(yīng)用。
[0003] 與現(xiàn)有的CT、超聲、MRI等其他成像方式相比，OCT具有極高的分辨率，與傳統(tǒng)的激 光共聚焦顯微鏡相比，OCT的成像深度具有明顯的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)光學(xué)探頭的核心技術(shù)大多采 用光纖束進(jìn)行光傳導(dǎo)并進(jìn)行成像，或者采用CCD技術(shù)進(jìn)行成像，此類內(nèi)窺式探頭僅能探測(cè) 組織表面的病變，然而早期癌癥的癥狀發(fā)生在表皮以下1-3毫米的深度，因此傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi) 窺探頭就顯得力不從心。目前也有通過超聲原理進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像的內(nèi)窺探頭，雖然可獲得生 物組織表層以下較深的組織信息，但分辨率僅為毫米量級(jí)，對(duì)早期的癌癥易造成漏診。
[0004] 內(nèi)窺式OCT技術(shù)是近十年伴隨OCT技術(shù)發(fā)展而誕生并蓬勃發(fā)展的一項(xiàng)OCT分支技 術(shù)，其核心目標(biāo)是在不降低分辨率的前提下將OCT光學(xué)成像設(shè)備微型化，提供人體內(nèi)部臟 器管腔的高分辨率OCT圖像。這項(xiàng)技術(shù)極大的擴(kuò)展了OCT技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，使得OCT檢查 對(duì)象由體表器官或活檢樣品發(fā)展到人體內(nèi)臟，如血管、消化道以及呼吸道等。目前在臨床方 面，OCT內(nèi)窺鏡技術(shù)已經(jīng)在檢查動(dòng)脈粥樣硬化以及檢查血管支架安放情況等方面有了初步 的應(yīng)用。
[0005] 傳統(tǒng)的OCT系統(tǒng)為時(shí)域OCT系統(tǒng)（TD-OCT)，而時(shí)域OCT系統(tǒng)的掃描速度一般無法 超過每秒2000線，從而限制了成像速度。近幾年，第二代頻域OCT(FD-OCT)由于其掃描速 度快，探測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越普遍的重視。而在頻域OCT中，采用高速掃頻激 光器的掃頻OCT(SS-OCT)則具有探測(cè)光路簡(jiǎn)單、探測(cè)靈敏度衰減小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。
[0006] 在FD-OCT中，為獲得深度圖像信息，圖像信號(hào)需要在進(jìn)行傅立葉變換前在頻域上 均勻分布。而在SS-OCT中，由于掃頻激光器的掃描特性，直接由高速模數(shù)采集卡獲取的在 時(shí)域上均勻采樣的原始圖像信號(hào)并不滿足這一條件，這就要求對(duì)原始圖像信號(hào)進(jìn)行過采 樣，而后利用數(shù)字信號(hào)處理的方式對(duì)其進(jìn)行數(shù)字重采樣，從而使得圖像信號(hào)在頻域上均勻 分布。這樣的采樣與信號(hào)處理方法對(duì)于采樣系統(tǒng)與數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的要求都很高，也會(huì) 獲取很多冗余信息，從而增加存儲(chǔ)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。此外，數(shù)字重采樣還會(huì)造成信號(hào)信噪比的降 低，并導(dǎo)致探測(cè)靈敏度衰減變大，導(dǎo)致圖像清晰程度降低。
[0007] 因此，既能夠?qū)崿F(xiàn)高速模數(shù)采集卡采集后的信號(hào)在頻域均勻分布，又能夠降低對(duì) 于采樣系統(tǒng)與數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的要求，降低成本并保證圖像清晰，是內(nèi)窺式OCT系統(tǒng)更 好的應(yīng)用于血管、消化道以及呼吸道等領(lǐng)域，并獲得深度圖像信息的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種在OCT內(nèi)窺 掃描成像系統(tǒng)中使用的光學(xué)時(shí)鐘模塊，所述光學(xué)時(shí)鐘模塊包括干涉模塊、探測(cè)器模塊和光 學(xué)時(shí)鐘轉(zhuǎn)化電路模塊，其中，所述干涉模塊可采用光纖式馬赫一曾德爾干涉儀（MZI)或光 纖式邁克爾遜（Michelson)干涉儀結(jié)構(gòu)。其中馬赫一曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)光纖 耦合器、兩個(gè)光纖環(huán)形器以及兩個(gè)光纖偏振控制器組成，其中第一個(gè)光纖耦合器一般采用 非對(duì)稱式光纖耦合器，將大部分激光輸出至樣品臂的微探頭；在參考臂與樣品臂中均放置 一個(gè)光纖環(huán)形器以收集從兩個(gè)臂反射或散射回的光學(xué)信號(hào)；第二個(gè)光纖耦合器可采用對(duì)稱 式2X2光纖耦合器（即分光比為50/50)以產(chǎn)生光學(xué)干涉信號(hào)并降低直流共模信號(hào)，光纖 偏振控制器被對(duì)稱的放置在參考臂與樣品臂中，用于調(diào)整兩個(gè)臂的偏振狀態(tài)以獲得最佳的 光學(xué)干涉信號(hào)。邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)則由一個(gè)對(duì)稱式2X2光纖耦合器、一個(gè)光纖環(huán)形器以 及兩個(gè)光學(xué)偏振控制器組成，掃頻激光首先經(jīng)過光纖環(huán)形器后在進(jìn)入光纖耦合器，從參考 臂與樣品臂反射或散射回的光學(xué)信號(hào)在經(jīng)過同一個(gè)光纖耦合器產(chǎn)生干涉信號(hào)，光纖偏振控 制器被對(duì)稱的放置在參考臂與樣品臂中，用于調(diào)整兩個(gè)臂的偏振狀態(tài)以獲得最佳的光學(xué)干 涉信號(hào)。馬赫一曾德爾干涉儀（MZI)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)對(duì)稱、色散管理簡(jiǎn)單、探測(cè)靈敏度高。 邁克爾遜（Michelson)干涉儀的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且不會(huì)引入偏正模色散（PMD)，兩者的 共同之處在于兩個(gè)臂中間的光程差決定了發(fā)生光學(xué)時(shí)鐘的自由光譜區(qū)（FSR)，也最終決定 了OCT圖像的最大成像深度；探測(cè)器模塊可采用高速平衡光電探測(cè)器，主要用于將從干涉 模塊輸出的干涉光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)。從MZI產(chǎn)生的光學(xué)干涉信號(hào)由一個(gè)平衡光電探 測(cè)器轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)后，經(jīng)過光學(xué)時(shí)鐘轉(zhuǎn)化電路模塊，即依次經(jīng)過寬頻90度移相器、過零 比較器、異或門、或門以及光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)輸出模塊而轉(zhuǎn)換為在頻域上均勻、在時(shí)域上變頻率 的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)。其中，寬頻90度移相器主要用于將MZI電學(xué)信號(hào)的相位移動(dòng)90度，過零 比較器主要用于對(duì)原始MZI電學(xué)信號(hào)和移相后的MZI電學(xué)信號(hào)進(jìn)行過零比較以轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號(hào)，而MZI信號(hào)的零點(diǎn)在頻域上均勻分布，因此過零比較后產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)的上升沿或 下降沿也在頻域上均勻分布，異或門主要用于將兩個(gè)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行合并，以獲得在一 個(gè)自由光譜區(qū)（FSR)中產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，這樣在不增加FSR前提下增加了OCT最大成像 深度，減少了由光學(xué)信號(hào)產(chǎn)生的抖動(dòng)（jitter)。而且由于掃頻激光器在兩個(gè)相鄰掃描之間 總是存在一些空閑時(shí)間，光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)還需要通過一個(gè)或門在空白處填入一些假的時(shí)鐘信 號(hào)以保證高速模數(shù)采集卡可以正常工作，或門實(shí)現(xiàn)了將真實(shí)光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)與假的時(shí)鐘信號(hào) 合并的功能，光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)輸出模塊主要用于將合并后的真實(shí)光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)與假的時(shí)鐘信 號(hào)輸送到數(shù)據(jù)采集模塊。
[0009] 本發(fā)明的另一目的是提供一種在OCT內(nèi)窺掃描成像系統(tǒng)中使用的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào) 發(fā)生方法，包括以下步驟：a，干涉模塊對(duì)進(jìn)入的激光進(jìn)行分光干涉、耦合，并將其傳輸?shù)教?測(cè)器模塊；b，所述探測(cè)器模塊將從干涉模塊輸出的干涉光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)，并輸出 到光學(xué)時(shí)鐘轉(zhuǎn)化電路；c，經(jīng)過光學(xué)時(shí)鐘轉(zhuǎn)化電路處理，從而得到頻域上均勻、時(shí)域上變頻率 的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)；d，光學(xué)時(shí)鐘輸出模塊實(shí)現(xiàn)頻域上均勻、時(shí)域上變頻率的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)。其 中，所述光學(xué)時(shí)鐘轉(zhuǎn)化電路處理過程包括以下步驟：第一步，經(jīng)探測(cè)器模塊轉(zhuǎn)換的MZI電學(xué) 信號(hào)一部分直接經(jīng)寬頻90度移相器轉(zhuǎn)入過零比較器，另一部分MZI電學(xué)信號(hào)直接轉(zhuǎn)入過零 比較器；第二步，所述寬頻90度移相器使轉(zhuǎn)入寬頻90度移相器的電學(xué)信號(hào)的相位移動(dòng)90 度；第三步所述過零比較器對(duì)發(fā)生相位移動(dòng)和未發(fā)生相位移動(dòng)的MZI電學(xué)信號(hào)進(jìn)行過零比 較并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將所述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)入異或門；第四步，所述異或門將經(jīng)過零比較 器轉(zhuǎn)換后的兩個(gè)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)合并為真實(shí)光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)再轉(zhuǎn)入或門；第五步，所述或門將 所述真實(shí)光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)與假的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)合并再轉(zhuǎn)入光學(xué)時(shí)鐘輸出模塊。
[0010] 本發(fā)明的另一目的是提供一種OCT內(nèi)窺掃描成像系統(tǒng)，包括掃頻激光模塊、數(shù)據(jù) 采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖像顯示模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、OCT微探頭與球囊導(dǎo)管、充放氣設(shè)備、以 及所述的光學(xué)時(shí)鐘模塊，其中：
[0011] 所述掃頻激光模塊包括高速掃頻激光器、光纖隔離器與光纖耦合器，將從掃頻激 光器輸出的光學(xué)信號(hào)與后續(xù)光路隔離，防止后續(xù)光路返回的光學(xué)信號(hào)干擾激光器正常工 作；所述數(shù)據(jù)采集模塊可采用高速模數(shù)采集卡，主要以光學(xué)時(shí)鐘模塊輸出的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào) 為基準(zhǔn)采集原始圖像信號(hào)，并提供給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理；所述數(shù)據(jù)處理模塊采用具有 數(shù)字信號(hào)處理能力的芯片（如CPU，GPGPU、DSP、FPGA等），主要用于對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理并 轉(zhuǎn)化為最終的圖像信號(hào)；所述圖像顯示模塊主要用于顯示圖像信號(hào)并負(fù)責(zé)圖像的后處理以 及測(cè)量工作；所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)由光纖旋轉(zhuǎn)連接器、電機(jī)以及電動(dòng)平移臺(tái)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的旋 轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)OCT微探頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，同時(shí)電動(dòng)平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)往某一方向移動(dòng)，這 時(shí)軟件將獲取到的旋轉(zhuǎn)掃描數(shù)據(jù)及平移臺(tái)移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，即產(chǎn)生3D圖像；所述OCT微 探頭主要用于進(jìn)入人體內(nèi)部臟器以傳輸掃頻激光并采集從生物組織中背向散射的光學(xué)信 號(hào)；所述球囊導(dǎo)管用于擴(kuò)張人體內(nèi)部臟器管道，消除皺褶并將OCT微探頭穩(wěn)定于球囊中心； 所述充放氣設(shè)備主要用于擴(kuò)張球囊導(dǎo)管。通過在OCT內(nèi)窺掃描成像系統(tǒng)中使用所述的光學(xué) 時(shí)鐘模塊，可降低對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的要求，并減少冗余信息的采集，減輕存儲(chǔ)系統(tǒng)的 負(fù)擔(dān)，從而提高整個(gè)OCT系統(tǒng)的集成度，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本，且還可以提高圖像信號(hào)的信噪 比，減少探測(cè)靈敏度衰減，從而提高圖像的清晰度。
[0012] 優(yōu)選地，所述OCT微探頭包括單模光纖，套在彈簧管中；透鏡組件，使通過光纖傳 播的光聚集在預(yù)定的工作距離處，所述透鏡組件包括玻璃棒和自聚焦透鏡，通過改變玻璃 棒與單模光纖的膠合距離可以改變OCT微探頭的工作距離；通過自聚焦透鏡與玻璃棒的膠 合，增大自聚焦透鏡的通光孔徑，進(jìn)而提高OCT探頭的數(shù)值孔徑和橫向分辨率。所述OCT微 探頭還可包括反射鏡、支撐不銹鋼管和開槽不銹鋼管，這些光學(xué)元件端面用光學(xué)膠水膠合。
[0013] 其中，所述單模光纖一端帶有光纖標(biāo)準(zhǔn)接頭，此接頭可與OCT系統(tǒng)的光纖旋轉(zhuǎn)端 相連接，所述單模光纖套在