在智能手機上附接光學相干斷層成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種與干涉儀相結(jié)合的多模式成像和光學特性測量設備。由多成像模式并行獲取的數(shù)據(jù)包括使得能表征樣品中不同深度區(qū)域內(nèi)的不同范圍的單散射光、多散射光和漫射光的測量結(jié)果。該系統(tǒng)包括不同的干涉儀配置和不同的成像模式，并且具有信號處理單元，信號處理單元將干涉測量的、多光譜的和對偏振靈敏的測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)和共配準從而導出和分析樣品的光學特性，并增強樣品的圖像顯示。
【專利說明】在智能手機上附接光學相干斷層成像系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2011年8月21日提交的美國臨時專利申請第61/525，783號的優(yōu)先權(quán)和于2011年10月20日提交的美國臨時專利申請第61/549,487號的優(yōu)先權(quán)，這些專利申請通過引用并入本文。
[0003]背景
1.【技術(shù)領域】
[0004]本發(fā)明涉及光學相干斷層成像(OCT)系統(tǒng)領域，并且更特別地涉及一種實現(xiàn)多個觀察和處理配置的OCT系統(tǒng)。
2.【背景技術(shù)】
[0005]圖1A顯示的是根據(jù)先前技術(shù)的光學相干斷層成像(OCT)系統(tǒng)50。OCT系統(tǒng)50包括用于產(chǎn)生光束的光源90，例如，寬帶(白色)光源。OCT系統(tǒng)50還包括低相干干涉儀72，低相干干涉儀72包括分束器70 (作為Michelson干涉儀的部件)，以便將光束分離成樣品光束和參照光束，樣品光束射向樣品80并且光束從樣品80上反射，參照光束射向鏡子85并從鏡子85上反射。干涉儀72被布置用于接收樣品光束和參照光束的反射，并產(chǎn)生由檢測器95 (例如光敏二極管)測量的干涉圖樣。因為光源的光譜帶寬很寬，只有當從參照臂與樣品臂反射的光之間的光路長度在光源的時間相干長度內(nèi)才會出現(xiàn)干涉圖樣。A深度掃描(A-掃描)可以在不同的配置下形成。時間域OCT圖像在軸向方向上物理地掃描參照臂，從而改變延遲并使得能探測樣品中的不同深度。譜域OCT圖像保持參照臂的位置不變，但將檢測器換成由例如耦合到檢測器線性陣列(例如CCD相機)上的色散元件(例如透鏡)組成的分光儀。從光譜干涉圖樣的傅里葉逆變換中發(fā)現(xiàn)A-掃描。或者，當保持參照臂位置固定和當使用點檢測器的時候，通過在狹窄的單色光帶上掃描(或“掃”或“調(diào)諧”)光源也可以獲得光譜干涉圖樣。此OCT配置要求使檢測器獲取時間與瞬時光源波長同步。在此配置(已知稱為掃頻源0CT)中，A-掃描也從光譜干涉圖的傅里葉逆變換中確定。創(chuàng)建二維(2D)或三維(3D) OCT圖像需要在樣品上掃描光束。掃描OCT配置掃描連續(xù)的A-掃描之間的光束，而全場OCT是使用一維(ID)或二維(2D)檢測器陣列從多個平行的橫向位置(即成像配置)獲取的。
[0006]以下文件闡述了先前技術(shù)的一些方面。Zuluaga和Ri char ds-Kor turn在 1999 年(^Spatiallyresolvedspectralinterferometryfordeterminationofsubsurfacestructure〃，光學快報24:8第519-521頁)公開了一種二維非掃描OCT系統(tǒng)。美國專利申請第2008/0158550號公開了一種在二維中的非掃描OCT實現(xiàn)，以及Abdulhalim在 2011 年(〃Non-displaybio_optic applicationsofIiquidcrystals^,今日液晶 20:2 第44-66頁)公開了一種利用液晶裝置控制光束特性的多模式OCT系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的一個方面提供了一種光學相干斷層成像(OCT)系統(tǒng)，該OCT系統(tǒng)包括:光源，其被布置為產(chǎn)生光束；干涉儀，其被配置為從光束產(chǎn)生針對樣品的樣品光束和針對反射表面(如反射鏡)的參照光束，并被配置為將樣品光束的樣品反射和參照光束的參照反射疊加以生成測量光束(干涉圖樣);成像單元，其包括被布置為從測量光束導出OCT數(shù)據(jù)的OCT檢測器或探測器陣列、觀察檢測器或者檢測器陣列(包括例如多光譜成像和/或偏振光成像)和信號處理單元；以及分束器，其被配置為將樣品反射投射到觀察檢測器陣列上以便產(chǎn)生樣品圖像，其中信號處理單元被布置為將OCT數(shù)據(jù)和樣品圖像相關(guān)聯(lián)并共配準以生成樣品的多模式測量結(jié)果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]為了更好地理解本發(fā)明的實施例和顯示如何實現(xiàn)本發(fā)明的實施例，現(xiàn)在將純粹通過示例的方式參考附圖進行描述，在全部附圖中，相同的標號指示對應的元件或部分。
[0009]在附圖中:
[0010]圖1B是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的樣品中不同的測量區(qū)域的示意圖，
[0011]圖2A-圖2D是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的OCT系統(tǒng)的高級示意圖，
[0012]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的與計算裝置相關(guān)聯(lián)的OCT系統(tǒng)的高級示意圖，
[0013]圖4A-圖4C是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的使用光纖實現(xiàn)的OCT系統(tǒng)的高級示意圖，以及
[0014]圖5A和圖5B是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的說明OCT方法的高級示意流程圖?！揪唧w實施方式】
[0015]就對附圖的詳細特定參考而言，強調(diào)了所示出的細節(jié)是通過舉例的方式并且只是出于對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的示例性討論的目的，并且由于提供被認為在本發(fā)明的原理和概念方面是最有用和容易理解的描述的原因而提供這些細節(jié)。在這方面，除了從本質(zhì)上理解本發(fā)明所必須的細節(jié)外，沒有試圖更詳細地示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細節(jié)，結(jié)合附圖的說明使得本領域技術(shù)人員能獲知本發(fā)明的多種形式如何在實踐中實施。
[0016]在詳細解釋本發(fā)明的至少一個實施例之前，應該理解本發(fā)明的應用不限于下列說明書所闡述或附圖中所示的元件的結(jié)構(gòu)和布置細節(jié)。本發(fā)明適用于其他實施例，或以各種方式實踐或執(zhí)行。同樣，應該理解在此所用的措辭和術(shù)語目的在于描述，而不應該被認為是限制性的。
[0017]光在組織中的傳播主要受到散射和吸收的引導。光的散射可以根據(jù)數(shù)量和方向性被量化，而光的吸收只能根據(jù)數(shù)量進行量化。散射因數(shù)μs是散射事件的數(shù)量的度量。其被定義為連續(xù)散射事件之間的平均距離的逆。類似地，吸收因數(shù)Ua被定義為連續(xù)吸收事件之間的平均距離的逆。散射方向性g是散射光的方向性的度量，即沿著偏振角方向的散射能量的余弦均值。
[0018]其他影響光在組織內(nèi)傳播的組織特性包括折射指數(shù)n，組織雙折射率Λη和組織米勒矩陣Μ。折射指數(shù)η描述的是相對于真空而言光在介質(zhì)中的傳播有多快。雙折射率Λη描述的是在材料的正常軸和非常軸之間折射指數(shù)的最大差值。雙折射率取決于樣品中的光的偏振和傳播方向。米勒矩陣M描述的是場(如Stokes矢量所描述的)的不同偏振光通過材料傳播的方式。相比△!!而言，它是材料的偏振特性的更加完整的描述。
[0019]基于光散射的平均次數(shù)(由無量綱量光學深度μ sz給出)，在諸如組織的渾濁介質(zhì)中的光的散射可劃分為3個區(qū)域。
[0020]圖1B是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的樣品80中不同測量區(qū)域的示意圖。相對于樣品光束照射在其上的樣品80的表面而言，最靠近表面的區(qū)域80A是單散射區(qū)域，這是通過例如偏振光成像進行測量的，以導出如參數(shù)Us (散射因數(shù))、Δη (雙折射率參數(shù))和M (米勒矩陣)。位于樣品80Β更深處的區(qū)域80Β是多散射區(qū)域，這是通過OCT或者共焦激光掃描顯微鏡測量的，以導出如Us (散射因數(shù))和g (散射的各向異性因數(shù))。在區(qū)域80A和80B周圍的區(qū)域80C是光漫射區(qū)域，這可通過如多光譜成像進行測量，以導出如μ / (減小的散射系數(shù)，等于Us乘以(l_g))和Ua (吸收系數(shù))的參數(shù)。此提出的系統(tǒng)組合了來自所有三種類型區(qū)域80A、80B、80C的數(shù)據(jù)，從而生成詳細的多模式點測量和/或成像。
[0021]當光學深度小于I時，認為光位于單散射區(qū)域中，即平均而言它已經(jīng)經(jīng)歷一個或少于一個散射事件。單散射光保持如相位、偏振和相干等基本特性。在如CLSM和OCT的成像應用中，單散射光在樣品表面部分中的圖像中形成強烈而界限清晰的結(jié)構(gòu)。測量單散射光的光學特性時，一般認為人們可以擬合一個參數(shù)，即μ s。
[0022]當光學深度大于10時，認為光位于漫射區(qū)域，在此區(qū)域，光的傳播可以按照漫射定律進行充分近似，能量從高濃度(或注量率)移動到較低的濃度。漫射光已經(jīng)失去了其所有基本的波特性如相位、相干和偏振等，并且實際上不再以波的形式運動。人類眼睛所能察覺的和大多數(shù)攝影應用(包括多光譜成像)中的光大多數(shù)是漫射光，其中光進入樣品，向周圍漫射，繼而退出樣品，使得漫射光被檢測器或眼睛感測到。在測量漫射光的光學特性時，引導光在組織中 傳播的目標參數(shù)是μ s’和μ a。
[0023]認為已經(jīng)平均經(jīng)歷介于I和10之間的散射事件的光位于多散射區(qū)域中。在此，光部分維持其波特性以至于它不再被簡單地劃分為上述的散射區(qū)域中的任一種。人們發(fā)現(xiàn)，多散射光大部分位于在OCT圖像和一些CLSM圖像中觀察到的深結(jié)構(gòu)中。多散射光允許進行分開μ s和g的無損測量，這對于其他方法而言是不可能的。
[0024]有幾種方法測量來自組織的光學特性。一般來說，這些方法包括進行實驗測量，并借助各種分析和計算方法將數(shù)據(jù)擬合到理論或數(shù)值預測中。
[0025]傳統(tǒng)而言，用于測量光學特性的最普遍的方法是積分球，在積分球中，人們測量從一塊組織反射或傳播通過一塊組織的總光通量，這一塊組織被捕捉到與檢測器耦合的高度反射的球體中。需要用來確定所有三個光學散射特性的第三個(和有難度的)測量是通過樣品的準直傳播。總的漫反射率和總的漫透射率測量都是針對漫射區(qū)域中的光，而準直傳播是針對單散射區(qū)域中的光?？偟穆瓷渎屎涂偟穆干渎室约皽手眰鞑y量隨后被用于一種算法(如反向倍增法)中，此算法間接回生成額外的好處在于積分球可進行對光譜靈敏的測量，這給出了樣品的更完整描述。
[0026]積分球方法有一些缺陷。首先且最重要的是，它需要相同薄的(移植的)組織塊，而這樣的組織塊很難制備，并且實際上意味著不可能進行活體測量。另外，測量會被側(cè)向散射(其中，散射光通過組織塊的側(cè)面退出但被錯認為被吸收)破壞。結(jié)果，在通常用于進行這種估計的反向倍增(IAD)算法中高估了 ya。鑒于不容易的組織制備的缺點、y a的高估、以及準直傳播測量的總體難度，積分球方法并不被認為是測量光學特性的最佳方法。[0027]然而，沒有方法能夠同時和無破壞性地(即不需要對組織進行任何處理和修改)測量所有三個光散射特性(μs、μa和g)。這是因為每種其他方法在一個散射區(qū)域或其他散射區(qū)域進行操作而不是在所有的散射區(qū)域進行操作。本發(fā)明的方法在所有三個散射區(qū)域內(nèi)進行操作。
[0028]圖2A-圖2D是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的多模式OCT系統(tǒng)100的高級示意圖。OCT系統(tǒng)100包含觀察檢測器130，以允許對OCT圖像進行附加的處理和參考。觀察檢測器130提供允許測量光學特性和強化OCT數(shù)據(jù)的關(guān)于樣品80的附加視覺數(shù)據(jù)。因此OCT系統(tǒng)100通過提供關(guān)于樣品80的多模式信息對先前技術(shù)的OCT系統(tǒng)50進行改善。
[0029]如圖2A所不,光學相干斷層成像(OCT)系統(tǒng)100包含:被布置用來產(chǎn)生光束(適用于實現(xiàn)低相干干涉，如由擴散器準直和/或擴散并被過濾，例如以便具有明確定義的偏振)的光源90 ;干涉儀72 (包含如分束器70)，其被配置用來從光束中生成參照光束和照射到樣品80上的樣品光束，并被配置為將樣品光束的樣品反射和參照光束的參照反射疊加以生成測量光束；成像單元105，其包含被布置用來從測量光束中導出OCT數(shù)據(jù)的OCT檢測器140、觀察檢測器130和信號處理單元106 ;以及分束器110，其被配置為將樣品反射通過濾光器131投射到觀察檢測器130上，從而生成樣品圖像。照射到樣品80上的樣品光束可被準直使得其以散射模式成像。信號處理單元106被布置用來將OCT數(shù)據(jù)和樣品圖像相關(guān)聯(lián)并共配準，從而生成樣品80的多模式測量結(jié)果或圖像，例如，信號處理單元106可生成OCT數(shù)據(jù)和多光譜數(shù)據(jù)的組合的和共配準的圖像。使用以下所述的各種可能的配置，樣品80的多模式圖像可包含點測量、直線測量、區(qū)域測量、或空間測量以及樣品80的二維或三維圖像。例如，成像系統(tǒng)100可生成樣品80的三維圖像，該圖像包含多光譜數(shù)據(jù)、偏振數(shù)據(jù)和OCT數(shù)據(jù)。光源90可包含具有各種波長范圍與用于不同模態(tài)的偏振模式的光源以及擴散器的結(jié)合，以便使得光的輻射均勻。系統(tǒng)100可被布置用來允許獲得樣品80的相鄰區(qū)域的圖像并將這些圖像鋪在一起形成樣品圖像，即，生成樣品80的鑲嵌圖像。系統(tǒng)100生成多模式圖像的方式是無破壞性和非入侵性的。
[0030]觀察檢測器130和OCT檢測器140可以是點檢測器、直線檢測器或者檢測器陣列，并且可結(jié)合掃描和/或并行多元素檢測(圖像)。在下文中，為了簡化的目的，觀察檢測器130指觀察檢測器陣列130，并且OCT檢測器140指OCT檢測器陣列140，而不限制本發(fā)明的
范圍，。
[0031]在實施例中，可在觀察檢測器130前加上交叉偏振器，以便過濾單散射光。
[0032]光學元件如透鏡、鏡子、狹縫/小孔、和空間濾波器/空間光調(diào)解器可位于合適的位置來控制光束。例如，透鏡可包括類似顯微鏡物鏡之類的復合棱鏡組。濾光器可用來控制光束的波長范圍、偏振、相前，例如，濾光器111控制光束的波長范圍和相前，濾光器131和141控制由觀察檢測器陣列130和OCT檢測器140 (圖2A)接收的光特性(如偏振)。濾光器111和131以及141還可用于修正成像像差或增加各種成像模式的信噪比。色散元件61可用于將干涉圖樣分離成不同的波長范圍。在實施例中，根據(jù)系統(tǒng)100的特定光學設計，光學元件可包含光學涂層(高反射率和/或抗反射)來引導光的單向傳播。
[0033]在本申請中術(shù)語“偏光鏡”或“偏振濾光器”被定義為影響從中通過的光束的偏振的光學元件。例子包括本領域中已知的各種不同類型的線性偏光鏡和圓偏光鏡。
[0034]圖2A進一步圖示了普通的路徑配置，其中，參照光束沿著與樣品光束相同的光路，并且樣品臂中的反射面用作為參照物。
[0035]在實施例中，OCT系統(tǒng)100可包含被布置用來測量樣品80的光學散射參數(shù)的觀察檢測器陣列130和/或OCT檢測器陣列140，從而增強OCT數(shù)據(jù)。例如，OCT信號可建模為R=P exp (_μ ζ),其中P是由Us b (g) Δ z給出的反射率，μ是由2G(y sa (g) + μ J給出的衰減率，可測量光學特性如(間接地)測量粒子密度的散射系數(shù)μ s、(間接地)測量粒子尺寸的各向異性因數(shù)g、或吸收系數(shù)Ua以增強生成的圖像，G是由物鏡的數(shù)值孔徑導致的幾何因數(shù)，a(g)是描述g如何影響渾濁介質(zhì)中的聚焦的數(shù)值因數(shù)，而b(g)代表物鏡收集的反向散射光的部分。關(guān)于這些測量的更多細節(jié)會在下文中呈現(xiàn)。用于測量光學散射參數(shù)的其他模型包括單散射模型和擴展的Huygens-Fresnel模型。
[0036]測量光學特性的很多方法基于來自樣品的漫反射率。因為這些方法基于漫射光，其中光已經(jīng)穿過很長的路徑，所以不可能分離μ 3和8，相反μ 3和8被觀察為集中參數(shù)μ/(減小的散射系數(shù))。然而，長的路徑的確使得能夠測量ya，Ua通常來說要比43小很多并且如果沒有長路徑測量無法被檢測到。
[0037]測量漫反射率的一種通常方式與在距離光源r處測量的點照明和點檢測有關(guān)。組織的光學特性確定了光將如何傳播以及在不同的r值處會有多少光逸出。因此，通過測量逃逸的光作為光源-檢測器距離r的函數(shù)(也稱為R(r)測量)，人們可以創(chuàng)建符合理論模型的數(shù)據(jù)集。Farrell,Patterson,和Wilson在1992年求解了來自點照明的空間解析漫反射的最被認可的分析方程(^Adiffusiontheorymodelofspatiallyresolved, steady-statediffuse reflectanc eforthenoninvasivedeterminationoftissueopticalpropertiesin vivo", MedicalPhysicsl9 (4), 879-888)。該模型假定光可以被建模為好像從點源(位于樣品表面下方的一個平均自由程(mfp)的位置)漫射。為了考慮組織表面，附加的邊界條件假定負點源位于樣品表面上方7mfp的位置。并且盡管該模型基于點照明和點檢測，但也有可能對任何形狀的光源和檢測器卷積該表達式。
[0038]除了空間解析漫反射的測量以外，一種用來測量組織的漫射光學特性的替代方法涉及在空間或時間上調(diào)節(jié)照明。因為到達檢測器的光量取決于組織的照明和光學特性，所以空間調(diào)節(jié)(例如使用空間模式照明)可作為光學斷層成像裝置的一部分用來測量光學特性。使用空間模式可通過觀察檢測器130或OCT檢測器140來改善樣品80的成像效果。
[0039]時間調(diào)節(jié)(例如使用斬波器或脈沖光源)創(chuàng)建一種調(diào)節(jié)的漫射方式使得其通過樣品在光子密度波中傳播。這些光子密度波(與照明的那些相關(guān))的振幅和相位擴散通過樣品并且包含與其光學特性相關(guān)的信息。因此，照明的空間或時間頻率掃描創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)集，從該數(shù)據(jù)集有可能確定光學特性。
[0040]擴散理論在靠近光源、檢測器和邊界的地方是不成立的。如果光源-檢測器距離很小，也會出現(xiàn)這些情況，并且收集到的光在避開樣品之前散射得不多。在這些情況下，我們可以使用如MonteCarlo (MC)模擬法(用于為如散射步長和方向建立模型的普遍方法)數(shù)值地建立光在組織中傳播的模型。MC將光模型化成電力傳輸，將光分割成“光子”(很小的能量粒子)并使用隨機數(shù)生成器來確定這些光子如何在介質(zhì)中傳播(例如散射和吸收)。MC程序(如Wang，Jacques和Zhengl995年提出的MCML (“MCML-光在多層組織中傳播的MonteCarlo建模”，計算機方法和程序生物醫(yī)學47 (2) 131-146)中模型化的最常見的隨機事件是散射事件與新光子軌道之間的距離。因為MC方法在控制樣品的幾何形狀、照明/收集等方面的內(nèi)在靈活性，所以MC方法已經(jīng)取代了光在組織中傳播的很多分析模型。
[0041]在本發(fā)明的某些實施例中，基于MonteCarlo的方法可用來確定光學特性。在這些情況下，光源-檢測器的距離(至少部分)是小的。一個例子是寬場照明和相機成像配置。在此，寬照明光束可細分成無窮小的“筆形光束”的二維陣列。相對于檢測陣列像素(相機所覆蓋的區(qū)域)，有些照明筆形光束足夠遠，所以收集到的光是擴散的，有些不是。當甚至部分光學幾何形狀包含小的光源-檢測器距離時，這些情況需要進行MC建模和反向MC分析。
[0042]反向MC分析涉及到前推MC模擬來繪出實驗輸出數(shù)據(jù)將如何根據(jù)幾個變量而變化。該繪圖可用多種方式進行。一種這樣的繪圖方法是數(shù)值式的，也就是說，創(chuàng)建連接輸入?yún)?shù)值和輸出參數(shù)值的坐標方格，并在坐標方格的范圍內(nèi)插入實驗結(jié)果。進行繪圖的另一種方法是通過將輸出數(shù)據(jù)描述為輸入?yún)?shù)的函數(shù)解析地使用分析回歸。兩種方法的共同點在于使用正向模擬來解決反向問題。已經(jīng)使用反向MC分析等來測量漫反射(和透射)測量中的光學特性(μ/，μ3)以及從OCT和CLSM數(shù)據(jù)的深度掃描測量光學特性(μ s，g)。
[0043]如圖2B所示，OCT系統(tǒng)100可包含觀察分束器120，觀察分束器120將不干擾OCT參考的樣品反射分離成通過不同的濾光器131、136并被至少兩個對應的觀察檢測器130、135檢測的至少兩個光束，從而比較樣品反射的過濾參數(shù)?？蛇x擇濾光器131、136來增強樣品圖像的指定特征并允許對其做進一步的處理。
[0044]圖2B進一步圖示了使用色散元件60掃描波長范圍從而生成一系列的單色光束。該系列光束可由信號處理單元106使用來提取關(guān)于樣品80的深度信息，原因是來自不同波長的光束的干涉圖樣生成關(guān)于樣品不同深度處的不同樣品層的信息。這樣，三維OCT成像可由二維傳感器陣列產(chǎn)生(或者二維圖像可由一維陣列產(chǎn)生)。掃描可關(guān)于時域或頻域進行，并且還可被實現(xiàn) 在光束或參照光束中(例如，在可用于相位移動干涉儀測量的OCT配置中，作為參照臂中的相位調(diào)制器來提供延遲而不是物理掃描的濾光器86)。
[0045]如圖2C所不，OCT系統(tǒng)100可包含被布置用于使用樣品光束掃描樣品80的掃描濾光器62。此外，OCT系統(tǒng)100可包含測量分束器150，測量分束器150將測量光束分離成通過不同的濾光器141、146并由至少兩個對應的OCT檢測器陣列140、145檢測的至少兩束光，從而比較干涉圖樣的過濾參數(shù)?？蛇x擇濾光器141、146以增強干涉圖樣的指定特征并允許對其做進一步的處理，例如對偏振靈敏的0CT。
[0046]如圖2D所不,干涉儀72可被配置為Mach-Zehnder干涉儀,使用由分束器160分尚的光束作為參照光束。來自分束器160的光隨后通過兩個反射鏡161、162和透鏡163、164用作進入分束器70的反射參照光束。在反射鏡161和162之間的透鏡用于路徑長度和群速度色散補償。
[0047]圖2B-圖2D進一步圖示了使用單個或多個檢測器，很可能帶有放置在緊挨照明之后和緊挨檢測器(觀察檢測器130和/或OCT檢測器140)之前的濾光器套件組合，該濾光器套件組合使得能夠進行多光譜成像、偏振光成像、熒光成像等等。這樣的配置允許通過信號處理單元106分別從樣品光束和測量光束中導出進一步的樣品數(shù)據(jù)和OCT數(shù)據(jù)。例如，使用偏振濾光器允許測量偏振特性(即雙折射率)并且可允許另外分析單散射光。通過雙折射樣品的不同光束之間的相位延遲可使用對偏振靈敏的OCT或本發(fā)明所實現(xiàn)的其他形式偏振光成像進行測量。
[0048]因為大多數(shù)成像模式是基于擴散光，所以能明確分離^和8的光學測量方法并不多。散射各向異性的效果可以主要在多散射區(qū)域中感覺到，因此我們必須使用收集這種光的方法，即低相干干涉儀(和OCT)或CLSM。在此，我們需要查看單一 A-掃描中所發(fā)現(xiàn)的反射光的深度剖面，并將該A-掃描擬合到理論模型中，如由Levitz, Hinds,Choudhury, Tran, Hanson,和 Jacques 于 2010 年提出的(^Quantitativecharacterizationofdeveloping collagengelsusingopticalcoherencetomographyJournalofbiomedicaI opticsl5 (2), 026019) 0理論模型將樣品的光學特性與指定的系統(tǒng)配置(照明/檢測)的測量信號相關(guān)聯(lián)。存在幾種這樣的理論模型，基于不同的近似(如輻射傳播方程的廣義的Huygens-Fresnel或小角度近似)或方法(如反向MonteCarlo法)。
[0049]與漫射光測量(其中，光可穿入沒有橫向邊界的組織數(shù)厘米)相反，在LCI/0CT數(shù)據(jù)(低相干干涉儀的LCI較短)中，在特定體積上測量樣品的光學特性。也就是說，A-掃描(或指定區(qū)域的代表性A-掃描)在橫向和軸向方向都被截短。而且，A-掃描中的每個像素代表光學特性的唯一測量值，并且總體而言代表性的A-掃描是可以擬合到理論模型的數(shù)據(jù)集。相干門(或共焦門)限制了產(chǎn)生基于空間和時間的信號的光。因為光還未擴散，各向異性的效果和信號特征(如衰減率和反射率)的散射系數(shù)是不同的，并且因此可分離兩者。
[0050]使用OCT測量光學特性要求記錄不同的系統(tǒng)參數(shù)。例如，只有當兩個干涉儀臂之間的路徑長度恰好彼此匹配在幾微米內(nèi)(如小于光源的時間相干長度)時才會產(chǎn)生OCT信號。為維持軸向分辨率(用于測量光學特性的各種理論模型中的因數(shù))，群速色散也需要匹配。此外，兩只臂的偏振需要匹配才能生成干涉圖樣。在時域OCT系統(tǒng)中(其中參照臂路徑長度隨時間改變)，在檢測器中測量的信號必須經(jīng)過電子過濾，解調(diào)和求平方，以便達到強度密度值即熟知為OCT信號。在頻域OCT系統(tǒng)(其中參照臂為固定的，并且點檢測器被替換成色散元件和線性檢測器陣列)中，利用傅立葉逆轉(zhuǎn)換將光譜干涉圖轉(zhuǎn)換成時間延遲干涉圖，此后信號被解調(diào)和求平方 。對于掃描源OCT而言，這同樣適用，在掃描源OCT中，照明(和因此的檢測)隨時間進行調(diào)整，但使用點檢測器。注意頻域和掃描源OCT數(shù)據(jù)都具有鏡像假影和DC假影，兩者都需要在根據(jù)數(shù)據(jù)測量光學特性前去掉。
[0051]測量和表征單散射光的方法有很多。最常用的方法是將0CT/CLSM中A-掃描的表面信號擬合到單散射模型中，在這個模型中，信號隨著深度ζ呈指數(shù)衰減，這樣I=exp(-2ysz)。注意這個關(guān)系忽略了散焦的影響。然而，由于一些原因，這個方法并不是描繪單散射光特征的最優(yōu)方法。原因之一在于對于最大光學深度(μ sz)的限制模糊，因此單散射模型不再是光傳播的適當估計方法。此外，為了確定哪些像素落在模型的深度范圍內(nèi)，我們需要擬合數(shù)據(jù)，因此組織的測量特性取決于測量的方式。
[0052]另外一種方法使用光的偏振性質(zhì)。Jacques, Ramella-Roman和Lee于2002年白勺早期研究(“Imagingskinpathologywithpolarizedlight，，,生物醫(yī)學光學日報，7 (3),329-340)已經(jīng)表明單散射光仍保留有大部分的偏振。如果利用線性偏振光來實現(xiàn)組織成像，并進行對偏振靈敏的檢測(其分別檢測平行和垂直于輸入偏振而偏振的光)，有可能將兩種偏振的信號近似為PAR=單散射+ (1/2)漫射光和PER= (1/2)漫射光，其中PAR和PER代表的是平行和垂直于照明偏振的偏振。單散射光則可以從兩個偏振信號的差異確定。
[0053]盡管在標準的明場成像(或顯微鏡)中完成了初始工作，但是即使在添加的共交門和相干門限制中單散射光仍保留其偏振。因此，可以采用相干門或共交門的光的對偏振靈敏的檢測來確定光的單散射分量。[0054]一般來說，可認為渾濁介質(zhì)中的光學測量M由四個部分構(gòu)成:源函數(shù)S、傳遞函數(shù)T(取決于光學特性)、收集幾何形狀G和檢測器函數(shù)D，所以M=STCD。
[0055]對于具有已知的光學特性的標準樣品進行的類似測量Mstd可描述為:Mstd=STstdGstdD。在本發(fā)明的上下文中，傳遞函數(shù)T和Tstd是基本的反射率值，可以通過實驗進行表征，并且已經(jīng)存在具有均勻的反射率的各種標準(如spectralon)。而且，因為經(jīng)不同測量后確定的源函數(shù)和檢測器函數(shù)為常數(shù)函數(shù)，兩個測量值的比值得到傳遞函數(shù)和度量常數(shù) GG，即 M/Mstd= (T/Rstd) * (G/Gstd) =GG*T/Rstd，在這里 GG 代表的是等于(G/Gstd)的集總參數(shù)。因此，兩個測量值的比值(測試樣品的測量值比已知參照的測量值)使得能夠使用描述光在樣品中傳播的模型表征樣品，以進行目標測量。注意該方程對漫射測量和多散射測量有效。在測量光學特性時，有必要選擇T的正確表達式，因為這決定了測量的準確性。有一些可用于漫射和多散射區(qū)域的模型。
[0056]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的與計算裝置40如智能手機或平板電腦相關(guān)聯(lián)的OCT系統(tǒng)100的高級示意圖。例如，光源90、干涉儀72和OCT檢測器陣列140可被包在外殼101 (可操作地與計算裝置40附接)中，并且信號處理單元106可在計算裝置40中實現(xiàn)。觀察檢測器陣列130可以或者是獨立的檢測器陣列，或者可以是計算裝置40的照相機41。外殼101與計算裝置40的可操作附接可通過物理接觸或附接進行，或者通過將外殼101拴在計算裝置40 (通過電線42或無線)上進行。在實施例中，信號處理單元106可在云服務器中實現(xiàn)。
[0057]圖4A-圖4C是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的使用光纖實現(xiàn)的OCT系統(tǒng)100的高級不意圖。圖4A不出了使用光纖91實現(xiàn)的OCT系統(tǒng)100,光纖91引導光束在光學兀件之間及到達和離開樣品80、反射鏡85和檢測器130、135、140等。圖2A-圖2D所示的所有光學元件可通過與光纖91耦合的對應元件實現(xiàn)。例如，圖4A大致與圖2B相似，并且進一步展示了使光束偏振從而允許進行樣品光束和測量光束的偏振測量的光纖偏振器63，以及被布置用于使用樣品光束掃描樣品80的掃描濾光器62。在另一個例子中，圖4B展示了帶有分束器160和透鏡163、164 (需要它們用于色散匹配)的Mach-Zehnder干涉儀的實現(xiàn)方式。光源90可包含可調(diào)諧光源。
[0058]圖4C示出了使用光纖束92實現(xiàn)的OCT系統(tǒng)100，光纖束92引導每種多個光束進而允許測量作為成像裝置的一部分的平行的多個橫向位置中的OCT數(shù)據(jù)，這與全場OCT類似。對應地選擇光學元件，例如，圖4C與圖2B大致相似?？蛇x擇光纖91和光纖束92以保持偏振。
[0059]可配置光束來激勵樣品85中的熒光顏料，并且觀察檢測器陣列130可被布置用于檢測熒光性。進而可配置信號處理單元106將熒光顏料直接定位在多光譜數(shù)據(jù)中，并顯示對應的組合圖像。在其中亞像素對不同的波長范圍敏感的像素化的陣列檢測器(例如RGB照相機)的情況下，更大波長處的亞像素可被布置用于測量熒光數(shù)據(jù)。
[0060]在實施例中，光束可被圖案化，而圖案可用于改進不同成像模式中的數(shù)據(jù)?？蓮臅r間上調(diào)制光束來利用時間數(shù)據(jù)用于提高測量的信噪比(通過如允許電子過濾不同成像模式中的被檢測信號)并使得能夠測量光學特性。
[0061]在實施例中，本發(fā)明可被實現(xiàn)以獲得點、一維或者二維的測量結(jié)果，并根據(jù)給定的算法將這些測量結(jié)果組合起來。因而本發(fā)明可被實現(xiàn)在掃描配置或非掃描配置中。[0062]明確而言，OCT系統(tǒng)100可被構(gòu)造成包含來自不同附圖的元件，例如，帶有分離測量光束以及Mach-Zehnder干涉儀的光纖束實現(xiàn)方式,帶有分離測量光束的光纖實現(xiàn)方式，帶有共光路OCT和色散元件60的光纖實現(xiàn)方式等等。
[0063]圖5A和圖5B是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的OCT方法200的高級示意流程圖。圖5A涉及OCT相關(guān)階段，而圖5B涉及與多模式圖像捕捉相關(guān)的階段的增強方法200.[0064]OCT方法200包含照明樣品并將從樣品反射出的光收集到多模式成像系統(tǒng)中(階段205)。反射的光隨后可被分離成干涉(OCT)軌道(如圖5A所示)和基于其他模式的非干涉性軌道(如圖5B所示)。OCT軌道開始于:通過使用參照光束干涉來自樣品的反射從而生成干涉圖樣(階段210)，基于不同的濾光器裝置將OCT光分離成不同的檢測方案(階段212)并在它們之間進行比較(階段213)，生成樣品OCT圖像(階段225A)，以及通過OCT檢測器陣列根據(jù)OCT數(shù)據(jù)測量光學特性(階段226A)。
[0065]非OCT軌道開始于:通過將樣品反射投射在觀察檢測器陣列上(階段220)，基于不同濾光器裝置將非OCT光分離成不同的檢測方案(階段222)并在它們之間進行比較(階段223)，生成樣品圖像(階段225B)，以及通過觀察檢測器陣列根據(jù)非OCT數(shù)據(jù)測量光學特性(階段226B)，以及最終將生成的OCT數(shù)據(jù)與樣品圖像關(guān)聯(lián)和共配準(階段230)。
[0066]同時和非破壞性地進行光學散射特性的測量(階段226A、226B)。
[0067]在實施例中，由Michelson干涉儀、或Mach-Zehnder干涉儀或其他類型的干涉儀進行干擾(階段210)
[0068]在實施例中，照明樣品和收集其反射的光(階段205)包含生成深度剖面，以及根據(jù)需要執(zhí)行不同的信號處理(包括傅里葉逆變換和Hilbert轉(zhuǎn)換)步驟，從而限定樣品中的深度范圍(階段206)，其中，生成深度剖面通過在參照臂中引入路徑長度延遲(時域0CT)或根據(jù)通過掃描干涉儀的波長范圍(掃描源0CT)或通過包括色散元件和對光譜靈敏的檢測(頻譜域0CT)而產(chǎn)生的多個單色干涉圖樣。對時域和掃描源配置而言，這可以在點、線、或面測量中完成；對于頻譜域配置而言，這可以在點或線測量中完成。
[0069]在實施例中，OCT方法200進一步包含將投射的樣品反射分離成由至少兩個對應的觀察檢測器陣列所檢測的至少兩個經(jīng)不同過濾的光束(階段222)，從而比較樣品反射的過濾參數(shù)(階段223)。
[0070]在實施例中，OCT方法200進一步包含將干涉的樣品反射和參照光束分離成由至少兩個對應的OCT檢測器陣列所檢測的至少兩個經(jīng)不同過濾的光束(階段212)，從而比較OCT數(shù)據(jù)的過濾參數(shù)(階段213)。
[0071]在實施例中，OCT方法200進一步包含通過與計算裝置直接或間接相連的計算裝置照相機捕捉樣品圖像(階段224)，并利用計算裝置處理器或云服務器進行OCT數(shù)據(jù)的測量(階段231)及其與樣品圖像的關(guān)聯(lián)(階段230)。在云服務器的情況下，方法200進一步包含從云服務器接收圖像和數(shù)據(jù)和將圖像和數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器，并在云服務器上進行處理。
[0072]本發(fā)明人衷心感謝由國際教育協(xié)會管理的惠特克國際項目(WhitakerInternationalProgram)對上述公開的發(fā)明的研究的支持。
[0073]在以上描述中，實施例是指本發(fā)明的實例或?qū)崿F(xiàn)方式?！耙粋€實施例”、“實施例”或者“一些實施例”的不同出現(xiàn)形式并不一定全部指代同樣的實施例。[0074]盡管可在單一實施例中描述本發(fā)明的各種特征，但也可以單獨或任何合適的組合的形式提供這些特征。相反，盡管為了清楚起見，在這里可以在各個單獨的實施例中描述本發(fā)明，但本發(fā)明也可實現(xiàn)在單一實施例中。
[0075]本發(fā)明的實施例可包括來自上述公開的不同實施例中的特征，并且實施例可包括來自上述公開的其他實施例的元件。在特定的實施例中公開本發(fā)明的元件并不意味著單獨將它們的應用限制在特定的實施例中。
[0076]進一步地，應當明白可以不同的方式實施或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明，并且本發(fā)明可以實現(xiàn)在除了上述說明中列舉出的以外的實施例中。
[0077]本發(fā)明不限于那些圖表或?qū)拿枋?。例如，流程不需要移動通過每個示出的方框或狀態(tài)，或者是準確按照與顯示或描述相同的順序。
[0078]本文中用到的技術(shù)和科學詞匯的意思是本領域中普通技術(shù)人員所通常理解的意思，除非有特別的定義。
[0079]雖然已關(guān)于有限數(shù)目的實施例描述了本發(fā)明，但這些不應被解釋為對本發(fā)明的范圍的限制，而是作為一些優(yōu)選實施例的例證。其它可能的改變、改進和應用也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種光學相干斷層成像OCT系統(tǒng),包括: 光源，其被布置為產(chǎn)生光線束， 干涉儀，其被配置為從所述光線束產(chǎn)生參照光束和針對樣品的樣品光束，并被配置為將所述樣品光束的樣品反射和所述參照光束的參照反射疊加以生成測量光束， 成像單元，其包括觀察檢測器、信號處理單元和被布置為從所述測量光束導出OCT數(shù)據(jù)的OCT檢測器，以及 分束器，其被 配置為通過濾光器將所述樣品反射投射到所述觀察檢測器上以產(chǎn)生樣品圖像， 其中，所述信號處理單元被布置為將所述OCT數(shù)據(jù)和所述樣品圖像相關(guān)聯(lián)以便生成所述樣品的多模式測量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，其中，所述觀察檢測器是觀察檢測器陣列，并且所述OCT檢測器是OCT檢測器陣列，并且所述信號處理單元被布置用于生成所述樣品的多模式圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，其中，所述觀察檢測器被布置用于測量光學散射參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，其中，所述干涉儀被配置為共光路干涉儀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，其中，入射到所述樣品上的所述光線束是準直的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，其中，所述干涉儀被配置為使用從所述光線束分離出的光作為所述參照光束的Mach-Zehnder干涉儀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，還包括波長范圍掃描色散元件，所述波長范圍掃描色散元件被配置為色散所述光線束從而生成單色測量光束，其中，所述信號處理單元還被布置為通過整合來自所述波長范圍的單色測量光束的OCT數(shù)據(jù)導出深度解析的OCT數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，還包含波長范圍掃描色散元件，所述波長范圍掃描色散元件被配置為色散所述測量光束從而產(chǎn)生所述測量光束的波長分離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，其中，投射的樣品反射被分離成至少兩個光束，所述至少兩個光束通過不同濾光器并由至少兩個對應的觀察檢測器檢測，從而比較所述樣品反射的過濾參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，其中，所述測量光束被分離成至少兩個光束，所述至少兩個光束通過不同濾光器并由至少兩個對應的OCT檢測器檢測，從而比較與所述測量光束的過濾參數(shù)有關(guān)的OCT數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，還包含光纖或光纖束，所述光纖或光纖束被布置為引導所述光線束、所述樣品光束以及其反射、所述參照光束及其反射和所述測量光束。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，其中，所述光源、所述干涉儀和所述OCT檢測器被包在外殼中，所述外殼可操作來附接到計算裝置，并且所述信號處理單元在所述計算裝置中實現(xiàn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OCT系統(tǒng)，其中，所述觀察檢測器是計算裝置照相機。
14.一種光學相干斷層成像OCT方法,包括: 通過使用參照光束干涉來自樣品的反射，測量OCT數(shù)據(jù)， 將所述樣品反射投射到觀察檢測器上從而生成樣品圖像，及將所生成的OCT數(shù)據(jù)和所述樣品圖像相關(guān)聯(lián)和共配準。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的OCT方法，還包括使得能夠通過所述觀察檢測器測量光學散射參數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的OCT方法，其中，所述干涉是由Michelson干涉儀或Mach-Zehnder干涉儀進行的。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的OCT方法，其中，測量OCT數(shù)據(jù)包括從多個單色圖像生成圖像，從而確定所述樣品中的深度，所述多個單色圖像由以下中的至少一項生成:時域、頻譜域、或者掃描源OCT獲取模式。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的OCT方法，還包括將投射的樣品反射分離成至少兩個經(jīng)不同過濾的光束，該至少兩個經(jīng)不同過濾的光束由至少兩個對應的觀察檢測器檢測，從而比較所述樣品反射的過濾參數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的OCT方法，還包括將所述干涉的樣品反射和參照光束分離成至少兩個經(jīng)不同過濾的光束，該至少兩個經(jīng)不同過濾的光束由至少兩個對應的OCT檢測器檢測，從而比較所述OCT數(shù)據(jù)的過濾參數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的OCT方法，還包括由計算裝置照相機捕捉所述樣品圖像，并利用計算裝置處理器進行所述OCT數(shù)據(jù)的測量及其與所述樣品圖像的關(guān)聯(lián)。
【文檔編號】G01N21/00GK103959040SQ201280051286
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月21日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·列維茨 申請人:摩巴爾歐西提有限責任公司