基于光纤扫描的光声-OCT双模态内窥成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤扫描的光声

【技术实现步骤摘要】
基于光纤扫描的光声
‑
OCT双模态内窥成像系统及方法


[0001]本专利技术属于内窥成像的
，具体涉及一种基于光纤扫描的光声
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OCT双模态内窥成像系统及方法。

技术介绍

[0002]光声成像技术是一种新兴的多物理场耦合的成像技术，它以生物组织的光声效应为物理基础，利用短脉冲激光从管腔内照射管壁组织，组织吸收光能以后受热膨胀产生超声波(即光声信号)。探测器接收携带组织光学特性信息的超声波，转化成电信号，并传送至计算机，反演重建出管臂横断面上的光吸收分布图，进而定量分析不同成分组织的光学特性参数(主要是光吸收系数和散射系数)。光声成像技术结合了光学成像技术的高对比度和超声成像技术的高穿透深度等优点，具有较高的光吸收对比度以及超声检测分辨率，为一些早期病变诊断提供更加准确可靠的参考信息。但该成像技术不足的是会丢失一些弱吸收的组织信息，而且由于生物组织声速的限制，其纵向分辨率不如OCT成像技术。
[0003]光学相干层析成像(OCT)技术：光学相干层析成像技术(OCT)是一种新兴的生物医学技术。它的原理类似于超声成像，不同之处是它利用的是光，而不是声波。首先由宽带光源发出光束，经过光纤耦合器进行分光，一束光进入参考臂后被臂端的反射镜反射形成参考光返回到光纤耦合器，另一束光进入样品臂在样品不同深度层反射回形成样品光，参考光和样品光在光纤耦合器发生干涉，由光栅分光将不同波长的干涉光谱信号在空间上分开，再由线阵CCD将光信号转换为电信号，最后通过将光谱仪采集得到的干涉光谱信号进行傅里叶变换得到样品的深度信息即内部的结构信息。该技术能够以微米级的分辨率观察和分析生物体的结构变化。然而OCT信号受光的散射影响较大，穿透深度有限，不能识别到管壁组织的深层信号。
[0004]光声
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OCT双模态内窥成像技术将两种成像方法结合起来，有效的克服了单一模式成像的不足，充分发挥各成像模态的优势，可对管腔组织进行高精度和高对比度的成像，并对其功能成分进行定性和定量的评价。
[0005]在生物科学的研究中，现实对生物体内进行内窥成像技术提出了很高的要求，尤其是对于较小型化和较稳定扫描的内窥探头。
[0006]目前，通过旋转带侧向反射光学元件的微型内窥探头就可以实现最简单的径向内窥断层成像。而后通过使用光学组件的近端拉回扫描螺旋图案的方式来获取三维(3D)数据。然而，由于某些实验条件的限制比如动物的呼吸、探头的回撤扫描最终都会导致成像目标在体成像过程中的轻微运动进而导致图像整合变形或失败，减小了图像的有效尺寸。
[0007]通过近端光滑环带动远端在体内窥镜探头实现旋转扫描也会增加对管腔组织的侵入性，从而导致图像拼接失败、组织损伤以及图像失真。如若使用内窥胶囊内的微型电机带动反射镜的方式实现旋转扫描的话，在封装结构上又会占据内窥镜的大部分空间，限于现有技术和手段难以实现内窥镜探头的微型化设计。
[0008]而且基于微电机的远端扫描内窥镜造价成本高昂且通常很脆弱，尤其是对可磁化
材料以及外部磁场高度敏感的交流微电机。该类电机在扫描过程中不稳定，成像系统难以获得良好的高质量的三维成像结果，特别是在长探头的内窥应用中。另外电磁辐射会对人体的细胞及体液内环境产生影响，危害人体的健康。对于利用微型中空超声马达带动前端光纤透镜进行径向扫描的方法也是难以更为快速稳定的实时扫描成像。
[0009]近年来，通过将光纤与具有振动特性的压电器件整合，实现光纤的振动扫描是光纤应用的一个重要突破。比如最常见的前向光纤扫描型内窥镜装置，是通过对压电陶瓷管驱动进行二维振动以能够摆动的方式使支承的光纤进行振动驱动，从而使从光纤的出射端射出的照明光经过成像透镜在被观察物上进行扫描，并通过固定在内窥镜外围的光纤束接收反射光并进行提取重构成图像。这不可避免地增加了内窥镜的直径，难以降低内窥镜尺寸。
[0010]在以往前向内窥镜中已知的光纤扫描器使用的管状致动器，该致动器由锆钛酸铅(PZT)构成，将光纤保持成单支撑梁状。在对致动器施加交变电压时，致动器沿光纤的长度方向进行伸缩振动，由此对光纤激励弯曲振动。因此，能够使作为自由端的光纤的末端振动，并扫描从该末端射出的光。

技术实现思路

[0011]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于光纤扫描的光声
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OCT双模态内窥成像系统及方法，该成像系统无需通过旋转探头或应用微型电机、亦或利用MEMS带动反射镜进行侧向光束的偏转扫描即可实现侧向360
°
扫描的光声
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OCT双模态快速成像，同时获得生物体内管腔组织的多尺度的结构信息与多参量生理功能信息，提高病变的检测精度。
[0012]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0013]本专利技术提供了一种基于光纤扫描的光声
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OCT双模态内窥成像系统，包括光学相干层析成像OCT系统、光声信号激发系统、微型内窥探头扫描装置、回撤控制系统和计算机处理系统；
[0014]所述光学相干层析成像OCT系统包括SLD宽带光源、宽带光纤耦合器、参考臂、样品臂和光谱仪；所述SLD宽带光源用于产生低相干光；所述低相干光由宽带光纤耦合器分束为参考光和OCT信号激发光；所述参考光进入参考臂并沿原路返回，所述OCT信号激发光输入样品臂并经样品臂上的波分复用器进入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品，返回的后向散射光与沿原路返回的参考光在宽带光纤耦合器发生干涉，并由光谱仪采集转化为OCT干涉光谱信号，传输至计算机处理系统；
[0015]所述光声信号激发系统包括脉冲激光器、光束整形器和光纤合束器；所述脉冲激光器用于产生激发光声信号的脉冲光；所述激发光声信号的脉冲光由光束整形器和光纤合束器整形和合束后经样品臂上的波分复用器输入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品；
[0016]所述微型内窥探头扫描装置包括GRIN光纤、抛物面反射镜、PZT驱动管以及多元环形超声换能器；所述GRIN光纤用于传输输入的激发光声信号的脉冲光、OCT信号激发光；所述抛物面反射镜用于使从GRIN光纤出射的光在曲率较低的镜面上侧向反射同时确保光束反射后最大程度上引入较小的像差，并使光焦点以合适的角度恰好落在多元环形换能器上方附近，进而获得高分辨率的光声
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OCT双模态图像；所述PZT驱动管带有
±
X、
±
Y两电极，用
于带动GRIN光纤悬臂进行二维谐振，实现环形扫描；所述多元环形超声换能器用于采集从生物样品反射的光声信号并将其转换为光声
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电信号；
[0017]所述回撤控制系统包括轴向步进电机和平移平台；所述平移平台上固定有微型内窥探头扫描装置；所述轴向步进电机用于驱动平移平台，实现对待测样品的不同位置进行成像信号激发与采集；
[0018]所述计算机处理系统包括信号放大器、高速采集卡和计算机；所述信号放大器用于放大由多元环形超声换能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光纤扫描的光声
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OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，包括光学相干层析成像OCT系统、光声信号激发系统、微型内窥探头扫描装置、回撤控制系统和计算机处理系统；所述光学相干层析成像OCT系统包括SLD宽带光源、宽带光纤耦合器、参考臂、样品臂和光谱仪；所述SLD宽带光源用于产生低相干光；所述低相干光由宽带光纤耦合器分束为参考光和OCT信号激发光；所述参考光进入参考臂并沿原路返回，所述OCT信号激发光输入样品臂并经样品臂上的波分复用器进入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品，返回的后向散射光与沿原路返回的参考光在宽带光纤耦合器发生干涉，并由光谱仪采集转化为OCT干涉光谱信号，传输至计算机处理系统；所述光声信号激发系统包括脉冲激光器、光束整形器和光纤合束器；所述脉冲激光器用于产生激发光声信号的脉冲光；所述激发光声信号的脉冲光由光束整形器和光纤合束器整形和合束后经样品臂上的波分复用器输入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品；所述微型内窥探头扫描装置包括GRIN光纤、抛物面反射镜、PZT驱动管以及多元环形超声换能器；所述GRIN光纤用于传输输入的激发光声信号的脉冲光、OCT信号激发光；所述抛物面反射镜用于使从GRIN光纤出射的光在曲率较低的镜面上侧向反射同时确保光束反射后最大程度上引入较小的像差，并使光焦点以合适的角度恰好落在多元环形换能器上方附近，进而获得高分辨率的光声
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OCT双模态图像；所述PZT驱动管带有
±
X、
±
Y两电极，用于带动GRIN光纤悬臂进行二维谐振，实现环形扫描；所述多元环形超声换能器用于采集从生物样品反射的光声信号并将其转换为光声
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电信号；所述回撤控制系统包括轴向步进电机和平移平台；所述平移平台上固定有微型内窥探头扫描装置；所述轴向步进电机用于驱动平移平台，实现对待测样品的不同位置进行成像信号激发与采集；所述计算机处理系统包括信号放大器、高速采集卡和计算机；所述信号放大器用于放大由多元环形超声换能器转换的光声
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电信号；所述高速采集卡用于将OCT干涉光谱信号和光声
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电信号采集传输至计算机；所述函数发生器用于控制PZT驱动管带有的
±
X、
±
Y两电极的扫描周期以实现二维谐振和环形扫描；所述计算机用于将高速采集卡采集的OCT干涉光谱信号和光声
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电信号重建为待测样品的内窥OCT图像和光声图像，并通过指令控制回撤控制系统。2.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声
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OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，在光学相干层析成像OCT系统中，所述宽带光纤耦合器分别与SLD宽带光源、参考臂、样品臂和光谱仪相连；所述宽带光纤耦合器与SLD宽带光源间还设置有只允许光单向通过的法拉第隔离器。3.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声
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OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，所述参考臂包括第一偏振控制器、第一光纤准直镜、聚焦透镜和平面反射镜；从宽带光纤耦合器出射的参考光依次经过参考臂的第一偏振控制器、第一光纤准直镜和聚焦透镜，到达平面反射镜后被反射，沿原路返回。4.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声
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OCT双模态内窥成像系统，其特征在于，所述样品臂包括第二偏振控制器和波分复用器；从宽带光纤耦合器出射的OCT信号激发光依次经过样品臂的第二偏振控制器和波分复用器输入微型内窥探头扫描装置后照射待测样品；返回的后向散射光依次经过样品臂的波分复用器和偏振控制器b回到宽带光纤耦合
器。5.根据权利要求1所述的基于光纤扫描的光声
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OCT双模态内窥成像系...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨思华，张希豪，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：