基于微透镜阵列的多光束光学相干的弹性测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统及方法，采用角膜定位子系统对角膜的激励和测量位置进行定位、采用角膜激励子系统使角膜产生微量的机械波和形变，通过OCT探测子系统对各采样点的机械波和形变进行高精度探测，实现角膜弹性参数的快速测量。所述OCT探测子系统包括宽光谱光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器组、样品臂、参考臂组以及光谱探测器组，样品臂的每一条光路均设置有相互配合的准直镜和柱镜，各光路在角膜前的位置还设置有微透镜阵列。本发明专利技术专利采用微阵列透镜作为关键光学元件，无需如传统OCE一样采用振镜扫描的方式，也无需旋转样品臂，即可同时测量单次载荷激励下样品激励点周围多方向、多位置的弹性响应。

Elastic measurement system and method of multi-beam optical coherence based on microlens array

The present invention provides a multi-beam optical coherence elasticity measurement system and method based on microlens array. Corneal positioning subsystem is used to locate the excitation and measurement position of cornea, corneal excitation subsystem is used to generate micro-mechanical wave and deformation of cornea, and the mechanical wave and deformation of each sampling point are detected by OCT detection subsystem with high precision to realize corneal elasticity parameters. Fast measurement. The OCT detection subsystem includes a broad spectrum light source, a first optical fiber coupler, a second optical fiber coupler group, a sample arm, a reference arm group and a spectrum detector group. Each optical path of the sample arm is provided with a collimating lens and a columnar lens, and the positions of each optical path in front of the cornea are also provided with a microlens array. The patent of the invention uses microarray lens as the key optical element, and can simultaneously measure the elastic response of multi-direction and multi-position around the sample excitation point under a single load excitation without using galvanometer scanning as the traditional OCE and without rotating the sample arm.

【技术实现步骤摘要】
基于微透镜阵列的多光束光学相干的弹性测量系统及方法
本专利技术专利涉及到生物医学弹性成像领域，尤其涉及基于微透镜阵列的多光束光学相干在体角膜弹性测量系统及方法。
技术介绍
人眼角膜是人眼主要的屈光介质，角膜的弹性力学特征对维持角膜的正常结构和功能具有重要作用、是研究角膜的生理和病理特性的重要基础。角膜疾病(例如圆锥角膜、角膜膨隆)及角膜手术(角膜屈光手术、紫外线交联术CXL等)会引起角膜弹性力学特征的改变。常规的临床检测方法依据角膜形态(地形图、厚度、曲率等)和眼压参数进行诊断；尽管对角膜疾病的检出率已经很高，但仍有部分角膜疾病被漏诊。而角膜结构的微小变化可引起弹性力学特征的明显改变，因此针对角膜弹性力学特征的量化研究在角膜疾病的诊断与治疗上具有重要意义。为了实现临床上角膜弹性力学特征的量化，研发非接触式、在体的人眼角膜弹性成像测量技术已成为眼科和视觉科学研究的一大需求和热点。目前各种角膜的弹性测量技术仍不成熟，所测的角膜力学参数差别为几个量级。以兔子角膜的杨氏模量测量为例，其估算范围从大约1kPa(Thomasyetc.ActaBiomater10(2),785-791(2014))到大约11MPa(Wollensaketc.ActaOphthalmol87(1),48-51(2009))。Ruberti等提出了角膜弹性成像测量技术面临的若干个未解决问题(Openquestions)，其首要的三个问题为：“如何开发在体角膜弹性测量的新技术/仪器”、“如何区分在体角膜各区域的弹性力学特征”与“如何采用弹性成像测量的手段进行角膜手术的术前风险评估”(Rubertietc.AnnuRevBiomedEng13,269-295(2011))。在角膜的在体弹性测量方案中，各种弹性成像技术均有其技术瓶颈：或无法达到高测量分辨率要求(Voorheesetc.ExperimentalEyeResearch,160,85-95(2017))、或无法实现针对角膜病变区域的局部测量(Luceetc.JCataractRefractSurg31(1),156-162(2005)；Hongetc.IOVS54(1),659-665(2013))、或需要过长的测量时间(Scarcellietc.NatPhotonics2(1),39-43(2008)；Scarcellietc.IOVS53(1),185-190(2012))，难以达到角膜在体弹性测量的临床需求。目前角膜弹性参数量化研究所面临的一个重要科学问题是：如何更准确的量化在体人眼角膜的弹性力学特征，尤其是如何进行角膜局部区域弹性参数的高精度测量、实现临床上角膜病变或手术区域与正常区域的边界区分。这需要研究符合临床需求的角膜弹性测量的新方法，开发可实现在体人眼角膜局部区域和多方位弹性参数量化的高精度、快速测量技术。而在OCE技术中，目前尚难以采用“扫描探测式”OCE实现人眼角膜机械波传播的追踪和杨氏模量的准确在体测量。机械波传播速度约为几米/秒，而每个测量点均需要数毫秒至数十毫秒的时间来获得该点的“位移-时间”曲线。OCE难以通过单帧成像实现机械波在某个传播方向的追踪。此外，眼动对活体角膜机械波传播速度的测量引入很大的测量误差。以往的SD-OCT系统采取多次激励和多次探测的方法对样品和离体角膜各测量点的弹性响应进行拼接，从而实现对机械波传播速度的估算。但由于眼动的存在，该方法难以用于在体人眼角膜的弹性测量。高速扫频OCT(SweptsourceOCT)系统可提高采集速度，例如150万A-line/秒(Songetc.AppliedPhysicsLetters108(19)(2016).；Singhetc.Opt.Lett.40(11),2588-2591(2015).)。然而扫频OCT目前仍有较大的相位误差，需要采用额外的稳相技术来获得稳定的相位。此外，高速扫频OCT价钱昂贵，尚难以在临床上推广。线视场(Linefield)扫描的OCE方案(Liuetc.BiomedicalOpticsExpress7(8),3021-3031(2016).)虽然可以提高机械波的探测速度，但是由于它需要更强的光强信号，目前也尚未能成功应用于人眼角膜的测量之中。另外现有技术中也有一些能够提高采集速度的方案诸如(1)高速扫频OCT(SweptsourceOCT)系统可提高采集速度，例如150万A-line/秒(Songetc.AppliedPhysicsLetters108(19)(2016).；Singhetc.Opt.Lett.40(11),2588-2591(2015).)。然而扫频OCT目前仍有较大的相位误差，需要采用额外的稳相技术来获得稳定的相位。此外，高速扫频OCT价钱昂贵，尚难以在临床上推广。(2)使用线视场(Linefield)扫描的OCE方案(Liuetc.BiomedicalOpticsExpress7(8),3021-3031(2016).)虽然可以提高机械波的探测速度，但是由于它需要更强的光强信号，目前也尚未能成功应用于人眼角膜的测量之中。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题是：采用微阵列透镜作为关键光学元件，无需如传统OCE一样采用振镜扫描的方式，也无需旋转样品臂，即可同时测量单次载荷激励下样品(人眼角膜)激励点周围多方向、多位置的弹性响应，实现人眼角膜局部区域多弹性参数(硬度、固有频率、杨氏模量)和角膜各区域弹性参数分布(各向异性)的高精度、快速的在体测量。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一方面，提供了基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，包括OCT探测子系统、载荷激励子系统，所述OCT探测子系统包括宽光谱光源、第一光纤耦合器、多个光纤耦合器组成的光纤耦合器组、样品臂组、参考臂组以及光谱探测器组，其中所述宽光谱光源连接所述第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端分为多路光纤，并与所述光纤耦合器组中对应的各个光纤耦合器连接，所述光纤耦合器组还连接有所述光谱探测器组，所述光纤耦合器组的另一端分别连接所述参考臂组以及所述样品臂组，从所述参考臂组和所述样品臂组反射回的光经过所述光纤耦合器组后其干涉光谱由所述光谱探测器组接收，所述样品臂组的每一条光路均设置有相互配合的准直镜和柱镜，各光路在角膜前的位置还设置有微透镜阵列，所述载荷激励子系统用于激励角膜使角膜产生机械波和形变，以便于所述OCT探测子系统探测。进一步，所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统还包括角膜定位子系统，所述角膜定位子系统用于对待测角膜的测量位置进行定位，所述角膜定位子系统包括定位相机；其中，角膜沿测量系统轴向方向的动态位移由OCT探测子系统进行追踪，角膜沿测量系统横向方向的动态位移由定位相机进行跟踪定位。进一步，所述的微透镜阵列包括多测量方向上的焦距不同且光程差各异的微透镜单元。进一步，所述光谱探测器组中光谱探测器的个数、参考臂组中参考臂的个数、光纤耦合器组中光纤耦合器的个数以及样品臂组中的光路条数均不少于4；所述样品臂组的测量光路数不少于2。另一方面，基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量方法，利用上述技术方案所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：包括OCT探测子系统、载荷激励子系统，所述OCT探测子系统包括宽光谱光源、第一光纤耦合器、多个光纤耦合器组成的光纤耦合器组、样品臂组、参考臂组以及光谱探测器组，其中所述宽光谱光源连接所述第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端分为多路光纤，并与所述光纤耦合器组中对应的各个光纤耦合器连接，所述光纤耦合器组还连接有所述光谱探测器组，所述光纤耦合器组的另一端分别连接所述参考臂组以及所述样品臂组，从所述参考臂组和所述样品臂组反射回的光经过所述光纤耦合器组后其干涉光谱由光谱探测器组接收，所述样品臂组的每一条光路均设置有相互配合的准直镜和柱镜，各光路在角膜前的位置还设置有微透镜阵列，所述载荷激励子系统用于激励角膜使角膜产生机械波和形变，以便于所述OCT探测子系统探测。

【技术特征摘要】
1.基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：包括OCT探测子系统、载荷激励子系统，所述OCT探测子系统包括宽光谱光源、第一光纤耦合器、多个光纤耦合器组成的光纤耦合器组、样品臂组、参考臂组以及光谱探测器组，其中所述宽光谱光源连接所述第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端分为多路光纤，并与所述光纤耦合器组中对应的各个光纤耦合器连接，所述光纤耦合器组还连接有所述光谱探测器组，所述光纤耦合器组的另一端分别连接所述参考臂组以及所述样品臂组，从所述参考臂组和所述样品臂组反射回的光经过所述光纤耦合器组后其干涉光谱由光谱探测器组接收，所述样品臂组的每一条光路均设置有相互配合的准直镜和柱镜，各光路在角膜前的位置还设置有微透镜阵列，所述载荷激励子系统用于激励角膜使角膜产生机械波和形变，以便于所述OCT探测子系统探测。2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统还包括角膜定位子系统，所述角膜定位子系统用于对待测角膜的测量位置进行定位，所述角膜定位子系统包括定位相机；其中，角膜沿测量系统轴向方向的动态位移由OCT探测子系统进行追踪，角膜沿测量系统横向方向的动态位移由定位相机进行跟踪定位。3.根据权利要求2所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：所述的微透镜阵列包括多测量方向上的焦距不同且光程差各异的微透镜单元。4.根据权利要求3所述的基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：所述光谱探测器组中光谱探测器的个数、参考臂组中参考臂的个数、光纤耦合器组中光纤耦合器的个数以及样品臂组中的光路条数均不少于4；所述样品臂组的测量光路数不少于2。5.基于微透镜阵列的多光束光学相干弹性测量方法，利用权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝公仆，陈国杰，许景江，安林，黄燕平，秦嘉，谭海曙，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44