基于光开关和微透镜阵列的多光束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光开关控制和微透镜阵列的多探测光束光学相干弹性测量系统和弹性测量方法。采用角膜定位子系统对角膜的测量位置定位、采用角膜激励子系统使角膜产生微量的机械波和形变，采用多光束OCT探测子系统对角膜各测量点的弹性反应进行探测。其中，多光束OCT探测子系统采用了基于快速光开关控制和微透镜阵列的弹性测量方案，在保证了系统弹性测量性能的同时，大大的提高了测量速度、简化了系统结构、降低了制造成本，可对单次载荷激励下样品(角膜)周围多方向、多位置的弹性响应进行快速测量。

Multi-beam Elasticity Measurement System and Method Based on Optical Switch and Microlens Array

The invention provides an optical coherence elasticity measurement system and an elasticity measurement method based on optical switch control and microlens array. Corneal positioning subsystem is used to locate the measuring position of cornea, corneal excitation subsystem is used to generate micro mechanical wave and deformation of cornea, and multi-beam OCT detection subsystem is used to detect the elastic response of cornea measurement points. The multi-beam OCT detection subsystem adopts an elastic measurement scheme based on fast optical switch control and micro-lens array, which not only guarantees the elastic measurement performance of the system, but also greatly improves the measurement speed, simplifies the system structure and reduces the manufacturing cost. It can quickly measure the multi-direction and multi-position elastic response around the sample (cornea) under a single load excitation.

【技术实现步骤摘要】
基于光开关和微透镜阵列的多光束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，尤其涉及一种基于超快速光开关控制和微透镜阵列的多光束光学相干在体角膜弹性测量系统及测量方法。
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：提供一种超快速光开关控制的微透镜阵列多光束光学相干在体角膜弹性测量系统及测量方法。本专利技术在结构上进行简化，在大幅降低制造成本的同时实现人眼角膜测量位置的多弹性参数(硬度、固有频率、杨氏模量)的快速的、同时的、准确的在体测量。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一方面，提供基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量系统，包括多光束OCT探测子系统、载荷激励子系统，所述多光束OCT探测子系统包括宽光谱光源、光纤耦合器、光开关、样品臂、参考臂以及光谱探测器，所述宽光谱光源连接所述光纤耦合器的输入端，由所述宽光谱光源发出的光经过所述光纤耦合器分光，一路通向所述参考臂，另一路由所述光开关控制通向所述样品臂，从所述参考臂和所述样品臂返回的光经所述光纤耦合器后其干涉光谱由光谱探测器接收，所述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，所述载荷激励子系统用于激励角膜使角膜产生微量的机械波和形变以便于多光束OCT探测子系统进行探测。进一步，所述的基于光开关和微透镜阵列的多光束光学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，角膜沿相干测量系统轴向方向的动态位移由OCT进行追踪，角膜沿相干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各个方向的焦距不同且光程差各异的微透镜单元。进一步，所述样品臂对角膜激励点周围不少于4个方位进行测量，每个方位上的测量点数不少于2个。进一步，所述光开关为超快速光开关，所述超开速光开关的开/关转换时间不超过1ms，实现各方位按顺序的交替重复采集。另一方面，基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量方法，利用上述技术方案中所述的基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量系统，包括步骤：S1、使用定位相机对人眼角膜及瞳孔成像，根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，并通过OCT信号中A-scan上标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量系统，其特征在于：包括多光束OCT探测子系统、载荷激励子系统，所述多光束OCT探测子系统包括宽光谱光源、光纤耦合器、光开关、样品臂、参考臂以及光谱探测器，所述宽光谱光源连接所述光纤耦合器的输入端，由所述宽光谱光源发出的光经过光纤耦合器分光，一路通向所述参考臂，另一路由所述光开关控制通向所述样品臂，从所述参考臂和所述样品臂返回的光经所述光纤耦合器后其干涉光谱由光谱探测器接收，所述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，所述载荷激励子系统用于激励角膜使角膜产生微量的机械波和形变以便于多光束OCT探测子系统进行探测。

【技术特征摘要】
1.基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量系统，其特征在于：包括多光束OCT探测子系统、载荷激励子系统，所述多光束OCT探测子系统包括宽光谱光源、光纤耦合器、光开关、样品臂、参考臂以及光谱探测器，所述宽光谱光源连接所述光纤耦合器的输入端，由所述宽光谱光源发出的光经过光纤耦合器分光，一路通向所述参考臂，另一路由所述光开关控制通向所述样品臂，从所述参考臂和所述样品臂返回的光经所述光纤耦合器后其干涉光谱由光谱探测器接收，所述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，所述载荷激励子系统用于激励角膜使角膜产生微量的机械波和形变以便于多光束OCT探测子系统进行探测。2.根据权利要求1所述的基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量系统，其特征在于：所述的基于光开关和微透镜阵列的多光束光学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，角膜沿相干测量系统轴向方向的动态位移由OCT进行追踪，角膜沿相干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所述的基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量系统，其特征在于：所述的微透镜阵列包括各个方向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所述的基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量系统，其特征在于：所述样品臂对角膜激励点周围不少于4个方位进行测量，每个方位上的测量点数不少于2个。5.根据权利要求4所述的基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量系统，其特征在于：所述光开关为超快速光开关，超开速光开关的开/关转换时间不超过1ms，实现各方位按顺序的交替重复采集。6.基于光开关和微透镜阵列的多光束光学弹性测量方法，其特征在于，利用权利要求5中所述的基于光开关和微...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝公仆，谭海曙，安林，许景江，黄燕平，秦嘉，陈国杰，
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