一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统，解决了传统扫频光学相干成像系统无法应用于体内，成像模式不灵活、成像质量差的问题，系统，包括光源，两组耦合器，两组偏振控制器，两组环形器，准直器，反射镜，内窥探针系统，平衡探测器，数据采集卡和计算机，本系统利用陀螺仪的三维定位功能，结合光学层析成像技术与插值算法，实现内窥三维层析成像的方法。该方法适用于膀胱系统或食道、肠道等的内窥成像，所成组织像深度大于3mm，成像分辨率为微米量级，成像帧频可到1000fps，本发明专利技术具有成像速度快，质量高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统
本专利技术属于生物医学成像领域，具体涉及一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统。
技术介绍
1991年，MIT的D.Huang等人在Science上首次报道了光学相干层析成像(OCT)技术，并将其成功应用于人体视网膜的二维成像，实现了在活体生物组织内部的高分辨率实时成像。其采用低相干光源，通过光纤耦合器分成物光和参考光两束，通过在参考光一路控制参考镜纵向移动，获得物光一路纵轴方向不同位置的相干信号，并通过横向移动物光实现二维扫描，该成像方式被称为时域光学相干层析成像技术。该技术受到参考镜移动速率的影响，成像速率也受到限制。1995年，Fercher等人首次提出了谱域光学相干层析成像的概念。它不需要移动参考镜来实现样品的轴向扫描，使得扫描速度增加，同时干涉信号的光谱由光谱仪进行并行探测，成像速度有也了极大的提高，但受到光谱仪速率的限制，成像帧频仍受到限制。1997年Fujimoto小组搭建了世界上第一台扫频光学相干层析系统，将时域OCT的宽带光源替换为扫频光源，采用单点探测器对包含样品深度信息的干涉信号进行采集。2006年，Huber研究组首次将傅里叶域锁模激光技术应用于扫频OCT成像，经过发展，该技术已经可以实现数MHz量级的高速成像。之后采用商业化的单点探测器和数字采集卡使得SSOCT系统具有了更快的采集速度，也抑制了在成像过程中由于样品运动而带来的伪影。现有的传统扫频光学相干成像系统无法应用于体内，成像模式不灵活、成像质量较差，导致系统的实用性受到了限制。
技术实现思路
基于以上不足之处，本专利技术提供了一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统，可应用于肠道、消化道、泌尿系统的内窥成像，尤其对一定深度的组织结构进行实时成像，本系统解决了传统扫频光学相干成像系统无法应用于体内，成像模式不灵活、成像质量差的问题。本专利技术所采用的技术方案为：一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统，包括光源，两组耦合器，两组偏振控制器，两组环形器，准直器，反射镜，内窥探针系统，平衡探测器，数据采集卡和计算机，光源包括扫频光源和校准光源，数据采集卡与计算机电信号连接，扫频光源与数据采集卡电信号连接，扫频光源分别提供k时钟信号和触发信号于数据采集卡，所述的扫频光源经第一耦合器分成物光和参考光，参考光连接准直器，在空域内被反射镜反射回准直器内；物光连接内窥探针系统，照射样品的不同深度层并反射回来，参考光的返回光经过第一环形器后输入进第二耦合器，物光的返回光经过第二环形器后输入进第二耦合器，在物光和参考光的两路光路上分别连接有两组偏振控制器，使返回光满足干涉条件，干涉信号经第二耦合器输出到平衡探测器，而后被数据采集卡采集，并上传给计算机，由计算机计算完成成像，所述的内窥探针系统的一端安装有陀螺仪，陀螺仪与计算机电信号连接，另外一端为探针窗口，由陀螺仪实时定位探针窗口的三维位置坐标，进而得到探针窗口聚焦点的空间位置和样品深度方向的反射光强度分布，并结合陀螺仪定位的三维空间位置进行深度信息填充，移动内窥探针的同时，实时得到样品特定深度的面扫图像，旋转内窥探针进而得到一个平面的扫描图。本专利技术还具有如下技术特征：1、样品深度的面扫图像的成像方法是，扫频光源在各分立的频谱下，参考光路的返回光波与物光路在各不同深度的反射光干涉，干涉强度满足如下公式：式中，I为光强，k为波矢，ρ是调控因子，rR是参考臂反射镜的反射系数；n代表样品不同深度的反射层，N代表总的反射层，代表样品各层的反射系数，zR代表参考臂经样品各层的光程，代表物光臂经样品各层的光程，由第一耦合器出射光经准直器和反射镜反射回到第二耦合器的距离为参考臂，由第一耦合器出射光经内窥探针系统和样品反射回到第二耦合器的距离为物光臂；横向分辨率为：式中f为聚焦物镜的焦距，D为物光束在样品上的光斑直径，λc为光源的中心波长；轴向分辨率为：式中，δz代表轴向分辨率；λc为光源的中心波长，Δλ为光源的光谱半高全宽，n为样品的折射率。2、所述的内窥探针系统的外层为金属柱体，金属柱体的内部装有玻璃柱，在金属柱体一端为光纤入口端，该端安装有1个或多个三维陀螺仪，光纤进入金属柱体后，从玻璃柱的一端进入其内部，玻璃柱的另外一端与折射率渐变透镜连接，折射率渐变透镜与棱镜连接，在金属柱体的另外一端与棱镜反射相对应的位置安装有玻璃窗，光束通过玻璃柱的扩展经过折射率渐变透镜和棱镜反射后汇聚到样品上。3、所述的玻璃柱的材质与光纤纤芯相同或两者的折射率相近。4、所述的扫频光源是工作光源，其输出波长在一定波长范围内连续变换，中心频率为980nm-1550nm。本专利技术具有如下有益效果及优点：本专利技术是在傅里叶变换扫频OCT基本原理基础上，基于空间姿态感知技术和算法，采用高速扫频光源，克服了传统相干成像模式的速度限制，优化设计了成像光路，并与内窥镜成像相结合，发挥扫频光源的速度优势，拓展了光学相干层析成像技术的应用范围。本专利技术适用于肠道、消化道、泌尿系统的内窥成像，并可对一定深度的组织结构进行实时成像。本专利技术基于空间姿态感知进行图像重构，手动灵活可控，速度快，成像质量高。本专利技术所成组织像深度大于3mm，成像分辨率为微米量级，成像帧频可到1000fps。附图说明图1本专利技术光路结构图；图2内窥探针系统结构图；图3旋转内窥探针得到的成像图；其中1、扫频光源，2、校准光源，3、第一耦合器，4、第二耦合器，5、第一偏振控制器，6、第二偏振控制器，7、第一环形器，8、第二环形器，9、准直器，10、反射镜，11、内窥探针系统，12、陀螺仪，13、平衡探测器，14、数据采集卡，15、计算机，16、样品，17、光纤，18、金属柱体，19、玻璃柱，20、折射率渐变透镜，21、玻璃窗，22、棱镜。具体实施方式下面将结合附图和举例对本专利技术做进一步的说明：实施例1如图1所示，一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统，包括光源，两组耦合器，两组偏振控制器，两组环形器，准直器，反射镜，内窥探针系统，平衡探测器，数据采集卡，计算机，光源包括扫频光源和校准光源，校准光源通常为可见光波段，成像工作时可去除，数据采集卡与计算机电信号连接，扫频光源与数据采集卡电信号连接，扫频光源分别提供k时钟信号和触发信号于数据采集卡，所述的扫频光源经第一耦合器分成物光和参考光，参考光连接准直器，在空域内被反射镜反射回准直器内；物光连接内窥探针系统，照射样品的不同深度层并反射回来，参考光的返回光经过第一环形器后输入进第二耦合器，物光的返回光经过第二环形器后输入进第二耦合器，在物光和参考光的两路光路上分别连接有两组偏振控制器，使返回光满足干涉条件，干涉信号经第二耦合器输出到平衡探测器，而后被数据采集卡采集，并上传给计算机，由计算机控制完成成像，所述的内窥探针系统的一端安装有陀螺仪，另外一端为探针窗口，陀螺仪与计算机电信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统，包括光源，两组耦合器，两组偏振控制器，两组环形器，准直器，反射镜，内窥探针系统，平衡探测器，数据采集卡和计算机，光源包括扫频光源和校准光源，数据采集卡与计算机电信号连接，扫频光源与数据采集卡电信号连接，扫频光源分别提供k时钟信号和触发信号于数据采集卡，其特征在于，所述的扫频光源经第一耦合器分成物光和参考光，参考光连接准直器，在空域内被反射镜反射回准直器内；物光连接内窥探针系统，照射样品的不同深度层并反射回来，参考光的返回光经过第一环形器后输入进第二耦合器，物光的返回光经过第二环形器后输入进第二耦合器，在物光和参考光的两路光路上分别连接有两组偏振控制器，使返回光满足干涉条件，干涉信号经第二耦合器输出到平衡探测器，而后被数据采集卡采集，并上传给计算机，由计算机计算完成成像，所述的内窥探针系统的一端安装有陀螺仪，陀螺仪与计算机电信号连接，另外一端为探针窗口，由陀螺仪实时定位探针窗口的三维位置坐标，进而得到探针窗口聚焦点的空间位置和样品深度方向的反射光强度分布，并结合陀螺仪定位的三维空间位置进行深度信息填充，移动内窥探针的同时，实时得到样品特定深度的面扫图像，旋转内窥探针进而得到一个平面的扫描图。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统，包括光源，两组耦合器，两组偏振控制器，两组环形器，准直器，反射镜，内窥探针系统，平衡探测器，数据采集卡和计算机，光源包括扫频光源和校准光源，数据采集卡与计算机电信号连接，扫频光源与数据采集卡电信号连接，扫频光源分别提供k时钟信号和触发信号于数据采集卡，其特征在于，所述的扫频光源经第一耦合器分成物光和参考光，参考光连接准直器，在空域内被反射镜反射回准直器内；物光连接内窥探针系统，照射样品的不同深度层并反射回来，参考光的返回光经过第一环形器后输入进第二耦合器，物光的返回光经过第二环形器后输入进第二耦合器，在物光和参考光的两路光路上分别连接有两组偏振控制器，使返回光满足干涉条件，干涉信号经第二耦合器输出到平衡探测器，而后被数据采集卡采集，并上传给计算机，由计算机计算完成成像，所述的内窥探针系统的一端安装有陀螺仪，陀螺仪与计算机电信号连接，另外一端为探针窗口，由陀螺仪实时定位探针窗口的三维位置坐标，进而得到探针窗口聚焦点的空间位置和样品深度方向的反射光强度分布，并结合陀螺仪定位的三维空间位置进行深度信息填充，移动内窥探针的同时，实时得到样品特定深度的面扫图像，旋转内窥探针进而得到一个平面的扫描图。


2.根据权利要求1所述的一种基于空间姿态感知的扫频光学层析内窥成像系统，其特征在于：样品深度的面扫图像的成像方法是，扫频光源在各分立的频谱下，参考光路的返回光波与物光路在各不同深度的反射光干涉，干涉强度满足如下公式：



式中，I为光强，k为波矢，ρ是调控因子，rR是参考臂反射镜的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，时红艳，崔林荣，王宁，董博文，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23