[发明专利]正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及频域光学相干层析成像（Fourier-Domain Optical Coherence Tomography，简称FD-OCT），特别是一种正弦相位调制的并行复频域光学相干层析成像系统和方法。

背景技术

光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,简称OCT）是近年来发展起来的一种光学层析成像技术，它能够对高散射介质如生物组织内部几个毫米深度范围内的微小结构进行高分辨率非侵入成像，在生物组织活体成像和医疗成像诊断等领域具有广泛的应用前景。

频域光学相干层析成像系统（FD-OCT）是一种新型OCT系统，它通过探测干涉谱并对其作逆傅里叶变换得到物体的层析图，相对于早先的时域光学相干层析成像系统（Time-Domain Optical Coherence Tomography，简称TD-OCT）具有无需深度方向扫描、成像速度快和探测灵敏度高的优势，能更好地满足生物组织活体成像以及医疗成像诊断的实时性要求。

频域光学相干层析成像系统主要由低相干光源（宽光谱光源）、迈克尔逊干涉仪和光谱仪（核心元件为分光光栅、聚焦透镜和CCD探测器）三部分组成，通过将低相干光源发出的宽光谱光经迈克尔逊干涉仪产生的干涉信号送入光谱仪，获取干涉信号随波长（λ）变化的强度分布（干涉谱），然后对其做倒数变换后得到干涉信号在频域（v域，v=1/λ）的强度分布，即频域干涉条纹。基于待测物体内各层光反射或背向散射界面的深度对应频域干涉条纹的不同频率的原理，FD-OCT对频域干涉条纹作逆傅里叶变换得到待测物体沿照明光光轴方向的深度分辨的光反射率或背向散射率分布，即层析图。但是，FD-OCT获得的层析图中包含着若干寄生像，限制了FD-OCT的应用。这些寄生像分别是：直流背景，自相干噪声和复共轭镜像。其中，直流背景和自相干噪声的存在降低了FD-OCT的信噪比，影响了成像质量；而复共轭镜像的存在，使FD-OCT无法区分正负光程差（探测光路相对参考光路的光程差），测量时待测物体只能置于零光程差位置的一侧，导致有效探测深度范围减少一半。

复频域光学相干层析成像通过重建频域干涉条纹的复解析信号，对该复解析频域干涉条纹信号作逆傅里叶变换得到物体的层析图，可以消除传统FD-OCT重建的层析图中存在的寄生像，特别是复共轭镜像，从而使FD-OCT可以区分正负光程差，探测深度范围扩大为原来的2倍，实现全深度探测。目前，已提出的复频域OCT方法主要包括基于移相干涉术和基于外差干涉术的复频域OCT。

1、基于移相干涉（phase-shifting interferometry）的复频域OCT

2002年，A.F.Fercher等人最早基于移相干涉术重建复频域干涉条纹，实现了复频域OCT（参见在先技术[1]，M.Wojtkowski,A.Kowalczyk,R.Leitgeb andA.F.Fercher,“Full range complex spectral optical coherence tomography technique in eye imaging”，Optics Letters,Vol.27,No.16,1415-1417,2002）。然而，由于该方法需要连续或步进采集至少3幅相互之间具有固定相移量的移相干涉图，降低了频域OCT的成像速度，并对干涉仪和样品的稳定性提出了严格的要求，因此该方法不适用于生物组织的活体成像。2005年，Joseph A.Izatt等人提出基于同步移相干涉术实现复频域OCT（参见在先技术[2],M.V.Sarunic,M.A.Choma,C.Yang and J.A.Izatt,“Instantaneous complex conjugate resolved spectral domain and swept-source OCT using 3×3fiber couplers”,Optics Express,Vol.13,No.3,957-967,2005）。该方法虽然可以实现多幅移相干涉条纹的同时获取，但需要使用N×N（N≥3）光纤耦合器作为同步移相装置，增加了系统的复杂性和成本，且移相精度容易受到环境温度变化的影响，从而影响复共轭镜像的消除效果。

2、基于外差干涉（heterodyne interferometry）的复频域OCT