[发明专利]象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统与方法

说明书

本发明公开了一种象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO‑OCT成像系统与方法，包括扫频光源、常规样品成像模块、眼底成像模块、小孔、波前探测相机、成像相机、数据采集卡和计算机等。本发明采用全场扫频OCT技术进行成像，无需任何机械扫描即可实现三维成像；通过在波前探测端设置小孔，来形成象差探测所需的点聚焦照明条件；只需单次信号采集就能获得所有层的层析象差—相位信息，利用它们对各成像层的象差进行数值矫正，就能获得所有层的高分辨率成像结果，具体包括结构图像和血管造影图像。只针对被成像层进行象差探测与矫正，故能获得该层的精确象差信息与最佳成像结果。本发明具有系统结构简单、稳定性高、尺寸小和成本低廉等优点。

技术领域

本发明涉及自适应光学(AO)和光学相干层析成像(OCT)技术领域，尤其是涉及一种对象差进行层析探测与数值矫正的无扫描三维自适应光学光学相干层析成像(AO-OCT)的系统与方法。

背景技术

光学相干层析成像(Optical coherence tomography，OCT)技术能对样品的内部结构和功能进行高分辨率光学切片观察、而不损害样品，其突出特点是纵向分辨率δz和横向分辨率δx相互独立，分别由光源的光谱带宽和光束在样品内的聚焦条件决定，故通过合理的器件选择和系统设计，可同时实现高δz和高δx成像。因此，OCT技术一经提出，就在包括技术方法、应用研究、和产品开发等在内的所有方面获得了迅猛发展，目前已在眼科、心血管、皮肤科、牙科、妇科、泌尿科、和内窥等领域，发展出多款商用化产品和获得了实际应用。

和其它光学技术一样，OCT技术也受象差的影响，包括光学系统自身的象差和由样品引起的象差。象差会使光束不能聚焦在目标上、或使照明目标的光斑分布呈弥散杂乱状，前者会导致返回的光信号强度极其微弱、而观察不到目标，后者会导致光斑不能达到衍射极限状态、而极大地降低了δx。以OCT应用最为广泛和成熟的眼底成像为例，采用840nm波段光源进行照明，没有复杂高阶像差的最大入瞳光束尺寸只有约2mm，获得的δx理论值只有约9μm，不能观察视细胞、微血管和视神经等微小目标。增大入瞳光束尺寸(通常达6mm及以上)、即采用大数值孔径进行成像，可获得更高的δx(理论值高达3μm，能观察到视细胞等微小目标)，但此时的光束在眼组织中传输存在着复杂变化的大象差，反而使δx急剧降低。因此，在存在复杂变化大象差的应用领域，如眼底和内窥成像等，克服象差的影响对于高分辨率OCT成像而言必不可少，这一工作可由自适应光学(Adaptive optics，AO)技术来实现。利用AO技术实时探测与矫正象差后，就可获得接近衍射极限的δx(数微米水平)，实现对视细胞等微小目标的在体观察。再结合OCT技术具有的高达数微米的δz(以光源中心波长λ₀为840nm、和光谱的半高全宽为50nm为例，则在组织中的δz理论值约为4.5μm)，AO技术与OCT技术相结合形成的自适应光学光学相干层析成像(Adaptive optics optical coherencetomography，AO-OCT)技术，就能获得数微米的δx和δz。这一分辨率有助于探查到在生理病理变化初期发生的微小变化，从而为病变早诊提供了可能。

包括谱域OCT和扫频OCT在内的傅里叶域(Fourier domain，FD-)OCT技术，入射样品的光束无需轴向z扫描，只需对采集到的干涉光谱信号进行傅里叶变换，就可获得样品的深度信息；通过光束的横向一维扫描，就可获得纵截面内的二维(2D)断面图像；通过横向2D扫描，可生成样品的三维(3D)图像，并通过数字层析切片来生成横截面内的2D断面图像。因此，相对于早期的时域OCT技术，FD-OCT技术具有成像速度快和信噪比高等突出优点，图像质量也有着质的提升，故成为了目前的主流技术。现有的AO-OCT系统，也主要采用FD-OCT技术。AO-OCT系统通常需要用于AO象差探测的信标光、和用于OCT成像的成像光，其工作方式如图3(a)所示：波前传感器(通常为夏克-哈特曼波前传感器)内有一共焦针孔，其在样品内对应着一个以焦面为对称中心的、沿深度方向的共焦参数(Confocal parameter，CP)范围，波前传感器只接收CP范围以内的信标光信号进行象差探测，然后由波前矫正器进行象差矫正(同时也矫正了成像光信号的象差)和OCT成像。