[发明专利]一种全场光学时空相干编码动态体成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种全场光学时空相干编码动态体成像装置及方法。该装置包括扫频光源、光纤、光阑、准直透镜、全反射棱镜、数字微镜阵列、第一透镜、第二透镜、分光元件、参考臂、样品臂、高速面阵相机、数据采集卡和计算机。方法为：首先将扫频光源分割成多波段光谱对样品进行瞬态面照明，数字微镜阵列实现空间光照明编码，时空编码后的光束入射迈克尔逊干涉仪；然后采用高速面帧相机采集干涉光谱信号序列，进行傅里叶逆变换获得并行深度信息，得到生物组织的结构体成像；最后将单次扫频光谱分割成多波段时间编码的光谱序列，对该序列进行时间光谱解码来获得动态对比图。本发明具有成像速度快、稳定性强、成像质量高、结构简单、使用方便的优势。

技术领域

本发明涉及基于光学相干层析成像的无标记成像技术领域，特别是一种全场光学时空相干编码动态体成像装置及方法。

背景技术

细胞是构成组织三维结构组织的基本单位，近现代临床医学和医药学的发展要求使得对无标记活性组织中细胞的生长、分裂、新陈代谢等过程有精准测量和定量评估的要求。在细胞量级的无标记成像领域中，全场光学相干层析(Full-field Optical CoherenceTomography，FF-OCT)最早在1998年被提出，是一种非入侵性成像技术，可对生物组织等获取微米量级的在体光学断层成像，在生物医学领域具有重要的应用前景。FF-OCT系统以并行扫描方式的快速著称，一次扫描可得X-Y面的二维信息，在样品臂深度方向进行扫描即可获得三维结构。结合大NA显微物镜与宽带光源，FF-OCT可以同时获得约1微米的超高横、纵分辨率图像，这种高分辨率的成像模式在组织细胞水平的成像中起着非常重要的作用。2020年，JulesScholler等人在此基础上提出了动态全场光学相干层析技术(Dynamicfull-field optical coherence tomography,dFFOCT)对动态信号进行提取，获得了亚微米量级的空间分辨率和微秒量级的时间分辨率，使得探测活细胞功能成为可能。然而其中由于环境振动以及活细胞粘滞运动而产生的不同运动伪影和空间热光源串扰问题依然影响着结构成像和动态信号的获取。

近年来随着扫频光源技术的发展，全场扫频相干断层成像技术(Full-fieldswept-source optical coherence tomography,FF-SS-OCT)应运而生。基于傅里叶域(Fourier-domain,FD-)OCT技术，大多采用扫频光源、并行探测面阵相机以及基于傅里叶变换的信号处理方法，被研制成为更高灵敏度和成像速度的技术。但目前的技术大多采用序列信号体数据探测和体数据处理，很难用于无标记生物组织的功能性成像(El-Sadek,Biomed.Opt.Express 6231-6248(2020))，例如缺乏时间分辨率而不能观察与测量神经元的反应，或缺乏空间分辨率来解决单个细胞的问题。不仅如此，进行大视场、高分辨率成像以及动态对比度功能拓展需要更长的测量时间。因此，目前还没有一种能够在活体生物组织内，对细胞和细胞间进行结构成像和动态功能评估的非侵入、无标记、高速以及大视场成像的技术。

针对上述OCT技术的成像速度问题，南京理工大学朱越等人提出了基于全场光学相干层析术(Full-field optical coherence tomography,FF-OCT)的发明专利“单次采集无色散移相全场光学相干层析成像装置及方法”(中国专利号：ZL201710387615.8)。该方法基于迈克尔逊干涉和低相干光源，采用偏振分光镜、四分之一玻片、偏振片和一对完全相同的相机获得两组相位差相差π/2相位的干涉条纹，实现全波段无色散移相；配合希尔伯特算法，单次采集即可解调层析信号；由计算机处理得到样品的二维断层图，最终通过电控位移平台进行轴向扫描以获取三维信息。该方法可进行亚微米量级的生物组织的离体或在体成像，具有成像质量高、速度快的优点。虽然该发明具有许多有益效果，但时域FF-OCT方法本身的信噪比相对较低，且沿深度z的机械扫描仍存在着速度慢和稳定性差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成像速度快、稳定性强、成像质量高、结构简单、使用方便的无标记成像装置及方法。