[发明专利]基于数字微镜器件的无串扰并行OCT成像方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于数字微镜器件(DMD)的无串扰并行光学相干层析成像(OCT)方法及系统，该方法及系统采用宽带点光源实现面照明。在照明光路中加入一块DMD，并由光学系统设计来保证微镜在样品共轭面上的横向尺度与系统可分辨的样品横向尺度相当。微镜处于+12°角时属于“开”状态，它将照明光源中的对应部分引入干涉系统。通过对DMD编码来改变干涉成像的并行状态，能有效抑制生物体并行成像时所固有的信号串扰现象。采用正弦相位调制技术结合四步积分探测法来提取干涉信号。本发明具有编码方式简单高效，信号提取快速且无需图像拼接，可使用大功率光源和系统结构简单等特点。

主权项

1、基于数字微镜器件的无串扰并行OCT成像方法，其特征在于包括：1)微镜处于+12°角为“开”状态，-12°角为“关”状态；对数字微镜器件按以下方式编码：把微镜按2×2模式分割成子块，每个子块里有4个微镜，分别编号为1、2、3、4，不同子块里对应位置处的微镜给予相同的编号，从而把数字微镜器件的所有微镜按空间位置分成4类：微镜1、微镜2、微镜3和微镜4；所有微镜1同步动作，处于“开”状态时，其余微镜均处“关”状态；依此类推，微镜按编号1-2-3-4逐一处于“开”状态，使样品和参考镜上与之共轭的点被照明；2)面阵CCD探测器采用2×2像素拼接工作模式；3)参考臂和样品臂分别对焦后，由参考臂的电控平移台带着参考镜及显微物镜一起轴向位移，进行两干涉臂的光程匹配调节；4)压电陶瓷驱动器带着参考镜振动，从而在干涉信号中引入频率为f、振幅为ψ、相位为θ的正弦相位调制ψsin(2πft+θ)，此时面阵CCD探测器接收到的干涉信号I(x，y，t)表示为： I(x，y，t)＝I0+A(x，y)cos[φ(x，y)+ψsin(2πft+θ)]；式中：I0为干涉信号的常数项，φ(x，y)为两干涉臂的初始相位差，A(x，y)则与OCT信号直接相关；5)在一个调制周期T＝1/f内，微镜按顺序1-2-3-4以频率16f依次触发，持续时间1/19f；面阵CCD探测器以频率4f同步触发，采集四幅图像E11、E12、E13 和E14，它们分别为面阵CCD探测器接收到的干涉信号I(x，y，t)在四分之一调制周期内对时间积分的结果，即：$E_{11}={\int }_0^{T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},E_{12}={\int }_{T/4}^{T/2}I(x,y,t)\mathrm{dt},E_{13}={\int }_{T/2}^{3T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},E_{14}={\int }_{3T/4}^{T}I(x,y,t)\mathrm{dt};$ 6)重复步骤5)N次以提高信噪比，并把N次获得的结果求和，得到四幅图像E1、E2、E3和E4，即：$E_1=E_{11}+E_{21}+···+E_{N1}=N{\int }_0^{T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$ $E_2=E_{12}+E_{22}+···+E_{N2}=N{\int }_{T/4}^{T/2}I(x,y,t)\mathrm{dt},$ $E_3=E_{13}+E_{23}+···+E_{N3}=N{\int }_{T/2}^{3T/4}I(x,y,t)\mathrm{dt},$ $E_4=E_{14}+E_{24}+···+E_{N4}=N{\int }_{3T/4}^{T}I(x,y,t)\mathrm{dt};$ 7)把干涉信号I(x，y，t)用第一类贝塞尔函数Jn(ψ)展开，并对步骤6)中的积分式进行运算后，可以建立以下关系式： ∑S＝-E1+E2+E3-E4＝(4NT/π)ΓSAsinφ， ∑C＝-E1+E2-E3+E4＝(4NT/π)ΓCAcosφ，式中：${\Gamma }_S=\underset{N=0}{\overset{+\infty }{\Sigma }}{(-1)}^n\frac{J_{2n+1}\left(\psi \right)}{2n+1}\sin \left[(2n+1)\theta \right],{\Gamma }_c=\underset{n=0}{\overset{+\infty }{\Sigma }}{(-1)}^n\frac{J_{4n+2}\left(\psi \right)}{2n+1}\sin \left[2(2n+1)\theta \right];$ 其中J2n+1(ψ)为2n+1阶第一类贝塞尔函数，J4n+2(ψ)为4n+2阶第一类贝塞尔函数；8)令ГS＝ГC，则∑S 2+∑C 2与A2成正比；当ГS取最大值时，∑S 2+∑C 2也取得最大值，此时图像有最佳对比度；由前述条件可计算出调制参量ψ和θ值，及此时的ГS值；用求得的ψ和θ数值去调整步骤4)中的相位调制信号；9)按步骤4)至步骤6)进行操作，然后由下式来计算样品的OCT图像：$A=\frac{\pi }{{4\mathrm{NT\Gamma }}_S}{[{(-E_1+E_2+E_3-E_4)}^2+{(-E_1+E_2-E_3+E_4)}^2]}^{1/2};$ 10)计算机控制参考臂的电控平移台带着参考镜及显微物镜一起轴向位移d，改变参考臂光程；设样品的折射率为n，则计算机同时控制样品臂的电控平移台带着显微物镜轴向位移d/n，进行对焦调节，以实现样品不同深度处断面的层析成像；重复步骤9)，可获得样品在该深度处的OCT图像。