偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置及其检测方法
阅读说明：本技术 偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置及其检测方法 (Polarization sensitive optical coherence-hyperspectral microimaging device and detection method thereof ) 是由 石玉娇 蒋沁宏 邢达 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置及其成像方法,装置包括激光光源组件、成像检测组件、信号采集/处理组件和样品台,激光光源组件用于提供线性偏振态的激光以对组织进行照射,所述成像检测组件用于对待测样品进行系统成像；所述的激光光源组件、成像检测组件和信号采集/处理组件依次电气连接,激光光源组件和信号采集/处理组件连接,成像检测组件和样品台连接。本发明通过使用偏振性光源并合理结合两种成像技术,实现了一次成像获得样品多个互补的参数,摆脱了单一成像只能获得部分信息的局限,节省了检测时间和经济成本；利用光的偏振特性,改善了传统成像方式的成像质量,提高了图像的对比度。(The invention discloses a polarization-sensitive optical coherence-hyperspectral microimaging device and an imaging method thereof, wherein the device comprises a laser light source component, an imaging detection component, a signal acquisition/processing component and a sample stage, wherein the laser light source component is used for providing laser in a linear polarization state to irradiate tissues, and the imaging detection component is used for carrying out systematic imaging on a sample to be detected; the laser light source assembly, the imaging detection assembly and the signal acquisition/processing assembly are electrically connected in sequence, the laser light source assembly is connected with the signal acquisition/processing assembly, and the imaging detection assembly is connected with the sample stage. The invention realizes that a plurality of complementary parameters of the sample can be obtained by one-time imaging by using the polarized light source and reasonably combining two imaging technologies, gets rid of the limitation that only partial information can be obtained by single imaging, and saves the detection time and the economic cost; the polarization characteristic of light is utilized, the imaging quality of the traditional imaging mode is improved, and the contrast of an image is improved.)
技术领域
本发明属于生物医学成像技术领域，具体涉及一种偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置及其检测方法。
背景技术
光学相干层析成像(OCT)是基于光学低相干干涉原理来实现样品内部三维空间信息上的高灵敏度、高分辨率、高成像速度的生物医学成像技术。相较于传统的成像技术，OCT作为一种新型的成像模式，自从1991年首次由麻省理工大学提出以来就得到了广泛关注。经过近几十年的发展，OCT在探测灵敏度以及成像速度等方面取得了巨大的进步，同时也推动了无标记OCT血流运动造影等功能成像技术的发展。目前，OCT已经广泛用于眼科、心血管科的临床诊疗，并在脑科学、肿瘤、消化道、呼吸道、皮肤、发育等医学领域也具有重要的科学价值与应用前景。
普通的OCT利用生物组织的散射特性，对组织进行二维或三维的成像，反映了组织的结构信息。自OCT出现后，一些功能性的OCT成像技术也相继诞生，比如本文中用到的偏振敏感型OCT(PS-OCT)，偏振OCT利用光的矢量特性来探测生物组织的双折射信息，利用偏振OCT对关节韧带双折射特性的测量，研究韧带绷紧或松弛状态对双折射特性的影响，皮肤烧伤级别的定量确认等。
高光谱显微成像(HSI)利用的是组织中不同成分的特异性吸收，而光子的吸收过程取决于分子的能级跃迁，因此特定波段的吸收谱可以作为识别特异分子的依据，并且利用组织光学性质的改变就可以非侵入性地探测组织微环境。故高光谱显微成像作为一种新型的医学影像形式，其具备非接触、无损害、高精度、重复性好等众多优势，已被广泛应用于生物检测领域、在无创疾病诊断和手术指导方面拥有巨大的潜力。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置及其检测方法，本发明利用光的偏振特性将两种成像方式有机地结合在一起实现互补性的成像效果，并且相比于单一的成像方式，利用光的矢量特性也即偏振效应对两种技术的结合可以多维度地获得样品更丰富更准确的信息。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提供了一种偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置，包括激光光源组件、成像检测组件、信号采集/处理组件和样品台，所述激光光源组件用于提供线性偏振态的激光以对组织进行照射，所述成像检测组件用于对待测样品进行系统成像；所述的激光光源组件、成像检测组件和信号采集/处理组件依次电气连接，激光光源组件和信号采集/处理组件连接，成像检测组件和样品台连接；
所述激光光源组件包括超连续谱激光光源、线性偏振片、扩束准直器和2×2光纤耦合器，超连续谱激光光源、线性偏振片、扩束准直器和2×2光纤耦合器依次连接，所述2×2光纤耦合器分别与成像检测组件、信号采集/处理组件和样品台连接；
所述成像检测组件包括可调光阑、四分之一波片A、反射镜、四分之一波片B、二维扫描振镜和平场物镜；所述的可调光阑、四分之一波片A和反射镜依次连接，组成参考臂；四分之一波片B、二维扫描振镜和平场物镜依次连接，组成样品臂；所述平场物镜与样品台连接，所述可调光阑和四分之一波片B均与激光光源组件连接；
所述信号采集/处理组件包括准直器、偏振分束镜、光谱仪A、光谱仪B、同轴电缆、采集卡和计算机，准直器和偏振分束镜依次连接，再同时与光谱仪A和光谱仪B相连，准直器与激光光源组件的2×2光纤耦合器连接，采集卡与计算机连接，计算机与二维扫描振镜驱动器连接，采集卡通过同轴电缆分别与所述的光谱仪A、光谱仪B连接。
优选的，所述可调光阑与反射镜之间设置四分之一波片A，四分之一波片A相对线偏振入射光呈22.5°，四分之一波片使入射光的偏振态改变22.5°，而经反射镜反射两次穿过该波片，因此从参考臂出射时，光的线性偏振态相对入射光改变了45°；所述的2×2光纤耦合器与二维扫描振镜之间设置四分之一波片B，四分之一波片B相对线性偏振入射光呈45°，该波片将其转变为圆偏光再入射到样品台上。
优选的，所述超连续谱激光器与扩束准直器之间设置线性偏振片，使超连续谱激光器出射的光为线性偏振光。
优选的，，所述的激光光源、参考臂反射光、样品臂散射光和2×2光纤耦合器严格光学同轴；所述平场物镜、准直器、偏振分束器、光谱仪A和光谱仪B严格光学同轴。
优选的，所述偏振分束镜在一次扫描中同时获得水平和垂直两个偏振方向上的数据。
优选的，所述的激光光源通过2×2光纤耦合器分为两束光；所述的参考臂反射光和样品臂散射光通过2×2光纤耦合器合为一束光。
优选的，所述计算机安装有采集控制及信号处理系统；
所述的采集控制及信号处理系统采用LabView和MATLAB自行编写的采集控制及信号处理系统，通过LabView的程序控制，不断改变振镜的输入电压，使振镜的偏转角度发生改变，从而使入射光聚焦于样品表面的不同位置，从而实现对样品表面的局域扫描；再将采集到的光强信号转变为电信号，而后利用MATLAB程序得到与扫描区域样品相同的图像，以实现对样品的扫描及成像功能。
优选的，所述光学相干与高光谱的结合非简单的组合，而是让两个系统共享同一个激光器、光路径和同一套信号采集装置。
本发明另一方面提供了一种所述偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置的检测方法，包括下述步骤：
(1)将成像检测组件置于样品表面的正上方；
(2)超连续谱激光器射出的激光依次通过线性偏振片、扩束准直器、2×2光纤耦合器、四分之一波片B、二维扫描振镜和平场物镜照射到样品表面，使得入射光聚焦于样品表面；
(3)出射光照射到样品上，光在样品表面或浅表面被吸收、发生散射和反射，并通过信号采集/处理组件接收样品的背向散射光和反射光，而光强变化就是所需的信号；
(4)经过样品后携带样品结构和功能信息的背向散射光和反射光依次通过平场物镜、二维扫描振镜、四分之一波片B、2×2光纤耦合器、准直器和偏振分束器照射到光谱仪A和光谱仪B上，光谱仪A和光谱仪B上光强的变化即为水平和垂直偏振方向上的所需信号；改变二维扫描振镜X、Y轴的各自偏角使入射光发生偏转，二维扫描振镜每偏转一次，采集卡就进行一次数据采集；
(5)采集完全部信号后，通过最大值投影的方法重建出组织样品的二维图像及三维图像，从而实现对样品的结构和功能成像。
优选的，所述的激光光源的脉冲激光波长为400-2400nm，脉宽为100ps，重复频率为0.1-25MHz范围内连续可调。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明考虑到了光学相干层析成像和高光谱显微成像各自的优劣，再利用光的偏振特性将两种成像方式有机地结合在一起实现互补性的成像效果，并且相比于单一的成像方式，利用光的矢量特性也即偏振效应对两种技术的结合可以多维度地获得样品更丰富更准确的信息：
就单一的普通高光谱成像而言，其虽然可以获得不同特征组织的光谱信息差异，但研究表明，疾病检测过程中，由于黑色素和血液含量的错误陈述，高浓度的黑色素干扰了确定血液和胶原分布的量化算法，所以在高黑色素含量时，使用单一的高光谱成像通常会导致对脱氧血红蛋白、氧合血红蛋白和总血红蛋白的错误估计，而这又对于评估皮肤癌的可以病变尤其重要。另外，高光谱成像还无法获得具有不同散射特性组织的生物体的准确成像包括样品深度方向上的结构信息；
如果仅仅使用偏振光对生物样品进行成像，我们可以得到样品的双折射信息和两个正交方向上的偏振分量，并基于线性偏振度计算图像，但根据现有的研究工作表示，这种方法仅仅只对黑色素浓度高的良性色素痣部分有效；
而单一的OCT虽然可以利用生物组织对光的散射特性，通过探测到生物组织不同断层面的干涉信号来进行结构成像，但是难以获得生物组织通过光学吸收差异性成像所反映的更全面的生物内部结构，缺失了生物组织的分子信息；
基于以上局限性，我们在使用偏振光的基础上结合两种成像方式，就可以解决以下问题：1.在高黑色素含量时，利用光的偏振特性修正了对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的错误估计，并且可以精确地分离表层黑色素，从而精确评估氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的分布；2.获得了样品的特异性吸收光谱(高光谱)、结构分布(OCT)、双折射信息(光的偏振特性)；3.提高了图像的对比度；4.摆脱了单一成像方式只能提取部分信息，要想全面了解必须进行多次检测的不便；5.结合光的偏振特性实现了两种成像方式的互补。
(2)本发明对两种成像方式的结合并非简单的组合，而是让二者共享一个超连续谱光源、光路径和同一套检测装置，并且高光谱成像只需要在OCT系统的基础上遮挡其参考臂即可，这样就实现了双模态系统的成像功能。这样做大大降低了系统的复杂性，减少了成本，并且系统搭建更容易集成化，相比于简单的组合，更加经济便捷，成像质量也更加稳定。
(3)本发明选用超连续谱激光器，输出波长可以在400-2400nm范围内连续可调，不仅可以不断调整输出波长，检测在不同波段下的样品的光谱信息和不同深度位置处的细微结构变化；同时相比于OCT系统常用的50-100nm的带宽，本系统选择的光源带宽更宽，使得OCT的轴向分辨率有了更为显著的提高。对于实现成像更深层、更细微、更清晰的目标有很大的推动作用。
(4)本发明利用一个偏振分束器，在一次扫描中，同时获得水平和竖直两个正交的偏振分量，避免传统技术中，通过旋转偏振片的角度进行两次扫描才得到两个偏振分量的不便。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置的结构示意图；
图2为本发明实施例光谱仪的结构示意图。
附图标号说明：
1为光栅，2为聚焦透镜，3为CCD，1-1为超连续谱激光器，1-2为线性偏振片，1-3为扩束准直器，1-4为2×2光纤耦合器，2-1为可调光阑，2-2为四分之一波片A，2-3为反射镜，2-4为四分之一波片B，2-5为二维扫描振镜，2-6为平场物镜，3-1为样品台，4-1为准直器，4-2为偏振分束器，4-3为光谱仪A，4-4为光谱仪B，4-5为采集卡，4-6为计算机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置，包括激光光源组件、成像检测组件、信号采集/处理组件和样品台3-1，所述的激光光源组件、成像检测组件和信号采集/处理组件依次连接，激光光源组件和信号采集/处理组件电气连接，信号检测组件和样品台3-1连接；本装置不仅使用线偏振光进行OCT的成像，实现偏振敏感型OCT(PS-OCT)，而且进行高光谱显微成像的入射光也是线偏振光。相较于传统光源，本发明利用光的偏振特性，解决了在高黑色素含量下，对于生物组织氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的错误估计问题。并且相对于传统OCT技术只能获得样品的结构分布，使用偏振光成像，可以在原有的基础上得到样品的双折射信息，便于更全面更深入的了解样品内部组成成分的变化，同时还提高了图像的对比度。
进一步的，所述的激光光源组件包括超连续谱激光器1-1、线性偏振片1-2、扩束准直器1-3和2×2光纤耦合器1-4，所述超连续谱激光器1-1、线性偏振片1-2、扩束准直器1-3和2×2光纤耦合器1-4依次连接，2×2光纤耦合器1-4分别与成像检测组件和信号采集/处理组件连接。
进一步的，所述成像检测组件包括可调光阑2-1、四分之一波片A2-2、反射镜2-3、四分之一波片B 2-4、二维扫描振镜2-5和平场物镜2-6；所述的可调光阑2-1、四分之一波片A2-2和反射镜2-3依次连接，组成参考臂；四分之一波片B 2-4、二维扫描振镜2-5和平场物镜2-6依次连接，组成样品臂；平场物镜2-6与样品台3-1连接，可调光阑2-1和四分之一波片B 2-4均与激光光源组件连接。
更进一步的，所述的可调光阑与反射镜之间设置四分之一波片A，四分之一波片A相对线偏振入射光呈22.5°，四分之一波片的主要作用是使入射光的偏振态改变22.5°，而经反射镜反射两次穿过该波片，因此从参考臂出射时，光的线性偏振态相对入射光改变了45°；所述的2×2光纤耦合器与二维扫描振镜之间设置四分之一波片B，四分之一波片B相对线性偏振入射光呈45°，该波片将其转变为圆偏光再入射到样品台上。
可以理解的是，成像检测组件的主要作用是在参考臂中激光照射到样品上某一点时，光会在样品内部发生散射或被样品特异性吸收，而样品不同深度位置处的散射光与参考臂的反射光在满足一定条件下发生干涉，本发明利用信号采集/处理组件就可以提取样品不同深度处的干涉信号；再利用样品对光的特异性吸收，就可以得到样品中不同成分的吸收光谱以及在不同波长下样品的吸收光谱；并通过二维扫描振镜的偏转移动就可以得到样品上各点的信息，从而对样品进行二维或三维成像。
进一步的，所述的信号采集/处理组件包括准直器4-1、偏振分束镜4-2、光谱仪A4-3、光谱仪B 4-4、同轴电缆、采集卡4-5和计算机4-6，准直器4-1和偏振分束镜4-2依次连接，再同时与光谱仪A 4-3和光谱仪B 4-4相连，准直器4-1与激光光源组件的2×2光纤耦合器1-4连接，采集卡4-5与计算机4-6连接，计算机4-6与二维扫描振镜2-5驱动器连接，采集卡4-5通过同轴电缆分别与所述的光谱仪A4-3、光谱仪B 4-4连接。
可以理解的是，本实施例在信号采集/处理组件中放弃使用单一的偏振片，而是使用偏振分束镜，从而可以在一次扫描中同时获得水平和垂直两个偏振方向上的数据。
进一步的，所述的计算机4-6安装有采集控制及信号处理系统；所述的采集控制及信号处理系统采用LabView和MATLAB自行编写的采集控制及信号处理系统；通过LabView的程序控制，不断改变振镜的输入电压，使振镜的偏转角度发生改变，从而使入射光聚焦于样品表面的不同位置，从而实现对样品表面的局域扫描；再将采集到的光强信号转变为电信号，而后利用MATLAB程序得到与扫描区域样品相同的图像，以实现对样品的扫描及成像功能。
进一步的，所述的激光光源通过2×2光纤耦合器分为两束光；所述的参考臂反射光和样品臂散射光通过2×2光纤耦合器合为一束光。
进一步的，所述的激光光源、参考臂反射光、样品臂散射光和2×2光纤耦合器严格光学同轴；所述的平场物镜、准直器、偏振分束器、光谱仪A和光谱仪B严格光学同轴。
在本实施例中，所述超连续谱激光器1-1产生的脉冲激光，通过平场物镜2-6聚焦到样品上，光在组织中不再沿直线传播，而是被吸收、发生散射和反射；我们通过检测样品表面或浅表面辐射出的背向散射光，就得到了携带OCT信号的光；再通过接收在样品表面反射回的光线就得到了携带光谱信息的高光谱信号光；然后通过改变二维扫描振镜的驱动电压从而改变振镜X轴和Y轴的偏角，使入射光发生偏转，而二维扫描振镜每偏转一次，采集卡就进行一次数据采集；这样光照射到样品的不同位置就得到变化的光强，再用光谱仪接收，光谱仪将光信号转换为电信号，如此计算机便完成了信号的采集。采集完所有信号后，通过最大值投影的方法重建出组织样品的光声二维图像及三维图像。
实施例2
如图2所示，运用实施例1的偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置的检测方法，包括以下步骤：
(1)携带样品信息的背向散射光和反射光通过成像检测组件、2×2光纤耦合器、准直器和偏振分束器照射到光栅1上，光栅1通过有规律的结构，使入射光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制；
(2)入射光经光栅1分离为有一定宽度的光谱，再经过聚焦透镜2聚焦成一条窄线；
(3)用CCD 3去接收，CCD 3上的每一个像元接收到的就是对应不同波长的单色光，从而实现高光谱和OCT不同深度的成像；
所述的超连续谱激光光源的脉冲激光波长范围为550-1100nm，重复频率为5MHz。
所述的三维图像的建立方法优选采用以下方式进行：对所有的信号取相同时间尺度并作纵切面投影，将投影后得到的图像在三维重建软件VolView3.2上重建三维图像，在三维重建软件中旋转整个三维图像得到任意视角的三维图像。
所述的偏振敏感型光学相干-高光谱显微成像装置可应用于生物医学领域，尤其可应用于研究生物组织的形态结构、生理和病理特征。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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