CN110954509A - 一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置及方法，包括：激光光源，用于照射待测样品；扩束镜，用于使激光的照射面积扩大、照射更为均匀；起偏器，为线偏振片；待测样品，为生物组织、散射介质、浑浊液体等；半透半反镜，用来反射激光光源发射的光线以及透射待测样品背向散射的光线；检偏器，为线偏振片，其透振方向与起偏器透振方向垂直，用于滤除从待测样品散射退偏的光子；物镜；中继透镜；光场相机，用于对散射光进行采集成像，实现图像的景深拓展。本发明公开的技术方案能够滤除组织表面和浅表面散射的光，消除来自组织不同深度层次的光的信息相互叠加对成像的影响，提高组织散斑图像衬比度和信噪比，实现深层组织探测。

Description

一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置及方法。

背景技术

当相干光与随机介质中相互作用时，传感器接收到从介质中不同位置散射出来的光，从而导致发生相消或相长干涉的随机分布，这就是激光散斑。散射粒子在随机介质中的运动会引起散射光的相移，从而引起散斑图样产生时间波动。通过分析这种波动可以获得散射粒子的运动信息，粒子的运动速度可以通过散斑对比度来表征。这即为激光散斑衬比成像技术的工作原理。

激光散斑衬比成像技术自20世纪90年代提出以来，以其非接触、快速、高分辨、无需扫描即可实现大范围内流速成像的特点，在脑皮层成像、血流皮肤灌注、视网膜成像、关节以及肠系膜等领域中取得了重要应用，为反映生物组织功能活动、揭示重大疾病产生机制以及药效评价提供了重要的研究工具。

然而，由于其工作原理的限制，激光散斑衬比成像技术不可避免地在应用上存在一些待解决的问题。激光散斑衬比成像作为一种光学成像技术，其观测的对象都属于高散射介质。当光子入射到这类介质上时，可能会被组织表面直接散射，也有可能会进入组织内部被吸收或经多次散射后而逃逸出组织。当使用透镜对散射光进行收集时，来自组织不同深处的光线无法区分，导致不同深度层次的信息相互影响，因而只能对组织浅表面进行测量，而无法精准探测更深的组织。

发明内容

针对上面提出的激光散斑衬比成像技术存在的不足，本发明提供了一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置及方法，该装置结构简单，能够将组织表面的散射光滤除，提高深层组织成像的衬比度和信噪比。

本发明的目的是通过以下技术方案方案实现的：

一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置，包括：激光光源、扩束镜、起偏器、半透半反镜、待测样品、检偏器、物镜、中继透镜、光场相机，其中，所述激光光源发射激光，经过所述扩束镜和所述线偏振片后经由所述半透半反镜照射在所述待测样品上，所述待测样品中的不同深度粒子对入射的线偏振光进行散射，发生不同程度的退偏现象，散射光经过一个与所述起偏器透振方向相垂直的所述检偏器后被所述物镜收集，经所述中继透镜最后被所述光场相机接收。

所述激光光源，用于发射激光光束，照射待测样品；

所述扩束镜，用于使激光的照射面积扩大，同时也使激光照射更为均匀；

所述起偏器，用于使通过的光变成线偏振光；

所述半透半反镜，用来反射所述激光光源发射的光线以及透射所述待测样品背向散射的光线；

所述待测样品，为生物组织，散射介质、浑浊液体等；

所述检偏器，其透振方向与所述的起偏器透振方向垂直，用于滤除从所述待测样品散射退偏的光子，使从所述待测样品散射的光子选择性地通过；

所述物镜，用于收集从所述待测样品背向散射的光，并对图像进行初步放大；

所述中继透镜，用于对散斑图像再一次放大；

所述光场相机，用于对散射光进行采集成像，可实现图像的景深拓展功能。

一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像方法，利用上述装置，包括如下步骤：

步骤(1)、将装置固定在光学平台上，打开激光器，激光光束先后经过扩束镜扩束和起偏器起偏，而后经过半透半反镜反射照射在待测样品上；

步骤(2)、待测样品中处于不同深度的散射粒子对入射的偏线振光发生散射，散射光发生不同程度的退偏；

步骤(3)、散射光逸出待测样品表面后，透过半透半反镜到达检偏器，偏振方向与检偏器透振方向平行的散射光光子透过检偏器后发生随机干涉产生散斑信号，其余部分被检偏器滤除；

步骤(4)、散斑信号被物镜收集进行初步放大，而后经过中继透镜被再次放大后，由光场相机接收得到原始散斑图像；

步骤(5)、通过算法对原始散斑图像进行处理，最终得到待测样品深层的分布图像。

本发明一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像方法实现原理为：

(1)当线偏振光照射待测样品时，一部分被待测样品表面直接散射，仍为线偏振光，且偏振方向与入射光偏振方向一致，这部分光不能通过检偏器；

(2)线偏振光入射到待测样品浅表层因发生弱散射而逸出为待测样品的光为偏振保持光，其偏振方向也与入射光偏振方向一致。所以，这部分光经过检偏器时将被滤除；

(3)当入射的线偏振光在待测样品内发生多次散射到达待测样品深层，其背向散射光产生退偏现象，光子的偏振方向随机且各个方向都有，且对于平行于检偏器透振方向和垂直于检偏器透振方向的分量贡献一致。因此当光经过检偏器时，一部分多次散射光能透过检偏器到达光场相机进行成像，这时被光场相机采集到的光只包含组织深处的信息。

其中，多次散射为10次以上散射事件。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在现有激光散斑衬比成像技术中引入正交偏振技术，可以实现将组织表面的散射光滤除，减少不同深度层次信息之间的干扰，实现组织深层散斑图样衬比度和信噪比的提高；并且本方法引入的正交偏振对，结构简单，体积小，便于集成，有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置的示意图。

图2为线偏振光照射待测样品后的偏振状态示意图。

图3为本发明的另一实施例示意图。

其中：01为激光光源，02为扩束镜，03为起偏器，04为半透半反镜，05为待测样品，06为检偏器，07为物镜，08为中继透镜，09为光场相机，10为偏振分束器。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通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，都属于本发明的保护范围。

实施例：

图1为本发明实施例提供的一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置的示意图。如图1所示，其主要包括：激光光源01，用于发射激光光束，照射待测样品05；扩束镜02，用于使激光的照射面积扩大，同时也使激光照射更为均匀；起偏器03，用于使通过的光变成线偏振光；半透半反镜04，用来反射激光光源01发射的光线以及透射待测样品05背向散射的光线；待测样品05，为用由1％琼脂糖和2％奶油的混合溶液，用以模拟的生组织液，注射有10％淡奶油稀释液的毛细血管用以模拟组织中不同深度的血管；检偏器06，其透振方向与起偏器03的透振方向垂直，用于滤除从待测样品05散射退偏的光子，使从待测样品05散射的光子选择性地通过；物镜07，用于收集从待测样品05背向散射的光，对散斑图像进行初步放大；中继透镜08，用于对散斑图像再一次放大；光场相机09，用于对散射光进行采集成像，并利用数字重聚焦功能实现图像的景深拓展。

该技术方案依据的理论原理可参见附图2，图2表示了线偏振光照射待测样品05后的偏振状态示意图。

如图2所示：

1、当线偏振光照射待测样品05时，一部分被待测样品05表面直接散射，仍为线偏振光，且偏振方向与入射光偏振方向一致，因此这部分光不能通过检偏器06。

2、线偏振光入射到待测样品05浅表层(图2中a区域)因发生弱散射而逸出为待测样品05的光为偏振保持光，其偏振方向也与入射光偏振方向一致。所以，这部分光经过检偏器06时将被滤除。

3、当入射的线偏振光在待测样品05内发生多次散射(10次以上散射事件)到达待测样品05深层(图2中b区域)，其背向散射光产生退偏现象，光子的偏振方向随机且各个方向都有，且对于平行于检偏器06透振方向和垂直于检偏器06透振方向的分量贡献一致。因此当光经过检偏器06时，一部分多次散射光能透过检偏器06到达光场相机09进行成像，这时被光场相机09采集到的光只包含组织深处的信息。

图3为本发明的另一实施例，即用一个偏振分束器10代替起偏器03、半透半反镜04和检偏器06三者的共同作用，其对光路的转向作用及对散射光的选择透过效果不变。入射光照射在偏振分束器10上，沿S方向振动的分量被反射到待测样品05上，经待测样品05散射发生不同程度的退偏，散射光中沿S方向振动的分量被偏振分束器10滤除，只有沿P方向振动的分量透过偏振分束器10经过物镜07和中继透镜08最后被光场相机09接收。偏振分束器10代替起偏器03、半透半反镜04和检偏器06，可以提高光的利用率，同时使光路更加简洁易调节。

本发明实施例的上述方案，引入一对正交偏振片或一个偏振分束器，利用正交偏振技术将来自组织不同深度的散射光区分开，使从组织表面直接散射的光和组织浅表面的弱散射光滤除，只允许组织深处多次散射的光通过并被光场相机采集成像，因此消除了不同深度层次的光相互叠加对成像的影响，可以实现针对血管分布在更深处的组织探测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置，其特征在于，包括：

激光光源，用于发射激光光束，照射待测样品；

扩束镜，用于使激光的照射面积扩大，同时也使激光照射更为均匀；

起偏器，用于使通过的光变成线偏振光；

待测样品，为生物组织、散射介质、浑浊液体等；

半透半反镜，用来反射所述激光光源发射的光线以及透射所述待测样品背向散射的光线；

检偏器，其透振方向与所述的起偏器透振方向垂直，用于滤除从所述待测样品散射退偏的光子，使从所述待测样品散射的光子选择性地通过；

物镜，用于收集从所述待测样品背向散射的光，并对散斑图像进行初步放大；

中继透镜，用于对散斑图像再一次放大；

光场相机，用于对散射光进行采集成像，并实现图像的景深拓展功能。

2.根据权利要求1所述的实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置，其特征在于，所述激光光源为红光或者红外波段的激光，血液中的血红细胞对该波段的光不吸收，当所述激光光源照射血管组织时，血红细胞会将激光反射回来，形成背向散射光。

3.根据权利要求1所述的实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置，其特征在于，所述待测样品为生物组织、散射介质、浑浊液体等，激光照射到所述待测样品，其表面直接散射的光和浅表面弱散射的光均为偏振保持光，在组织较深层多次散射的光子发生退偏，振动方向随机。

4.根据权利要求1所述的实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置，其特征在于，所述起偏器和检偏器为一对正交偏振片，经过起偏器的线偏振光照射到所述待测样品上，从所述待测样品表面和浅表面散射的偏振保持光不能经过检偏器，只有从所述待测样品深层散射的光可以部分通过。

5.根据权利要求1所述的实现深层组织探测的激光散斑衬比成像装置，其特征在于，所述光场相机为基于微透镜阵列的光场相机，利用所述光场相机的数字重聚焦技术，可以使用算法对图像进行景深拓展，实现大景深成像。

6.一种实现深层组织探测的激光散斑衬比成像方法，利用权利要求1所述的装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、将装置固定在光学平台上，打开激光器，激光光束先后经过扩束镜扩束和起偏器起偏，而后经过半透半反镜反射照射在待测样品上；

步骤(2)、待测样品中处于不同深度的散射粒子对入射的偏线振光发生散射，散射光发生不同程度的退偏；

步骤(3)、散射光逸出待测样品表面后，透过半透半反镜到达检偏器，偏振方向与检偏器透振方向平行的散射光光子透过检偏器后发生随机干涉产生散斑信号，其余部分被检偏器滤除；

步骤(4)、散斑信号被物镜收集进行初步放大，而后经过中继透镜被再次放大后，由光场相机接收得到原始散斑图像；

步骤(5)、通过算法对原始散斑图像进行处理，最终得到待测样品深层的分布图像。

7.根据权利要求6所述的实现深层组织探测的激光散斑衬比成像方法，其特征在于，待测样品中不同深度层次的散射光发生的不同程度退偏，包括如下几种类型：

(1)表面反射光：当线偏振光照射待测样品时，一部分被待测样品表面直接散射，仍为线偏振光，且偏振方向与入射光偏振方向一致，这部分光不能通过检偏器；

(2)偏振保持光：线偏振光入射到待测样品浅表层因发生弱散射而逸出为待测样品的光为偏振保持光，其偏振方向也与入射光偏振方向一致，所以，这部分光经过检偏器时将被滤除；

(3)多次散射光：当入射的线偏振光在待测样品内发生多次散射到达待测样品深层，其背向散射光产生退偏现象，光子的偏振方向随机且各个方向都有，且对于平行于检偏器透振方向和垂直于检偏器透振方向的分量贡献一致，当光经过检偏器时，一部分多次散射光能透过检偏器到达光场相机进行成像，这时被光场相机采集到的光只包含组织深处的信息。

8.根据权利要求6所述的实现深层组织探测的激光散斑衬比成像方法，其特征在于，多次散射为10次以上散射事件。

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