利用对光学相干断层扫描的波阵面调制来提供散斑减少的系统、装置和过程 【相关申请的交叉引用】
本申请基于2006年1月20日提交的美国专利申请第60/760,592号并且要求该申请的优先权权益，该申请的全部公开内容通过引用结合于此。
关于联邦政府赞助研究的声明
本发明是按照由国家健康学会授予的第RO1EY014975号和第RO1RR019768号合同以及由国防部授予的第F49620-021-1-0014号合同，在美国政府的支持下实现的。
【技术领域】
本发明涉及利用从样本表面反射并且与参考光束做比较的光束来进行光学成像的系统、装置和方法，其中在连续测量过程中修改从样本返回的光的波阵面(wavefront)，使得采集的数据可以用来减少散斑(speckle)的出现。示例性的系统、装置和方法可以允许在横向和轴向分辨率几乎没有减小的情况下减小单个光学相干断层扫描图像内的散斑对比度。
背景技术
光学相干断层扫描是测量参考光束与从样本反射回的检测光束之间的干涉的成像技术。传统的时域OCT的具体系统说明是先由Huang等人描述的(参见如这里下文给出的标号[1]所标记的出版物)。对于谱域OCT以及光频域干涉测量系统和过程的示例性具体说明在例如2004年9月8日提交的国际专利申请PCT/US2004/029148、2005年11月2日提交的美国专利申请第11/266,779号以及2004年7月9日提交的美国专利申请第10/501,276号中有描述，这些申请的公开内容通过引用完整地结合于此。在所有这些示例性系统和过程中，可以汇编一系列深度扫描以创建样本的横截面图像。
各种扩展可以在OCT成像过程和系统上单独提供关于组织特性的附加信息。例如，极化敏感OCT(PS-OCT)可以提供利用对样本的光极化改变特性的敏感性的附加系统和过程(参见如这里下文给出的标号[2-6]所标记的出版物)。两个正交极化通道中干涉条纹的同时检测可以允许确定光的斯托克斯参数(参见如这里下文给出的标号[6]所标记的出版物)。入射状态与通过来自样本的反射信号而获得的状态的斯托克斯参数相比较可以产生光学特性如双反射的深度分辨图(参见如[6]所标记的出版物)。此外，光学多普勒断层扫描(ODT)系统和过程能够进行流的深度分辨成像(参见如这里下文给出的标号[7-10]所标记的出版物)。可以通过测量由光从移动粒子的后向散射所致的干涉条纹图案的载波频率的偏移或者通过比较一个A线与下一A线的干涉条纹图案的相位来实现流敏感性。相位分辨光学多普勒断层扫描(ODT)系统和过程(参见如这里下文给出的标号[9、10]所标记的出版物)可以通过观测连续深度扫描之间的相位差来实现流的深度分辨成像。
OCT中散斑的主要来源之一在Schmitt等人的著作中有讨论(参见如这里下文给出的标号[11]所标记的出版物)。在这一出版物中，提出应当考虑在组织上入射的聚焦波在它经过组织传播到样本体积、后向散射、然后再次经过组织传播到透镜时所经历的变化。这一出版物还提出，两个主要过程影响返回波的空间相干：(1)光束在所需样本体积内外的多次后向散射以及(2)由多次前向散射所引起的前向传播和返回光束的随机延迟。虽然这些过程中的第一过程是粗糙表面成像时散斑的主要来源，但是第二过程在利用穿透波的相干成像系统如OCT中也必须加以考虑。(如在这一出版物中所指出的)两个过程的共同特征在于它们改变返回光束的波阵面的形状，并且产生在OCT图像中作为散斑出现的局部化的构造性和破坏性干涉区域(参见如这里下文给出的标号[12]所标记的出版物)。
例如，从样本中的特定位置返回的光的波阵面被样本的其它部分修改。样本的这些其它部分，包括对多次后向散射有作用的邻近区域和沿着从特定位置返回的光的光路的区域，可以视为改变返回光束的波阵面形状的滤波器。所述滤波器的效果产生了形成所得散斑图案的局部化的构造性和破坏性干涉图案。用于在样本中成像的光的波长的约几分之一的改变将造成不同滤波器并且因而也造成不同散斑图案。
极化散斑图案的标准偏差等于它的平均强度(参见如这里下文给出的标号[13]所标记的出版物)。因而，散斑可以掩盖强度图像中小的、薄的或者弱反射的结构的存在。此外，能够确定相位的准确度随着更高信噪比(“SNR”)而提高。反射光强度已被散斑所抑制的区域因此将具有更低的SNR并且因此就相位确定而言具有更高的不定性。由于极化敏感OCT测量和多普勒OCT测量依赖于相位确定，所以极化特性和流确定的准确度将在散斑所致破坏性干涉的这些局部化区域中受损。因此，减少散斑对比度的能力对于传统的基于强度的OCT以及对于扩展型OCT如OS-OCT和多普勒OCT可以是有益的。
可由OCT成像分辨的最小结构的大小取决于OCT系统的横向和轴向分辨率。轴向分辨率主要取决于源的谱带宽，而横向分辨率受制于用来将光聚焦到样本中的光学器件。样本上的聚焦调制可以产生关于比横向分辨率更小的结构存在的信息。
针对OCT中散斑减少的问题有数个现有解决方案。最简易的方法是简单地平均同一样本的多个正常采集的OCT图像。除要求多个图像之外，这一方法的主要问题还在于尽管每个图像都具有它自己的散斑图案，但是这些图案常常高度相关。对于连续地快速采集的图像就是这种情况，因而难以察觉散斑对比度的减小。
具体而言，通过使用未极化的源光束以及以极化敏感方式来测量干涉仪的参考臂与样本臂之间的干涉，极化分集也可以用来减少OCT图像中的散斑。这一技术背后的推理在于两个正交极化状态所生成的图像将具有它们自己的散斑图案。然而，这一方法的两个主要缺点在于散斑图案SNR的减少是有限的，并且这样的技术不能在PS-OCT系统中使用。
在空间复合过程中，从样本体积或者略微移位的多个样本体积得到的信号的绝对量值被平均，以形成散斑噪声减少的新信号。该技术的效果取决于总共被平均的信号的数目。已经以角复合的形式使用了这一技术在OCT中的多个早先应用，其中位于物镜的后向傅立叶平面中的检测器阵列以不同角度接收从同一样本体积后向散射的光(参见如这里下文给出的标号[11]所标记的出版物)。这些方法就系统实施而言是复杂的，并且增加了应当采集的数据量。
频率复合利用在针对不同光学波长范围的散斑化图像之间的降低的相关性。在针对光源全谱的小的子带的所得散斑图案之间的相关性依赖于所述子带的大小和重叠(参见如这里下文给出的标号[11]所标记的出版物)。然而，光带宽的任何减小都可能会造成轴向分辨率的损失，这使得此方法可能不适合用于OCT。
另外，已经使用多种后处理方法来减少OCT图像中的散斑。这些技术包括中值滤波、同态维纳滤波、多分辨率小波分析以及自适应平滑(参见如这里下文给出的标号[11]所标记的出版物)。尽管这些技术中的数种技术是有效的，但是它们要求大量计算。
因而，解决和/或克服这里上文描述的至少一些不足可能是有益的。
【发明内容】
本发明的目的之一在于克服常规系统和方法(包括这里上文描述的系统和方法)的某些缺点和不足，并且提供用于利用从样本表面反射并且与参考光束做比较的光束来进行光学成像的系统、装置和方法的示例性实施例，其中在连续测量过程中修改从样本返回的光的波阵面，使得采集的数据可以用来减少散斑的出现。
有对减小散斑对比度有益的本发明的示例性实施例的数个示例性的方面。例如：
a.可以通过平均具有不同散斑图案的少量深度扫描在单个图像内实现散斑减少。这一技术的实施并不总是增加所需采集的数据量。
b.通过在样本臂光束路径中的波阵面改变元件的添加来实施到现有OCT系统中。
c.无需复杂的后处理就可以实现图像中的散斑对比度的减小。
d.应用于更复杂的成像系统，比如为自适应光学器件而设计的或者具有为高分辨率而设计的光学器件的OCT系统。
e.应用于OCT的其它变体，比如极化敏感OCT和多普勒OCT。
f.检测比样本上的光聚焦体积更小的结构。
相干光发生干涉的任何光学成像系统都可能会有散斑并且可以从本发明的示例性实施例中受益。例如，可以将设备添加到先前存在的成像系统如OCT系统或者共焦显微镜的样本光束路径中，以快速地修改从样本反射回到成像系统中的波阵面。平均从同一位置或者邻近位置利用该示例性设备而获得的少量测量结果可以减少所得图像中散斑的出现。此外，对在利用该设备的情况下获得的数据的恰当使用和分析将允许检测比聚焦体积更小的结构。
根据本发明的一个示例性实施例，可以提供用于生成与样本的至少一个部分相关联的信息的系统和方法。例如，可从至少一个部分接收和/或向该部分发射至少一个电磁辐射。可以提供从该部分接收和/或向该部分发射的电磁辐射的至少一个第一波阵面，以生成至少一个第一发射波阵面。在生成第一发射波阵面之后，可以修改从该部分接收和/或向该部分发射的电磁辐射的至少一个第二波阵面的至少一个特征，以生成与第一发射波阵面不同的至少一个第二修改波阵面。上述过程可以由至少一个第一装置实现。另外，可以例如使用至少一个第二装置、基于第一发射波阵面和第二修改波阵面来生成所述信息。
在本发明的另一示例性实施例中，可以在修改所述一个第二波阵面的特征之前修改第一波阵面的至少一个特征，以生成第一修改波阵面。可以基于第一和第二修改波阵面来生成所述信息。可以基于第一和第二修改波阵面来生成另外的信息，并且所述另外的信息可以与比接收电磁辐射的该部分的聚焦体积更小的该部分的特定体积相关联。第一装置可以包括微可变形镜、可变形反射膜、可变形透射膜、光电空间光调制装置、旋转或者平移、反射或者透射元件和/或被配置成修改至少一个电磁辐射的波阵面的装置。
根据本发明的又一示例性实施例，可以平均所述信息以产生散斑噪声比所述信息中的散斑噪声更低的结果数据。第一装置可以位于导管装置中。第二装置可以包括可从样本臂接收至少第一和第二波阵面并且从参考臂接收另一电磁辐射的干涉仪装置。第一和第二波阵面可以与在样本的该部分内的近似同一聚焦体积相关联。第二装置可以包括共焦显微镜装置。电磁辐射的第二波阵面的特征可以是第二波阵面的相位，并且其中可以将相位改变最多约2。
在本发明的另一示例性实施例中，可补偿与样本的该部分和/或在第一装置和/或第二装置内的光束路径相关联的预定波阵面失真。第一装置还可以包括至少一个第三装置，第三装置可以是至少一个光纤和/或具有针孔的结构。第三装置可以选择从样本的该部分接收的电磁辐射的至少一个部分。所述信息可以与所述至少一个部分的反射率、在该部分内的运动和/或该部分的极化特性相关联。可以提供另一装置，该另一装置被配置成利用在所述部分上的电磁辐射来扫描所述部分，以生成与所述部分(例如解剖结构)的二维图像和/或三维图像相关联的另外的信息。
当结合附图阅读本发明实施例的以下详细描述时，本发明的其它特征和优点将变得清楚。
【附图说明】
本发明的示例性目的、特征和优点将从结合示出本发明示例性实施例的附图的以下详细描述中变得清楚，在附图中：
图1是根据本发明的实现散斑减少的波阵面修改的反射方法的示例性实施例的图示；
图2是根据本发明的实现散斑减少的波阵面修改的透射方法的示例性实施例的图示；
图3是根据本发明的过程的示例性实施例的流程图；
图4是根据本发明示例性实施例的系统和过程的使用的示例性实施的图示，其中使用了将光束引向微可变形镜的准直仪；
图5是根据本发明示例性实施例的系统和过程的使用的示例性实施的图示，其中使用了远心配置的附加透镜；
图6是根据本发明示例性实施例生成的各种微可变形镜所得的示例性横向和轴向分辨率的散射图；
图7是用于增加根据本发明示例性实施例生成的微可变形镜图案的幅度的示例性信噪比的图；
图8是用单个静态图案(左侧对)来成像并且在两个不同的镜图案(右侧对)之间交替的小鸡肌肉的示例性样本的强度和相位延迟图像；
图9是根据本发明示例性实施例的图8的小鸡的示例性样本的相位延迟图像的轴向FWHM、强度散斑对比度和标准偏差的图；以及
图10是根据本发明示例性实施例的利用静态镜图案(左侧集)在活体中采集的并且在两个不同镜图案(右侧集)之间交替的示例性人的指尖区域的图像。
在附图中，除非另有指明，否则相同标号和字符用来表示所示实施例的相似特征、元件、部件或者部分。另外，尽管现在将参照附图具体描述主题发明，但是这是结合示例性实施例来进行的。旨在可以在不脱离如所附权利要求限定的主题发明的真实范围和精神的情况下对描述的实施例进行变化和修改。
【具体实施方式】
本发明的示例性实施例包括对示例性OCT成像系统的样本臂的某些修改，并且还可以包括用以修改检测到的从样本返回的光的空间模型(例如修改从样本返回的光的波阵面)的设备。例如，用设备的不同设置从同一或者邻近位置采集的少量测量结果可以以在轴向或者横向分辨率损失很小的情况下减小单个图像中的散斑对比度的方式一起被平均。这可以提供对本来由于散斑的存在而被掩盖或者难以分辨的小的、薄的或者弱反射的结构的更好成像。在使用该设备时获得的数据也可以用来检测小于聚焦体积的结构的存在。
图1提供了根据本发明的实现散斑减少的波阵面修改的反射方法的示例性实施例的图示。图2提供了根据本发明的实现散斑减少的波阵面修改的透射方法的示例性实施例的图示。例如，从样本的聚焦体积(图1的1000和图2的2000)返回的光的波阵面(图1的1010和图2的2010)可被样本的其它部分(图1的1020、1030和图2的2020、2030)调制，这有可能引起特定的散斑问题。可以在样本光束路径中引入元件(图1的1070和1080)以进一步修改波阵面，这造成不同的散斑图案。波阵面改型可以针对连续深度或者横向扫描来变化，使得这些扫描将具有不同的散斑图案。平均少量扫描结果就会产生散斑对比度减小的图像，而所得图像的结构无变化。
在样本臂光束路径中引入这种能够修改光学元件的波阵面的两个示例性方式可以分别是通过反射和透射，如图1和图2中所示。在这些示例性方法中，全样本光束内小光束的全部路径长度通过波阵面修改部件(图1的1070和图2的2070)而相对于彼此略微地被修改，这造成整个光束的改变的波阵面(1080和2080)。通过在深度扫描之间改变该小光束修改图案，可以产生不同的散斑图案。这些相对移动的幅度只需是约光学波长的一小部分，以明显地改变散斑图案。可以在深度扫描之间修改相对路径长度改变的图案，并且可以平均来自同一或者邻近区域的少量深度扫描的所得测量结果，以实现单个图像内的散斑减少。尽管具有不同散斑图案的至少两次这样的深度扫描是优选的，但是可以使用任何数目的波阵面图案和深度扫描来进一步减少散斑。
在图3中示出了根据本发明的技术的示例性实施例的流程图。例如，可以用波阵面变形图案1采集深度或者横向剖面3000，继而用波阵面变形图案2采集剖面23010。然后可以平均深度剖面1和2中的信息以减少散斑3020。可以通过采集和总共平均来自与更大数目的波阵面变形图案相对应的更大数目的深度剖面的信息来提高散斑减少的量。
为了不改变系统的轴向分辨率，优选的是整个光束路径长度在图案之间的变化小于系统的轴向分辨率。此外，可以通过保证由波阵面改变光学元件引起的样本光束的最小角位移来很大程度地保持系统的横向分辨率。
反射式的本发明示例性实施例的某些示例性实现可以包括但不限于使用微可变形镜(mDM)、使用其上引入表面波的反射膜以及使用回旋、平移或者旋转反射元件，其中通过将光学元件的不同区域移动到样本光束路径中以便连续测量来引入不同的波阵面图案。透射式的其它示例性实现可以包括但不限于使用可以发送振动或者声波的固态或者气态透射元件、使用液晶器件来改变穿过它的小光束的相位或者回旋、平移或者旋转透射光学元件，其中可以通过将光学元件的不同部分移动到样本光束路径中来引入不同的小光束路径长度图案。在各种情况下，最优选的是能够在整个样本光束的小光束之间引入小的相对路径长度或者相位变化，使得光束的波阵面得到修改，以及能够在连续测量之间改变该波阵面改变的图案。
本发明的示例性目的之一在于通过总共平均具有不同散斑图案的少量测量结果来减少散斑。通过在OCT图像的连续深度扫描的采集之间快速地改变散斑图案，可以在单个图像内实现明显的散斑减少。除常规强度OCT成像之外，本发明的示例性实施例还可以与OCT的扩展或者变型一起使用，所述OCT的扩展或者变型包括但不限于极化敏感OCT以及多普勒OCT系统和过程。由于波阵面改变的示例性应用可能应当在图像基本结构不变的情况下改变散斑图案，所以OCT的这些功能扩展和变型不应当非常不利地受到根据本发明的一种或者多种技术的示例性实施例的影响。本发明的示例性实施例对于这些扩展和变型的效果之一可以是提高可分辨的最小可检测相位差。
本发明的示例性实施例也可以与自适应光学系统一起使用。自适应光学系统一般使用波阵面传感器和波阵面改变元件来使样本光束路径中的波阵面变平，以便提高所得图像的横向分辨率。对于本发明的示例性实施例而言优选的此类波阵面修改可以叠加于自适应光学器件所需的波阵面修改上，以便也减少散斑在所得图像内的出现。
本发明示例性实施例的另一使用可以是修改在样本上入射的光束的聚焦以检测在样本的聚焦体积内的子结构。入射光束聚焦可以被调制成匹配样本的聚焦体积内小的子结构。例如，聚焦的空间结构可以被设计成对特定间距和尺寸的子结构提供最大反射。这样的测量与具有不同调制聚焦图案的其它测量的比较就可以产生与尺寸小于聚焦体积的结构有关的信息。
示例性支持数据
在图4中示出了使用微可变形镜mDM 4020的本发明示例性实施例的示例性实施。例如，mDM 4020具有3×3平方毫米反射表面，该反射表面可以通过12×12阵列的140个激励器(阵列的拐角不可控)来修改。谱域OCT系统的样本臂可以由准直仪4010构成，该准直仪将2毫米直径的光束引向微可变形镜4020。光可以被反射到装配电流计的镜4030上，该镜在光穿过聚焦透镜4040(f＝60毫米)之后扫描样本4050上的光。
图5是根据本发明示例性实施例的系统和过程的使用的示例性实施例的图示，其使用远心配置的附加透镜。例如，示例性配置包括分别与图4的透镜4010和4040以及准直仪4030类似的透镜5010和5080以及准直仪5050。此外，图5的示例性配置利用镜5020将光束引向附加透镜5030和5040，这些透镜将光束引向准直仪5050。准直仪5040然后将光束引向另外的透镜5060、5070，这些透镜通过透镜5080将光束引向样本5090。
可以根据具有各种空间频率和幅度的某些示例性图案来设置mDM的激励器，使得图案的整个高度恒定。在该示例性实施例中使用的镜图案如图6中所示可以由2×2 6000、2×2s 6010、6×6 6020和12×12 6030表示。所述图案可以基于检验板，其中每个工件由多个激励器构成。例如，对于12×12图案6030，在两个值之间交替的每个激励器的高度以大约激励器的中间高度为中心。对于2×2图案6000，可以用同一方式计算在两个值之间交替的由36个激励器构成的正方形的高度。2×2s图案6010是2×2图案6000的正弦平滑形式。
可以通过针对具有可变幅度的静态图案对分辨率目标(例如AirForce 1951)进行成像来确定根据本发明示例性实施例的系统的耦合效率、横向和轴向分辨率。在图7和图8中分别示出了这些示例性测量7000和8000的结果。例如，用于不同图案的轴向FWHM从12.2微米到13.3微米变化，这代表轴向分辨率的示例性最小变化。对于各种示例性图案，横向分辨率范围从22微米到31微米，也没有明显地改变。在某些情况下，横向分辨率降级，但是这一降级可以归因于2×2图案的反射角偏差。整个样本成像系统的效率对于各种图案的增加的幅度而言表现了反射信号的降低的信噪比(SNR)。镜图案对是基于它们的SNR值被选择的。
利用根据本发明的系统和过程的示例性实施例，同时以与深度扫描采集速率近似相同的速率使mDM在6×6图案与匹配的12×12图案之间交替，来采集小鸡鸡肉的示例性样本的图像序列。然后利用静态6×6图案对同一示例性样本进行成像。所述图像由覆盖2×2毫米区域的2048×256个像素构成，并且同样地通过总共平均4个深度扫描结果来处理。在图9中示出了代表性图像。对于在镜图案9010之间交替的情况下采集的强度和极化图像而言明显地减少了散斑的出现，而全部强度和相位延迟图像保持相同。在成像序列过程中确定了如从样本的高度反射表面所确定的示例性轴向分辨率10000、在强度(例如散斑对比度)的标准偏差和均值之间的示例性比值10010以及相位延迟的标准偏差10020，并且在图10中示出。镜的状态从交替状态变为在帧11与帧12之间的静态。这由所计算的相位延迟的标准偏差和散斑对比度的急剧上升来指示。轴向分辨率没有明显变化。数据表明在没有分辨率损失的情况下通过使镜图案在两个状态之间交替而减少了散斑。
利用静态镜图案11000并且在连续深度扫描之间的镜图案之间交替11010对人的指纹的基本上同一区域进行成像。在图11中所示的图像中图示了散斑的出现。
这里描述的参考文献如下。
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前文仅说明了本发明的原理。鉴于这里的教导，对所述实施例的各种修改和变动对于本领域技术人员将是清楚的。事实上，根据本发明示例性实施例的装置、系统和方法可以与任何OCT系统、OFDI系统、SDOCT系统或者其它成像系统一起使用和/或实施这些系统，并且可以例如与2004年9月8日提交的国际专利申请PCT/US2004/029148、2005年11月2日提交的美国专利申请第11/266,779号以及2004年7月9日提交的美国专利申请第10/501,276号中描述的系统一起使用，这些专利申请的公开内容通过引用整体上结合于此。因此将认识到，本领域技术人员将能够构思虽然这里没有明确地示出或者描述但是实施本发明的原理并且因此在本发明的精神和范围内的许多系统、装置和方法。此外，由于现有技术知识未在以上通过引用明确地结合于此，现在将现有技术知识整体上明确地结合于此。以上引用于此的所有出版物都通过引用整体上结合于此。