傅立叶域光学相干断层摄影成像仪
阅读：537发布：2023-03-01
专利汇可以提供傅立叶域光学相干断层摄影成像仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种傅立叶域光学相干 断层 摄影(OCT)成像仪。根据本 发明 的OCT成像仪可具有自动对准过程。自动对准过程自动调整成像仪 光谱 仪的至少一个光学部件而使光谱仪在成像会话期间被对准。除了自动对准过程以外，对OCT谱进行背景谱和噪声特性的规一化处理，以提供更为精确而清晰的OCT图像。，下面是傅立叶域光学相干断层摄影成像仪专利的具体信息内容。
1.一种OCT成像仪，包括：
耦合器，耦合为接收来自光源臂的光并将该光提供给采样臂和参考臂，还耦合为接收来自采样臂和参考臂的反射光，并将组合的干涉信号提供给检测器臂；
宽带光源，耦合为向光源臂提供光；
光学延迟线，耦合为接收来自参考臂的光并将光反射回到参考臂；
XY扫描装置，耦合为接收来自采样臂的光并将此光引导至样品上，捕获来自样品的反射光，并将来自样品的反射光耦合回到采样臂，XY扫描装置包括没有光反射回到采样臂的对准位置；
光谱仪，耦合为接收来自检测器臂的组合干涉信号，并提供谱数据，光谱仪包括至少一个可控部件；以及
控制器，响应XY扫描装置处于对准位置时所取得的谱数据，调整所述至少一个可控部件以使光谱仪被对准。
2.权利要求1中所述的成像仪，其中光谱仪包括：
折叠式反射镜，耦合为接收来自检测器臂的组合干涉信号；
透射光栅，耦合为接收来自折叠式反射镜的反射干涉信号；以及
行扫描摄像机，耦合为接收来自透射光栅的衍射光。
3.权利要求2中所述的成像仪，其中光谱仪进一步包括：准直透镜，耦合为将干涉信号引导至折叠式反射镜；以及聚焦透镜，耦合为将来自透射光栅的衍射光引导至行扫描摄像机。
4.权利要求2中所述的成像仪，其中所述至少一个可控部件是折叠式反射镜，折叠式反射镜包括：
反射镜；
致动器，耦合在反射镜与框架之间，致动器响应电信号调整它的长度；以及衬垫，耦合在反射镜与框架之间，反射镜随着致动器的调整而绕衬垫旋转。
5.权利要求2中所述的成像仪，其中光谱仪包括反射式衍射光栅，并且所述至少一个可控部件是反射式衍射光栅。
6.权利要求4中所述的成像仪，其中致动器是压电致动器。
7.权利要求4中所述的成像仪，进一步包括弹簧，该弹簧耦合为保持反射镜紧贴在致动器和衬垫上。
8.权利要求4中所述的成像仪，其中控制器响应行扫描摄像机的第一组检测器所测得的光强与行扫描摄像机的第二组检测器所测得的光强的差值，提供电信号，第二组检测器交替地散布在第一组检测器之间，在横向上偏离第一组检测器。
9.权利要求1中所述的成像仪，进一步包括执行软件的计算机，
其中，所述计算机从光谱仪接收数据；
其中，所述计算机包含控制器；以及
其中，所述计算机编译OCT图像。
10.一种自动对准OCT成像仪的方法，包括：
调整XY扫描装置以使没有光反射到采样臂；
将反射到参考臂的光耦合至光谱仪；
测量光谱仪的行扫描摄像机中的光强；以及
调整光谱仪的光学部件以使光谱仪被对准。
11.权利要求10中所述的方法，其中光谱仪
按照波长将光衍射成行；
检测作为行中位置的函数的光；以及
提供表示作为波长的函数的光强的电信号。
12.权利要求10中所述的方法，其中光谱仪包括将光引导至透射光栅的反射镜，并且所述光学部件包括该反射镜。
13.权利要求12中所述的方法，其中调整反射镜包括向耦合的压电致动器提供电压，以相对于透射光栅调整反射镜的位置。
14.权利要求13中所述的方法，其中调整反射镜包括确定行扫描摄像机的第一组检测器所测得的总光强与行扫描摄像机的第二组检测器所测得的总光强之间的差值，并根据该差值调整加给压电致动器的电压。
15.权利要求14中所述的方法，第二检测器交替地散布在第一组检测器之间，并且在横向上偏离。
16.一种提供光学相干断层摄影(OCT)图像的方法，包括：
采集多个背景谱；
对背景谱进行平均以计算背景谱；
通过该背景谱使多个背景谱中的每一个规一化，形成多个规一化的背景谱；
对多个规一化的背景谱中的每一个进行傅立叶变换处理，并对处理后的多个规一化背景谱进行平均，形成背景噪声谱；
对XY扫描中的每一点采集A-扫描信号；
通过背景谱使A-扫描信号规一化；
对规一化的A-扫描信号进行傅立叶变换处理；以及
通过背景噪声谱使处理后的A-扫描信号规一化以计算OCT图像，其中采集背景谱包括：
调整XY扫描光学系统以使没有光反射到采样臂；
接收只从参考臂进入光谱仪的光；以及
在光谱仪中测量作为波长的函数的光强。
17.权利要求16中所述的方法，进一步包括对准光谱仪。
18.权利要求17中所述的方法，其中对准光谱仪包括：
调整XY扫描光学系统以使没有光反射到采样臂；
接收从参考臂进入光谱仪的光；以及
根据行扫描摄像机所测得的光强，调整光谱仪的部件以使光谱仪被对准。
傅立叶域光学相干断层摄影成像仪
[0001] 本申请要求由Yonghau Zhao和Jay Wei于2006年1月19日提交的临时申请第60/760,050号的优先权，其全文以引用方式结合在本文中。
[0002] 技术领域
[0003] 本发明涉及傅立叶域光学相干断层摄影成像仪以及它的操作。 [0004] 背景技术
[0005] 由MIT在1991开发的光学相干断层摄影(OCT)已成为一种重要的医学成像研究类别，特别是在眼科应用方面。OCT技术以结合纵向扫描(也称为轴扫描、A-扫描或Z-扫描)和横向扫描(也称为XY扫描)所获得的光学相干光谱为基础。XY扫描可以用任何横向扫描模式，包括直线、圆、光栅型扫描或任何其他模式。OCT图像由在OCT成像仪执行A-扫描和XY扫描时的光学干涉信号构成。在多数OCT装置中，A-扫描是对一系列XY坐标进行的。换句话说，对XY扫描中的每一点进行A-扫描以产生一幅完整的OCT图像。因此，成像速度主要决定于A-扫描的扫描速度。
[0006] 图1说明能利用OCT技术的OCT成像仪100。如图1所示，光源101经过耦合器102向采样臂103和参考臂104提供光。参考臂104具有已知长度并将光反射回到耦合器
102。采样臂103向样品106提供光，样品可以是任何所研究的对象包括眼球。来自采样臂
103的反射光和来自参考臂104的反射光在耦合器102中被组合，组合信号被耦合至检测器
105。
102。采样臂103向样品106提供光，样品可以是任何所研究的对象包括眼球。来自采样臂
103的反射光和来自参考臂104的反射光在耦合器102中被组合，组合信号被耦合至检测器
105。
[0007] 图2说明能在样品106中进行的不同扫描类型。采样臂103可包括光学系统，用于使光横跨样品106进行扫描以提供XY扫描。参考臂104的长度可机械地变化以提供A-扫描，或者A-扫描也可以是检测器105中 所用的衍射技术的结果。通过在检测器105处来自采样臂103和参考臂104的光之间的干涉来测量采用OCT技术形成的眼图。 [0008] OCT技术可以分为时域OCT或傅立叶域(或谱域)OCT。在时域OCT中，A-扫描通常由参考臂104的机械扫描装置来提供。因为机械扫描的限制，时域OCT的A-扫描速度一般小于5kHz。进一步增加扫描速度可导致低劣的信噪比，因为达不到更宽的电信号带宽要求。但是在傅立叶域OCT中，A-扫描通常由检测器105中的光谱仪提供。傅立叶域OCT光谱仪典型地包括与衍射光栅耦合的行扫描摄像机。因此，行扫描摄像机接收作为波长函数的光学干涉信号。在对行扫描摄像机接收的信号进行傅立叶变换以后，就能构成OCT图像。因为行扫描摄像机可以有很高的扫描速率(一般＞25kHz)，所以傅立叶域OCT能提供比时域OCT高得多的成像速度。另外，傅立叶域OCT还能提供在相同的A-扫描速率下高于时域OCT的信噪比，因为行扫描摄像机的每一检测元件有较长的积分时间，这与时域OCT光谱仪中所用的典型检测器相反。结果，傅立叶域技术在新一代OCT仪器中流行。 [0009] 傅立叶域OCT中的检测器105典型地包括带有很高精确度的光学和机械系统的高效、高分辨率光谱仪。傅立叶域OCT光谱仪的检测器105中的聚焦光束一般要求以微米量级对准行扫描摄像机的检测器阵列，结果使成像仪100对任何环境变化例如振动和温度非常敏感。OCT仪器将被应用于临床装置，在那里它们是便携式的，并且在那里控制环境条件将是不实际的或者很昂贵。在这种情况下，维持OCT成像仪对准可能成为受限制的问题。因此，要求光谱仪经常对准，以补偿环境变化以及在诊所周围移动OCT成像仪的影响。 [0010] 还有，由于1/f噪声和其他的因素，傅立叶域OCT成像典型地具有沿扫描深度(即沿A-扫描)变化的非均匀噪声背景。未补偿的图像在较小深度位置上有强得多的背景噪声。另外，噪声背景典型地示出与深度位置有线性和其他简单关系，并且从这一系统至另一系统而有所变化，因为每一光谱仪有特定的局部因素。在某些系统中，这些噪声电平也许表现为固定的噪声背景模式，它可能与OCT图像本身混淆在一起。
[0011] 此外，基本的傅立叶域OCT成像仪是DC信号系统，可能出现其他 的缺点。信号的纯度可能受光源101的光谱引起的背景噪声电平的影响。加之，DC背景可能由于环境变化而随时间变化，这也使OCT图像的改善存在着挑战。
[0012] 因此，需要对上述因素进行适当补偿的OCT光谱仪和成像系统。 [0013] 发明内容
[0014] 根据本发明的实施例，公开了提供有自动对准和自动标定的傅立叶域OCT成像仪。在某些实施例中，通过调整检测器臂中一个或多个光学元件进行自动对准，通过周期地获取能在数据处理中用作基准谱的空白谱，进行自动标定。
[0015] 根据本发明的某些实施例的一种OCT成像仪可包括：耦合器，其耦合为接收来自光源臂的光并将该光提供给采样臂和参考臂，耦合器也耦合为接收从采样臂和参考臂来的反射光并将组合的干涉信号提供给检测器臂；宽带光源，其耦合为向光源臂提供光；光学延迟线，其耦合为接收来自参考臂的光并将光反射回到参考臂；XY扫描装置，其耦合为接收来自采样臂的光并将此光引导至样品上，捕获来自样品的反射光，并将来自样品的反射光耦合回到采样臂，XY扫描包括没有光反射回到采样臂的对准位置；光谱仪，其耦合为接收来自检测器臂的组合干涉信号，并提供谱数据，光谱仪包括至少一个可控部件；以及控制器，该控制器响应XY扫描处于对准位置时所取得的谱数据，调整至少一个可控部件以使光谱仪对准。
[0016] 在某些实施例中，光谱仪包括折叠式反射镜，其耦合为接收来自检测器臂的组合干涉信号；透射光栅，其耦合为接收来自折叠式反射镜的反射干涉信号；以及行扫描摄像机，其耦合为接收来自透射光栅的衍射光。
[0017] 在某些实施例中，可控部件是折叠式反射镜，折叠式反射镜包括：反射镜；耦合在反射镜和框架之间的致动器，致动器响应电信号调整它的长度；以及耦合在反射镜和框架之间的衬垫，反射镜随着致动器的调整而绕衬垫旋转。致动器可以是压电致动器。在某些实施例中，弹簧耦合为保持反射镜紧贴(snug)在致动器和衬垫上。
[0018] 在某些实施例中，控制器响应行扫描摄像机的第一组检测器所测得的光强与行扫描摄像机的第二组检测器所测得的光强的差值，提供电信号，第二组检测器交替地散布在第一组检测器之间，在横向上偏离第一组检测器。
[0020] 一种自动对准OCT成像仪的方法，可包括：调整XY扫描以使没有光反射到采样臂；将反射到参考臂的光耦合至光谱仪；测量光谱仪的行扫描摄像机中的光强；以及调整光谱仪的光学部件以使光谱仪对准。光谱仪按照波长将光衍射成一行；对作为行中位置的函数的光进行检测；以及提供电信号以表现出作为波长的函数的光强。在某些实施例中，光谱仪包括将光引导至透射光栅的反射镜，并调整光学部件包括调整反射镜。在某些实施例中，调整反射镜包括向耦合的压电致动器提供电压，以调整反射镜相对于透射光栅的位置。 [0021] 一种根据本发明的某些实施例的提供光学相干断层摄影(OCT)图像的方法，包括：采集多个背景谱；对多个背景谱进行平均以计算背景谱；通过该背景谱使多个背景谱中的每一个规一化，形成多个规一化的背景谱；对多个规一化的背景谱中的每一个进行傅立叶变换处理，并对处理后的多个背景谱进行平均，形成背景噪声谱；对XY扫描中的每一点采集A-扫描信号；用背景谱使A-扫描信号规一化；对规一化的A-扫描信号进行傅立叶变换处理；以及用背景噪声谱使处理后的A-扫描信号规一化以计算OCT图像。采集背景谱可包括：调整XY扫描光学系统以使没有光反射到采样臂；接收只从参考臂进入光谱仪的光；以及在光谱仪中测量作为波长的函数的光强。另外，光谱仪可在OCT图像数据采集以前被对准。
[0023] 附图说明
[0024] 图1说明OCT技术的原理。
[0025] 图2说明OCT技术中的XY和A-扫描。
[0026] 图3说明根据本发明的某些实施例的傅立叶域OCT成像仪。
[0027] 图4说明光谱仪的一个实施例，其能应用于根据本发明的某些实施例的OCT成像仪。
[0028] 图5说明行扫描摄像机，其能应用于图4所示的光谱仪。
[0029] 图6说明可在对准期间利用的方法。
[0030] 图7A和7B说明自动可调部件，其能应用于图4所示的光谱仪。
[0031] 图8说明自动可调的折叠式反射镜，其能应用于图4所示的光谱仪。 [0032] 图9示出OCT图像的噪声分布。
[0033] 图10说明根据本发明的某些实施例的OCT成像方法。
[0034] 图11示出根据本发明的某些实施例的进行OCT成像会话的流程图。 [0035] 图12说明根据本发明的某些实施例的OCT成像会话的信号处理。 [0036] 图13说明XY扫描光学系统，其能应用于本发明的某些实施例。 [0037] 在这些图中，有相同指示号码的元件具有相同或类似的功能。 具体实施方式
[0038] 图3说明根据本发明的某些实施例的傅立叶域OCT成像仪300。如图1所示，傅立叶域OCT成像仪300包括宽带光源301，其耦合至光源臂308向其提供光。光源臂308耦合至耦合器302向其提供光。耦合器302在采样臂309与参考臂310之间进行分光。采样臂309包括XY扫描303，其将光耦合至所研究的对象，它可能是一只眼睛。参考臂310包括可调光学延迟线304。反射到参考臂310和采样臂309的光在耦合器302中组合，并被耦合至检测器臂311。检测器臂311包括光谱仪305。另外，光谱仪305耦合至数据采集器306，后者可耦合至主计算机307。另外，在某些实施例中，XY扫描303和可调光学延迟线304中的光学系统能被数据采集器306或主计算机307控制。
[0039] 宽带光源301可以是例如具有波长约840nm和带宽约50nm的高亮度发光二极管(SLED)。来自宽带光源301的光可耦合至单模光纤，然后耦合至耦合器302。在某些实施例中，耦合器302可以是2×23dB光纤 耦合器，而光源臂308的单模光纤可耦合至光纤耦合器的光源臂。3dB耦合器起着类似分束器的作用，它将来自光源臂308的入射光分成两条臂：参考臂310，其包括可调光学延迟线304；以及采样臂309，其包括XY扫描装置303以及所研究的对象例如视网膜、角膜或其他样品。
[0040] 图13说明可在本发明某些实施例中使用的XY扫描303的实施例。图13中所示的XY扫描303的实施例包括准直透镜1301、X扫描反射镜1302、Y扫描反射镜1303、中继透镜1304和目镜。XY扫描303将光直射至所研究的对象，该对象在图13中用眼球1306表示。X扫描反射镜1302旋转对准眼球1306的X方向的光束。Y扫描反射镜也旋转对准眼球1306的Y方向的光束。如图13中进一步所示，从眼球1306反射的光反射回到采样臂309。如图13中进一步所示，Y扫描反射镜1303可旋转到使光引导至其不能反射回到采样臂309的方向。X反射镜1302和Y反射镜1303的旋转可被电控。
[0041] XY扫描303中的光聚焦在所研究的对象上以得到最大的回射和/或散射光，它将被XY扫描303再次收集，然后耦合回到采样臂309的单模光纤。同样，光也从可调光学延迟线304回射至参考臂310的光纤。两路回射的光学信号，一路来自采样臂309，另一路来自参考臂310，它们在耦合器302中混合产生干涉信号。干涉信号被耦合至检测器臂311，后者耦合至光谱仪305。典型地，进入光谱仪305的光经过衍射光栅耦合至行扫描摄像机。 [0042] 光谱仪305提供指示光强(作为波长的函数)的电信号阵列，其提供干涉信号光谱。从光谱仪305输出的信号被数据采集器306采集，其在某些实施例中可以是帧接收器，然后将信号传送至主计算机307进行处理，包括OCT图像的构造。
[0043] 可调光学延迟线304典型地调整至光谱仪305中所测得的光学干涉信号能被光谱仪305进行解析的位置。典型地，如果采样臂309和参考臂310之间的总光程差小于OCT成像仪300所达到的最大扫描深度，在光谱仪305中就能解析这一光谱。 [0044] 图4说明根据本发明的某些实施例的光谱仪305的一个示例。通常，来自输入光纤401的光入射到衍射装置例如衍射光栅404上，并引导至 行扫描摄像机406。在图4所特指的实施例中，光谱仪305接收来自输入光纤401的光。准直透镜402准直来自输入光纤401的光并将光引导至折叠式反射镜403。折叠式反射镜403将光反射到透射光栅404上。然后通过聚焦透镜405将光聚焦到行扫描摄像机406。入射到行扫描摄像机406上的光是一行，光在行中所处的位置依赖于波长。因此，在每一像素(或者检测器)上所测得的信号指示特定波长上的OCT信号的光强。
[0045] 图4所示的光栅404是透射光栅，但也能使用反射光栅或其他色散元件，光在那里按照波长的函数分散。为了得到高效率，光谱仪305的光学设计应当最佳化而使来自输入光纤的光尽可能多地成像到行扫描摄像机406的CCD元件上。由于典型行扫描摄像机的小像素尺寸(一般为10μm×10μm)，光谱仪305对环境条件如温度、机械振动和其他条件可能很敏感。保持光谱仪305对准是一项重要的任务，应当在操作OCT成像仪操作期间周期地进行。要求保持这种对准使傅立叶域OCT很难用于临床应用。为了克服这种局限性，本发明的某些实施例包括主动自动对准，因而为OCT成像仪300的不间断操作提供了保证。 [0046] 图5说明行扫描摄像机406的一个实施例。如图5所示，行扫描摄像机406包括光学检测器501和502的阵列，它们可以是任何光检测器，在某些实施例中是电荷耦合器件(CCD)。通常，检测器501和502排列为单行。检测器501和502的数量确定摄像机的分辨率。一台行扫描摄像机可以包括任意数量的检测器，例如1024或2048个检测器。 [0047] 来自光栅404的光束作为波长的函数，沿检测器501和502的取向所对应的水平方向(即检测器501和502沿水平方向排列)在一行上分散。光束未对准有三种情形：垂直未对准(即光束在垂直于水平的方向上移位)，水平未对准(即光束水平地移位)，或者旋转未对准(光束行相对于检测器501和502排成的行有转动)。
[0048] 可以用不同的方法调整光谱仪305。例如，可进行旋转对准，即通过旋转光栅404，相对于摄像机406的检测器501和502阵列限定的水平方向旋转横向光束。还可进行水平对准，即通过调整光栅404，使检测器501和502上的光束在水平方向上移位。进行垂直对准，即通过调整反射镜403的取向，使所有波长的光束最佳地析射以便入射到检测器501和502上。在光谱仪305的某些实施例中，来自光栅404的光束的旋转对准、水平对准和垂直对准，被设置为周期性的维护对准，在成像仪操作期间，这些设置保持不变直至下一维护周期。在每次对准中，对准光束，以使摄像机406所接收的功率在已知条件下最大化。所述已知条件例如直接通过只有反射到参考臂310的光进入光谱仪305而获得。 [0049] 但是，如上所述，光谱仪305的对准将会随使用情况和环境条件而漂移。因此，在根据本发明的某些OCT仪器中，在成像会话期间或正好在此以前的自动对准步骤中完成垂直、水平或旋转对准中的一种或多种。成像会话是一个时间周期，在此期间OCT成像仪300对OCT图像或OCT图像的一部分进行采集。
[0050] 在某些实施例中，光束垂直对准的自动对准步骤在每次成像会话开始时启动。光束在水平方向精细的自动对准也许是不必要的，因为在水平方向稍未对准仅意味着小的谱漂移，也就是几个像素量级，是可以忽略或者可以利用主计算机307中的操作软件进行补偿的。由于在行扫描摄像机406中通常有一千个以上像素，所以这样小的谱漂移基本上不会对OCT成像仪的性能产生影响。另外，自动旋转对准也可能是不必要的。自动对准一般比平移对准强健(robust)(即对环境条件不敏感)。而且，如果旋转对准稍稍关闭，由于检测器501和502的垂直范围的关系，对性能应该没有多大影响。典型地，检测器501和502和垂直自动对准约为10μm的高度，旋转未对准致使光束的末端漂移小于5μm左右，这对性能应该没有什么影响。
[0051] 光束的垂直漂移对性能结果有显著的影响。另外，由于仪器调整以适应环境条件的变化以及由于仪器在诊所内搬动，垂直未对准更会经常发生和更可能碰巧发生。 [0052] 一种自动对准方法是，调整光谱仪305的光学系统使行扫描摄像机406所接收到的总功率最大化。总功率能通过对来自所有检测器501和502的信号求和的方法计算出来。但是，如果从采样臂404来的反射功率不能忽略，并且随时间以及从一个对象至另一个对象而变化的话，这种过程是不可靠的。基于行扫描摄像机406所接收到的总功率的对准算法，大概是非常困难的，因为光谱仪305的实际输入功率不是固定的。
[0053] 图6说明根据本发明的某些实施例的自动对准的操作方法。图6说明图3所示的XY扫描303的成像视场600。在操作期间，所研究的对象被安排在成像视场600内。在成像期间，XY扫描303以正常扫描模式601引导光，使光被成像视场600内的所研究的对象反射回到采样臂309。但是在对准期间，XY扫描303中的光学系统被设置成以对准模式602引导采样臂309中的光束，对准模式将光束引导到成像视场600以外。结果，没有经过采样臂309反射回来的光，而来自参考臂310的反射光即与所研究的对象无关的光，能被用于对准光谱仪305。
[0054] 图7A和7B说明折叠式反射镜403的一个实施例，其能用于光谱仪305中。图7A和7B所示的折叠式反射镜403的实施例包括反射镜701和安装板702。安装板702和反射镜701耦合至压电致动器703的相对的两端。而且，安装板702和反射镜701被支撑球704隔开。压电致动器703的长度随加在致动器703上的电压而变化。因此，反射镜701能相对于行扫描摄像机406倾斜以引导来自准直透镜402(图4)的光束。于是行扫描摄像机
406的光束能通过改变压电致动器703上的电压进行调整。如图7A和7B中所示，反射镜控制器705与压电致动器703电耦合，以便控制压电致动器703上的电压，该电压控制反射镜
701相对于安装板702的取向。
406的光束能通过改变压电致动器703上的电压进行调整。如图7A和7B中所示，反射镜控制器705与压电致动器703电耦合，以便控制压电致动器703上的电压，该电压控制反射镜
701相对于安装板702的取向。
[0055] 行扫描摄像机406上的总光学功率能用对来自检测器501和502每一个的信号求和的方法计算出来。通过调整压电致动器703上的电压，可以使总光学功率最大化。在自动调整操作期间，光谱仪305的输入功率应该保持恒定。为了确保功率不受从采样臂309返回来的光的影响，XY扫描装置303应该设置为对准扫描模式602，以使XY扫描光束在成像视场以外，如图6所示。在正常扫描期间，XY扫描光束303通常在成像视场600以内。在自动对准期间，由于将很大的偏置加至XY扫描装置303，XY扫描光束在成像视场600以外。没有光会反射到采样臂309，因为扫描光束被引导至视场孔径，可认为它是非反射物质。结果，只有从参考臂310反射回来的光到达光谱仪305，所以在自动调整期间，光谱仪305上得到的是恒定功率。
[0056] 在某些实施例中，反射镜控制器705能直接耦合到数据采集器306。 在某些实施例中，反射镜控制器705能耦合到主计算机307。如上所述，光谱仪305的自动对准能用采样臂309的XY扫描303的光学系统以对准模式602完成。此时，从参考臂310反射的光引导至光谱仪305，而没有来自采样臂309的光。
[0057] 如图5所示，行扫描摄像机406的某些实施例的安排是使行扫描摄像机406的检测器501稍微垂直地偏离检测器502。当光学未对准时，在检测器501与检测器502之间将有明显的光学功率差。在某些实施例中，最佳算法是调整折叠式反射镜403使检测器501和502所测得的光学功率差最小化。
[0058] 算法一般是快速的，因为其中折叠式反射镜403的调整方向依赖于检测器501所测得的总光学功率与检测器502所测得的总光学功率的差值的符号。入射到行扫描摄像机406的光束是否对准的指标是检测器501所测得的总光强与检测器502所测得的总光强之间的差值。如果光束位置太高，则检测器502所测得的总光强将高于检测器501所测得的总光强。如果光束太低，结果则相反。
[0059] 可以实现一种反馈环路，其中，改变加在压电致动器703上的电压(调整致动器703的长度)直至检测器502所测得的总光强与检测器501所测得的总光强之间的差值低于阈值。这个反馈环路能在数据采集器306、主计算机307或反射镜控制器705中实现。为此，通过将不同的电压加到压电致动器703上，改变压电致动器703的实际长度。结果，根据加到压电致动器703上的电压对折叠式反射镜403的垂直角进行调整，行扫描摄像机406上的聚焦光束便能以微米的长度尺度，上下移动，从而匹配检测器501和502的位置。 [0060] 图8说明折叠式反射镜403的另一实施例。如图8所示，折叠式反射镜403包括安装在底座802上的反射镜803。反射镜803和底座802安装在框架801内，它可以是光谱仪305的整个框架的部件。框架801包括唇缘810。衬垫806提供在底座802的一侧上底座802与唇缘810之间，而压电致动器804在底座802另一侧上将底座802与唇缘810隔开。在某些实施例中，衬垫806包括一个或多个球轴承，但圆柱衬垫或其他衬垫也能使用。
衬垫806允许底座802绕衬垫806旋转。底座802与压电 致动器804紧密接触。弹簧807在图8所示的实施例中处于压缩状态，提供在底座802和反射镜803相对的那一侧与框架
801之间。弹簧807使底座802紧贴在衬垫806和压电致动器804上。在某些实施例中，调整螺钉805提供在底座802与压电致动器804之间。在某些实施例中，调整螺钉805可以穿过唇缘810而不是底座802。当OCT成像仪300使用时，调整螺钉805提供可加以设置的初始或进程对准调整(coursealignment)。
衬垫806允许底座802绕衬垫806旋转。底座802与压电 致动器804紧密接触。弹簧807在图8所示的实施例中处于压缩状态，提供在底座802和反射镜803相对的那一侧与框架
801之间。弹簧807使底座802紧贴在衬垫806和压电致动器804上。在某些实施例中，调整螺钉805提供在底座802与压电致动器804之间。在某些实施例中，调整螺钉805可以穿过唇缘810而不是底座802。当OCT成像仪300使用时，调整螺钉805提供可加以设置的初始或进程对准调整(coursealignment)。
[0061] 如图8所示，压电致动器804的长度可通过提供给致动器804的电压进行调整，压电致动器804调整反射镜803的取向从而调整行扫描摄像机406上的光束。压电致动器804(或者上述压电致动器703)可以是能例如从ThorLabs，Newton，NJ.买到的叠层式压电器件。在某些实施例中，在致动器804上加约100V的电压时，压电致动器804能伸展到它的最大长度。致动器804可以是能电控其长度的任何器件，例如任何类型的平移台(垂直方向上)如线性马达、步进马达、或超声马达，它们能调整输入光纤、或行扫描摄像机、或准直透镜、或聚焦透镜的垂直位置。在用反射光栅替代透射光栅的系统中，自动对准致动器也能用光栅架安装。
[0062] 致动器804电耦合至从源809接收信号的反射镜控制器808。源809可以是数据采集器306或主计算机307。如上所述，致动器804的长度响应来自行摄像机406的检测器501和502的信号而调整，直至光束对准摄像机406。在某些实施例中，致动器804的长度响应检测器501入射光的总光强与检测器502的入射光的总光强之间的差值而调整。 [0063] 尽管已经对利用折叠式反射镜403作为可调整的部件的自动对准进行了描述，但也可利用能影响入射在扫描摄像机406上的光束位置的任何部件。例如，可利用摄像机406的位置、聚焦透镜405的取向或透射光栅404的取向。在利用反射光栅替代透射光栅的系统中，反射光栅的取向可作为自动对准的调整部件。
[0064] 因此，根据本发明的某些实施例，在每次OCT成像会话的开始添加一个自动对准步骤。在这一自动对准步骤中，XY扫描303设置为“对准扫描模式”602，这时采样臂309中没有反射光束。然后主计算机307对 行扫描摄像机406进行数据采集，并计算从行扫描摄像机406的检测器501和502接收到的光学功率。接着主计算机307指令反射镜控制器705或808调整折叠式反射镜403的取向，使检测器501的总功率与检测器502的总功率的差值最小化。如上所述，本发明的某些实施例在会话以前调整反射镜403使总功率最大化，而某些实施例则调整光谱仪305的其他部件使行扫描摄像机406对准光束。虽然这一操作能在一次OCT会话(即获取一个或多个所研究的对象的OCT图像的会话)期间周期性地进行，但自动对准过程也能在会话期间的任何时间进行。
[0065] 应当注意，一旦垂直对准，从行扫描摄像机406的一侧到行扫描摄像机406的另一侧所测得的功率的差值意味着旋转或水平未对准。在某些实施例中，自动旋转对准或自动水平对准或两者都可利用行扫描摄像机406的左和右检测器所测得的入射功率的差值来进行。在某些实施例中，左检测器所测得的功率与右检测器所测得的功率的大差值，可以用来向操作者指示需要手动对准。
[0066] 除了对准问题以外，OCT成像仪还有噪声和失真问题。特别是，未补偿的傅立叶域OCT图像中可能存在固定的噪声背景模式，如果不加考虑的话，就容易使所得的OCT图像失真。此外，OCT谱应该相对于宽带光源301的谱分布进行规一化的处理。在根据本发明OCT成像仪的某些实施例中，可以通过减去背景谱消除背景噪声模式。在某些实施例中，背景谱是当时宽带光源301设置在没有反射光进入采样臂309的位置时来自参考臂310的谱信号。如上所述，OCT谱是从采样臂309和参考臂310来的组合信号，该信号是干涉信号。从参考臂310和采样臂309来的反射信号的组合，将类似DC谱的信号转换为AC信号(干涉信号)，这有助于明晰(clarify)OCT图像并使不同深度位置上的分辨率一致。 [0067] 图9说明标准OCT图像的噪声特性。如图9所示，1/f噪声随A-扫描深度的减小而增大。而且简单地减去基准谱不能明显地减小OCT谱中的1/f噪声。
[0068] 尽管在OCT仪器中能确定背景谱并且从OCT谱中将它减去，但由于环境变化特别是温度变化，背景谱会随时间变化。即使采用自动光谱仪对准，谱还是可能随时间而不同。如果从OCT谱中减去的谱不是当时 的背景谱，则非均匀噪声背景和其他的有害影响还是会出现，并使OCT图像失真。
[0069] 因此，根据本发明的某些实施例，噪声背景经常更新。图10说明根据本发明的某些实施例的执行OCT图像扫描操作过程的一个例子。如图10所示，每次XY扫描的次序从位于XY扫描光学系统303的成像视场600以外的空白点1001开始。在空白点1001进行某些数量的A-扫描。然后执行正常OCTXY扫描601。图10说明的正常XY扫描601是直线扫描模式，但XY扫描可以是任何其他类型的扫描模式，例如圆、栅、网格或任何其他模式。在完成正常XY扫描601以后，OCT成像仪使XY扫描303返回空白周期1001开始新的扫描序列。
[0070] 在空白周期中，当XY扫描303将光束置于空白点1001时，行扫描摄像机406的数据被采集，并被作为背景谱存储。典型地采集多个个背景谱。背景谱只包括从参考臂310来的数据，因为当光束处于空白点1001时没有光反射回到采样臂309。因为对于每一扫描序列(或每一OCT图像帧)背景谱都被更新，所以背景谱代表包含环境变化影响的真实的背景谱，它们一般比OCT图像帧速慢(一般>5Hz)。通过对多个背景谱进行平均可算出背景谱，提高信噪比。另外，主计算机307也能监控行扫描摄像机406所接收的功率，以确定光谱仪305是否对准或者是否需要执行自动对准步骤。
[0071] 图11说明根据本发明的某些实施例的OCT成像会话1100。成像会话1100从起动方块1101开始。在起动方块1101中，OCT成像仪被供电，光源301被激励，主计算机307被接通，并且适当的软件被加载。一旦OCT成像仪300通电，自动对准序列就开始运动。如图11所示，在步骤1102中，主计算机307指令XY扫描303进入对准扫描模式602。在步骤1103中，从行扫描摄像机406采集数据。在步骤1104中，如上所述，OCT成像仪300确定检测器臂311的光束是否对准行扫描摄像机406的检测器501和502。如果对准得不是最佳，则在步骤1105中调整光学部件例如折叠式反射镜403，并且过程返回步骤1103。如果对准是最佳的(即在检测器501和502上出现最大光强)，则OCT成像仪300前进至采集OCT图像。
[0072] 如图11中所示，在步骤1106中，XY扫描303将光束移动到空白点1001。在步骤1107中光束处于空白点1001，获得多个背景谱。在那个位置上，没有光反射到采样臂309，在光谱仪305中只测得反射到参考臂310的光。在步骤1107中可取得任何数量的单独光谱，例如可得到16个光谱。
[0073] 一旦得到背景谱，就可在步骤1107进行OCT XY扫描以获得OCT谱。然后将XY扫描303设置为在成像视场600中执行正常XY扫描。OCT谱是在耦合器302中组合来自采样臂309和参考臂310的反射信号而形成的干涉信号，对OCT谱进行处理以获得OCT图像。 [0074] 图12说明为获得OCT图像所进行的OCT谱的数字处理过程1200，该图像可在图11的OCT扫描步骤1108中形成。图12中的方块1201是成像会话1101的步骤1107中所取得的背景谱。如上所述，可以有任何数量的这种谱。在方块1202中，对所有的背景谱进行平均以形成平均背景谱。
[0075] 但是，通过减去平均背景谱对OCT谱进行规一化，还不能除去1/f噪声。规一化后的OCT谱的噪声背景，由于1/f噪声的存在仍然可能是不均匀的。为了解决1/f噪声问题，对背景谱本身进行处理。如图12进一步所示，在操作1203中从每一背景谱中减去平均背景谱。然后在步骤1204中通过傅立叶变换，对每一规一化背景谱进行处理，并且在步骤1205中对所得到的处理谱进行平均，形成背景噪声。处理后的背景谱的平均，即步骤1205中的背景噪声，代表作为深处位置的函数的背景噪声。在正常扫描周期中所取得的OCT谱，通过减去平均背景谱而规一化，再通过傅立叶变换处理，以及通过减去背景噪声再次规一化，可以具有均匀的背景噪声，因而在不同深处位置上具有更一致的图像强度。 [0076] 如上所述，进行XY扫描就是使光束定位在形成一个图形的一系列位置上，并在每一位置上获取OCT谱。这在步骤1206中进行。对于形成扫描的每一OCT谱，每一A-扫描本身，在操作1207中减去方块1202的平均背景谱。在方块1208中对OCT谱进行傅立叶变换处理，在操作1209中减去背景噪声，形成OCT图像谱。形成XY扫描的所有OCT谱在OCT图像1210中进行编译，形成OCT图像。
[0077] 一旦在步骤1108中对OCT扫描进行采集和处理后，OCT成像仪在步骤1109中确定OCT图像是否完成。如果完成，在步骤1112中显示图像，并且OCT成像仪前进至步骤1113，在那里，系统要么进入步骤1114关闭，要么开始新的会话。如果图像没有完成，OCT成像仪则前进至步骤1110。在步骤1110中检查对准情况，即确定行扫描摄像机406的总功率，如同确定在步骤1107中采集的背景谱，是否变差到需要重新对准的程度。如果是，OCT成像仪则前进到步骤1111，在这里向操作者发出警报，然后开始步骤1102中的自动对准。如果不是，OCT成像仪则前进至步骤1106，在这里开始新的XY扫描。
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