Патент на изобретение №2184347

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ОБЪЕКТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технике получения изображений внутренней структуры трехмерных объектов, и касается способов когерентной томографии рассеивающих, в частности биологических, объектов с высоким пространственным разрешением. Когерентное излучение, обладающее широким спектром, расщепляют на опорный и объектный пучки. Объектный пучок фокусируют внутри объекта, а затем методом конфокальной фильтрации селектируют излучение, рассеянное объектом в обратном направлении из области фокусировки. Вводят сдвиг частоты в опорное излучение. Пространственно объединяют опорное и рассеянное излучения и в результате их интерференции получают суммарное излучение, содержащее световые биения. Суммарное излучение подвергают пространственному спектральному разложению и детектируют световые биения в каждом независимом элементе спектрального разложения. Осуществляют двумерное сканирование точки фокусировки по плоскости фокусировки и после математической обработки получают трехмерное изображение внутренней структуры объекта. Технический результат: повышение производительности регистрации изображений внутренней структуры объектов. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технике получения изображений внутренней структуры трехмерных объектов (оптической томографии) с предельно высоким пространственным разрешением, определяемым волновыми свойствами излучения.

Преимущественными областями применения изобретения является биологическая и медицинская микроскопия, офтальмоскопия, ретиноскопия и эндоскопия.

Уровень техники
Для развития техники томографии с разрешением, определяемым волновыми свойствами излучения, основополагающее значение имеет способ конфокальной сканирующей микроскопии (Патент US 03013467, публ. 1961). Принцип конфокальной микроскопии иллюстрируется фиг.1. Излучение источника света 1 фильтруют точечной диафрагмой 2 и получают источник дифракционно-ограниченного излучения (Под точечной диафрагмой имеется в виду диафрагма, отверстие которой не превышает размер дифракционного пятна фильтруемого излучения). Наиболее часто источником излучения дифракционно-ограниченного излучения фактически является лазер. Излучение направляют на светоделитель 3. Излучение, отраженное от светоделителя 3, фокусируют объективом 4 в точке 5 внутри трехмерного объекта 6. Вторичное излучение, испускаемое объектом, направляют на диафрагму 7 с помощью объектива 4, при этом центр диафрагмы совмещают с изображением точки фокусировки 4. Вторичное излучение, испускаемое из точки фокусировки 5, проходит сквозь отверстие диафрагмы 7 и попадает на фотоприемник 8. Излучение, испускаемое точечными вторичными излучателями объекта, расположенными на некотором расстоянии от точки фокусировки (например, излучение из точки 9), в той или иной степени задерживается диафрагмой 6. В результате на фотоприемник 8 попадает, главным образом, вторичное излучение объекта, испускаемое из практически ограниченной области трехмерного пространства, с центром в точке фокусировки 4.

Размер этой области в поперечном направлении (х, у на фиг.1) равен
d_xy0.9/2A, (1)
а ее размер в продольном направлении (z на фиг.1) равен
d_z1.8/(A²). (2)
Здесь – длина волны излучения,
А – численная апертура объектива микроскопа 4.

(Например, Handbook of Biological Confocal Microscopy, Ed. J.B. Pawley, New York, Plenum, 1995).

Точку фокусировки 5 перемещают в трехмерном пространстве объекта (например, при движении объекта) и детектируют вторичное излучение объекта фотоприемником 8. Т.к. интенсивность вторичных излучателей зависит от плотности материала объекта, то в результате сканирования получают изображение трехмерной структуры объекта. Это изображение характеризуется поперечным разрешением d_xy и продольным разрешением d_z.

В частности, конфокальный микроскоп, в котором используется гетеродинная регистрация излучения, рассеянного объектом, описан в патенте US 3780217, кл. H 04 N 1/26; H 04 N 7/18, публ. 1973. Использование конфокальной фильтрации излучения, рассеянного объектом в сочетании с гетеродинной регистрацией излучения, является существенным признаком заявляемого изобретения.

Одним из факторов, ограничивающих возможности конфокальной микроскопии, является то, что, согласно формуле (2) при малых значениях численной апертуры А продольное разрешение, пропорциональное 1/(А²), оказывается существенно хуже поперечного. Вместе с тем малые значения численной апертуры неизбежны в задачах получения изображения на большой глубине объекта, а также характерны для таких важных медицинских применений, как эндоскопия и офтальмоскопия.

Устранение этого недостатка при улучшении продольного разрешения реализовано при использовании методов низкокогерентной интерферометрии в сочетании с конфокальной микроскопией. Соответствующий способ получения изображений внутренней структуры объектов был назван оптической когерентной томографией (ОКТ).

В способе ОКТ используется немонохроматическое излучение с широким спектром (например, 50 нм) и, следовательно, с низкой временной когерентностью. При двухлучевой интерференции немонохроматического излучения диапазон разности хода, в пределах которого возможна интерференция, ограничен. Этот диапазон определяется временем когерентности излучения и он тем уже, чем шире спектр излучения (чем ниже его время когерентности). Указанное свойство использовано для получения высокого продольного разрешения при наблюдении рассеивающих свет объектов (патент ЕР 0659383, кл. А 61 В 3/12, публ. 1995; патент US 5459570, кл. G 01 D 9/02. публ. 1995; патент WO 9838907, кл. А 61 В 5/00, публ. 1998; патент WO 9732182, кл. G 01 B 11/12; G 01 B 9/02; публ. 1997; патент US 5321501, кл. G 01 B 9/02, публ. 1994; D. Huang и др. “Optical Coherence Tomography”, Science, Vol. 254, pp. 1178-1181, 1991; J.M. Schmitt, “Optical Coherence Tomography (OCT): A. Review”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 5, No 4, p. 1205-1215, 1999; Optical Coherence Tomograph, описание прибора, выпускаемого фирмой Zeiss-Humphrey.

Указанный способ иллюстрируется фиг.2. Излучение точечного источника немонохроматического излучения 1 (фактически таким источником наиболее часто является суперлюминесцентный диод, испускающий дифракционно-ограниченное излучение с достаточно широким спектром) расщепляют светоделителем 3 на опорное излучение 10 и объектное излучение 11. Объектное излучение фокусируют в точке 5 внутри объекта 6. При этом в объекте возникают источники вторичного рассеянного излучения. Излучение, рассеянное объектом в обратном направлении, направляют на диафрагму 7. Опорное излучение отражается от отражателя 12, светоделителя 3 и его также фокусируют на диафрагму 7. Таким образом, в данном примере реализуется интерферометр Майкельсона, в котором в качестве одного из отражателей выступает исследуемый объект 6. Опорное излучение и рассеянное излучение, испускаемое вторичными источниками объекта, интерферируют в плоскости диафрагмы 7. При этом интерференция возможна только для тех вторичных излучателей, которые расположены в пределах плоского слоя 13, перпендикулярного оптической оси объектива (оси z). Положение серединной плоскости этого слоя отвечает равенству двух оптических путей (а) от источника до указанной плоскости и от указанной плоскости до диафрагмы 7 и (б) от источника до отражателя 12 и далее до диафрагмы 7. Толщина слоя 13 d_c определяет продольное разрешение метода ОКТ. Эта толщина равна половине времени когерентности, умноженной на скорость света в среде. В свою очередь, время когерентности равно обратной величине полосы частот излучения. Выражение, описывающее продольное разрешение метода ОКТ, имеет вид:
d_c0,44²/. (3)
Здесь – средняя длина волны источника излучения,
– ширина спектра источника излучения в шкале длин волн
(например, J.M. Schmitt, “Optical Coherence Tomography (OCT): A Review”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 5, 4, p. 1205-1215, 1999).

Величина d_c может быть существенно меньше разрешения d_z в способе конфокальной микроскопии, определяемого формулой (2).

Кроме излучения, испускаемого слоем 13, существует рассеянное излучение, исходящее из других точек объекта и также попадающее на фотоприемник 8. Чтобы селектировать излучение слоя 13 (способное к интерференции с опорным излучением) от излучения, рассеянного другими слоями объекта (не способного к интерференции с опорным излучением), отражатель 12 непрерывно перемещают в продольном направлении. При этом возникает доплеровский сдвиг частот отраженного опорного излучения. При интерференции опорного излучения и рассеянного излучения, испускаемого слоем 13, возникают биения интенсивности на частоте доплеровского сдвига. Эти биения детектируются фотоприемником 8. По мере движения отражателя 12 слой интерферирующих вторичных излучателей 13 также перемещается внутри объекта. Таким образом, производят сканирование объекта в продольном направлении и одновременно регистрируют его внутреннюю структуру в виде зависимости интенсивности биений от координаты z положения слоя 13с разрешением d_c, определяемым формулой (3).

Чтобы получить изображение трехмерной структуры объекта, точку фокусировки перемещают, кроме того, в поперечных направлениях (x и y). При этом поперечное разрешение определяется формулой (1).

Сопоставление оптической когерентной томографии с конфокальной микроскопией, важное для обоснования преимуществ заявляемого изобретения, показано на фиг.3 и 4. На этих фигурах изображена более детальная картина фокусировки излучения внутри объекта с учетом волновых свойств излучения. Структура излучения вблизи точки фокуса 5 объектива 4 имеет вид перетяжки. Заштрихованный эллипс 14 на фиг. 3 изображает область пространства, определяющую пространственное разрешение при конфокальном сканировании. На фиг.4 заштрихованная область 15 определяет пространственное разрешение способа ОКТ. Как можно видеть из сопоставления фиг.3 и фиг.4, применение ОКТ позволяет существенно улучшить продольное разрешение по сравнению с конфокальным методом.

Описанные способы ОКТ обладают тем недостатком, что в них используется механическое сканирование отражателя интерферометра. Это ограничивает быстроту измерения либо приводит к очень сложным конструкциям движущегося отражателя.

Другой важный недостаток заключается в том, что производительность этих способов существенно ниже, чем принципиально возможная. Это связано с тем, что из всего, в принципе, доступного для измерения рассеянного излучения, испускаемого из объема, ограниченного телом конфокального разрешения 14 (фиг. 3), используется только излучение, испускаемое из сравнительно малой области 15 фиг.4. Эти недостатки устранены в заявляемом изобретении.

В другом способе оптической когерентной томографии (патент WO 9835203, кл. G 01 B 9/02; H 01 S 3/085, публ. 1998; патент US 5956355, кл. H 01 S 3/10, публ. 1999) вместо немонохроматического источника используется источник монохроматического излучения, частота излучения которого быстро перестраивается в заданном частотном диапазоне. Фотоприемник регистрирует зависимость сигнала биений от частоты излучения источника. Результаты детектирования сигнала интерференции в зависимости от частоты преобразуются в зависимость отраженного сигнала от продольной координаты z в исследуемом объекте с помощью преобразования Фурье. Недостатком способа является сложность реализации лазерного устройства с достаточно быстрым сканированием частоты в достаточно широком частотном интервале. Фактически в реализациях этого способа для перестройки частоты используется механическое сканирование зеркала, помещаемого в резонатор лазера (S.R. Chinn, E.A. Swanson, J.G. Fujimoto, “Optical coherence tomography using a frequency-tunable optical source”. Optics Letters, Vol. 22, 5, pp. 340-342, 1997). В заявляемом изобретении также используется спектральное разложение, но без сканирования частоты.

Известен также способ томографии (T. Mitsui, “Dynamic range of optical reflectometry with spectral interferometry”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 38, Part. 1, 10, pp. 6133-6137, 1999), в котором используют спектральное разложение суммы опорного и рассеянного излучения. В результате спектрального разложения получают распределение интенсивности суммы опорного и рассеянного излучения по спектру (спектральную голограмму). Это распределение содержит полосы интерференции. Спектральную голограмму регистрируют панорамным приемником методом прямого детектирования. Затем голограмму расшифровывают известными методами. Недостатком метода является низкая чувствительность прямого детектирования слабого полезного сигнала рассеяния на фоне существенных паразитных засветок. В заявляемом изобретении, также использующем пространственное спектральное разложение, этот недостаток устранен.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения являются способ и устройство, описанные в патенте WO 9961865, кл. G 01 B 9/02, публ. 1999. Целью этого изобретения является получение изображений поперечного сечения объектов при продольном разрешении, существенно лучшем, чем конфокальное продольное разрешение.

Существенные признаки указанного изобретения иллюстрируются фиг.5. Источник излучения 1 является дифракционно-ограниченным (например, лазером) и немонохроматическим, обладающим некоторой шириной спектра . Излучение источника расщепляют светоделителем 3 на опорное излучение 10 и объектное излучение 11. Опорное излучение пропускают через фазовый модулятор 16, в результате чего все его частотные составляющие приобретают одинаковый частотный сдвиг. Объектное излучение фокусируют в точке внутри объекта 6. Излучение, рассеянное объектом, и опорное излучение пространственно совмещают в единое суммарное излучение 17, которое падает на фотодетектор 8. Как и в методе конфокальной микроскопии (см. фиг. 1), рассеянное излучение пространственно фильтруют диафрагмой на плоскости, сопряженной с плоскостью фокусировки объектного излучения. С помощью фотодетектора 8 и устройства обработки 18 регистрируют сигнал биений опорного и объектного излучения, вызванный сдвигом частот опорного излучения и интерференцией опорного и рассеянного излучения. В интерференции участвует только рассеянное излучение, испускаемое тонким слоем объекта, как это показано на фиг.2. Положение этого слоя определяется условиями равенства длин путей в двух плечах интерферометра, а его толщина d_c определяется формулой (3). Величину d_c выбирают существенно меньшей, чем продольное конфокальное разрешение d_z. Поэтому осуществляется ситуация, при которой поперечное разрешение определяется дифракцией согласно формуле (1), а продольное разрешение – формулой (3). В результате реализуется тело объемного разрешения 15, изображенное на фиг.4.

При сканировании точки фокусировки объектного излучения в плоскости фокусировки х, у и одновременной регистрации сигнала биений получают изображение поперечного сечения объекта с продольным разрешением, определяемым формулой (3). При смещении плоскости фокусировки в продольном направлении возможно получение изображений любых других поперечных сечений объекта с тем же продольным разрешением.

Рассмотренный прототип заявляемого изобретения обладает тем недостатком, что его производительность существенно ниже, чем принципиально возможная. Это связано с тем, что из всего, в принципе, доступного для измерения рассеянного излучения, испускаемого из объема, ограниченного телом конфокального разрешения 14 (фиг.5), используется только излучение, испускаемое из малой области 15 фиг.5.

Сущность изобретения
Основная задача изобретения заключается в повышении производительности регистрации изображений внутренней структуры объектов.

Способ, обеспечивающий решение указанной технической задачи, заключается в следующем (см. также фиг.6, на которой показан пример функциональной схемы).

Дифракционно-ограниченное немонохроматическое излучение 19, испускаемое источником 1, расщепляют на опорное 10 и объектное 11 излучения (в данном примере с помощью светоделителя 3). Пучок объектного излучения с помощью объектива 4 фокусируют в точке 5, расположенной внутри исследуемого трехмерного объекта 6. При этом падающее объектное излучение рассеивается на неоднородностях объекта. Излучение, рассеянное объектом, можно описать как излучение большого числа вторичных источников излучения, принадлежащих объекту. Вторичные источники возникают в общем случае во всей области объекта, освещаемой объектным излучением. Часть излучения 20, рассеянного объектом и попадающего в апертуру объектива 4, с помощью этого объектива направляют в обратном ходе лучей на плоскость 21, сопряженную плоскости фокусировки объектного излучения 22. С целью ограничения области объекта, из которой возможно наблюдение рассеянного излучения, рассеянное излучение, падающее на плоскость 21, пространственно фильтруют с помощью точечной диафрагмы 7 (Возможны также и другие способы пространственной фильтрации, например, пропускание излучения по одномодовому оптическому волокну). С помощью пространственной фильтрации осуществляют селекцию рассеянного излучения (ср. с фиг.1) и тем самым ограничивают область, из которой наблюдается рассеянное излучение, областью конфокального разрешения, изображенной на фиг.3. Продольный и поперечный размеры этой области определяются формулами (1) и (2).

С помощью фазового модулятора вводят сдвиг частоты в опорное, объектное или рассеянное излучение. В данном примере вводят сдвиг частоты в опорное излучение 10 с помощью фазового модулятора 16. Затем опорное излучение 10 пространственно объединяют (например, с помощью светоделителя 3) с рассеянным излучением 20 и получают суммарное излучение 17. На примере, показанном на фиг.6, опорное излучение 10 пространственно фильтруют, как и рассеянное излучение, однако это необязательно и объединение опорного и рассеянного излучения в суммарное излучение может быть выполнено после пространственной фильтрации рассеянного излучения.

При интерференции опорного и рассеянного излучения возникают световые биения, создающие осцилляции интенсивности суммарного излучения на частоте, равной введенному частотному сдвигу. Детектирование световых биений позволяет с высокой чувствительностью и помехоустойчивостью регистрировать излучение, рассеянное объектом.

Чтобы определить зависимость излучения, рассеянного объектом от координат х, у, на плоскости 22 выполняют позиционное сканирование точки фокусировки объектного пучка в плоскости фокусировки, повторяя для каждой позиции детектирование переменной составляющей интенсивности суммарного излучения.

Приведенные признаки относились к прототипу. Существенные отличия заявляемого изобретения от прототипа заключаются в следующем.

Суммарное излучение подвергают пространственному спектральному разложению, которое может быть выполнено, например, с помощью прибора типа спектрографа 23. В результате спектрального разложения формируется изображение спектра суммарного излучения на плоскости 24. При реальном пространственном спектральном разложении величина частотного разрешения спектрального прибора ограничена. Поэтому в каждой точке изображения спектра содержится некоторый диапазон частот, равный частотному разрешению спектрального прибора. Приблизительно такой же диапазон частот содержится в участке изображения спектра, ширина которого равна обратной дисперсии спектрального разложения, умноженной на частотное разрешение. Таким образом, получаемое изображение спектра состоит из независимых спектральных компонент, каждая из которых обладает шириной полосы частот, определяемой частотным разрешением прибора.

Как отмечалось, суммарное излучение формируется в результате интерференции опорного и рассеянного излучений. Это относится также и к каждой независимой спектральной компоненте суммарного излучения, выделяемой при спектральном разложении. Поскольку в опорное излучение введен сдвиг частоты, то интерференция оказывается нестационарной. Поэтому каждая независимая спектральная компонента содержит осцилляции интенсивности на частоте, равной сдвигу частоты, введенному фазовым модулятором.

Условием получения таких осцилляций является превышение полосы частот, содержащейся в отдельной спектральной компоненте над величиной сдвига частоты, вводимого с помощью фазового модулятора 16. Это условие легко выполняется для всех представляющих интерес случаев. Частотное разрешение прибора не требуется лучшим, чем обратная величина времени пробега светом области конфокального разрешения d_z. В шкале длин волн эта величина определяется формулой (2). Например, при d_z=2 мм частотное разрешение составляет 10¹² Гц. С другой стороны, сдвиг частоты, который может быть введен в излучение при фазовой модуляции, не превышает 100 МГц. Таким образом, указанное условие соблюдается, и каждый элемент спектрального разрешения содержит световые биения.

Амплитуду и фазу переменной составляющей интенсивности суммарного излучения измеряют одновременно для всех независимых спектральных компонент, выделенных при спектральном разложении. Это может быть выполнено, например, с помощью линейки фотоприемников 25. Фазу измеряют относительно фазы переменного электрического сигнала, использованного для фазовой модуляции излучения. Таким образом осуществляют гетеродинное детектирование рассеянного излучения для каждой его спектральной компоненты.

Как известно (например, Н. Д. Устинов, И.Н. Матвеев, В.В. Протопопов, “Методы обработки оптических полей в лазерной локации”, Москва, 1985), амплитуда переменного электрического сигнала, получаемого при гетеродинировании рассеянного (отраженного) света, пропорциональна амплитудному коэффициенту рассеяния, умноженному на амплитуду падающего света, а фаза этого сигнала соответствует фазовому сдвигу при рассеянии. При гетеродинировании всех спектральных компонент рассеянного излучения получают зависимость амплитуды и фазы рассеянного излучения от частоты падающего излучения.

Для каждой частоты амплитуду рассеянного излучения нормируют на корень квадратный из интенсивности (т. е. амплитуды) опорного излучения на этой частоте. При этом получают амплитудно-фазовую (комплексную) частотную характеристику рассеяния, не зависящую от спектра источника излучения.

Последующую обработку результатов измерений основывают на теории линейного преобразования сигналов (например, А. Папулис, Теория систем и преобразований в оптике, Москва, 1971, стр. 54-57). Полученная амплитудно-фазовая характеристика рассеяния представляет собой комплексную частотную характеристику линейного преобразования входного сигнала. В данном случае входным сигналом является опорное излучение, а линейным преобразованием – процесс рассеяния излучения. Следуя теории линейного преобразования сигналов, выполняют с помощью устройства обработки 18 преобразование Фурье измеренной частотной характеристики и получают в результате импульсную характеристику рассеяния:
h(t) = H(–₀)exp[-i2(–₀)t]d(–₀). (4)
где – частота излучения,
₀– центральная частота излучения,
t – время,
i – мнимая единица,
H(–₀)- комплексная частотная характеристика рассеяния
h(t) – импульсная характеристика рассеяния или амплитудная форма импульса рассеянного излучения, возникающего после освещения объекта импульсом, длительность которого существенно меньше, чем длительность импульса рассеяния,
интегрирование производят по всему измеряемому спектру.

Далее вычисляют импульсную характеристику рассеяния в единицах интенсивности:
I(t) = |h(t)|². (5)
Здесь I(t) – зависимость интенсивности рассеянного излучения от времени после освещения объекта достаточно коротким импульсом.

Применение импульсной характеристики рассеяния I(t) для получения одномерного изображения внутренней структуры объекта иллюстрируется фиг.7. Короткий импульс излучения I₀(t) падает на рассеивающий объект 6, толщина которого существенно больше геометрической протяженности импульса. В процессе распространения этого импульса внутри объекта возникают и исчезают вторичные излучатели, соответствующие разным значением координаты z. При регистрации интенсивности обратнорассеянного излучения в некоторой плоскости 26 сигналы, соответствующие разным координатам z, приходят с запаздыванием
t = 2z/,
где – скорость света в среде.

Интенсивность рассеяния, отвечающего координате z, пропорциональна плотности рассеивающих центров P(z). Следовательно, зависимость плотности рассеивающих центров P(z) от координаты z есть:
P(z) = constI(2z/). (6)
Распределение P(z) можно назвать одномерным продольным изображением структуры объекта.

Описанной процесс соответствует хорошо известному методу импульсной локации, позволяющему определить распределение рассеивающих центров вдоль направления луча по форме импульса рассеяния. Однако с учетом необходимого в данных применениях временного разрешения (до 10^-13 с) использование метода импульсной оптической локации не имеет смысла. Заявляемое изобретение позволяет получить результат, полностью эквивалентный результату импульсной локации с помощью стационарных гетеродинных спектральных измерений.

Важным условием реализации заявляемого способа является правильный выбор необходимого числа независимых элементов спектрального разложения. Величина продольного разрешения d_c, как и в других описанных когерентных методах, определяется формулой (3). С другой стороны, при фиксированном положении точки фокусировки объектного излучения максимально доступный для наблюдения диапазон глубины изображения объекта d_z определяется формулой (2), определяющей конфокальное разрешение. Отношение d_z/d_c дает число N независимых элементов продольного разрешения:
N = d_z/d_c (7)
Из теории преобразований Фурье (например, А. Папулис, Теория систем и преобразований в оптике, Москва, 1971) известно, что, если сложный сигнал ограничен по времени и по спектру, то число независимых элементов во временной зависимости практически равно числу независимых элементов в спектре. Таким образом, число независимых спектральных элементов при пространственном спектральном разложении суммарного излучения должно быть не меньше ожидаемого числа элементов продольного разрешения объекта N. Например, конфокальное продольное разрешение может составлять 300 мкм, а продольное разрешение, связанное с применением низкокогерентной интерферометрии – 10 мкм. В этом случае число независимых элементов спектрального разложения (и, соответственно, независимых фотодетекторов 24 фиг.6) должно быть не менее 30.

Таким образом, при неподвижном положении точки фокусировки получают одномерное продольное изображение объекта с глубиной, равной глубине фокуса d_z, определяемой формулой (2), и с продольным разрешением d_c, определяемым формулой (3).

При сканировании точки фокусировки 5 в плоскости фокусировки 22 описанный процесс регистрации одномерного изображения внутренней структуры объекта повторяют для каждой позиции сканирования. При этом, в общем случае, получают, изображение внутренней трехмерной структуры объекта.

В частности, возможны следующие разновидности сканирования.

Точка фокусировки перемещается по некоторой кривой на плоскости фокусировки 22. При этом композиция одномерных изображений, относящихся ко всем точкам кривой, образует изображение продольного сечения объекта цилиндрической поверхностью общего вида. Образующей этой поверхности является кривая сканирования. При этом глубина получаемого сечения равна глубине фокуса d_z, определяемой формулой (2). В частных случаях кривой сканирования может быть прямая линия или окружность. Тогда рассекающая поверхность является, соответственно, плоскостью, параллельной оси z, или круговым цилиндром.

При двумерном сканировании, покрывающем некоторую двумерную область на плоскости фокусировки 22, получают трехмерное изображение внутренней структуры объекта с глубиной d_z и площадью основания, определяемой областью плоскости 22, которая охватывается сканированием.

При необходимости расширить результаты регистрации внутренней структуры на больший диапазон глубины плоскость фокусировки 22 смещают на величину глубины фокуса и повторяют описанный процесс измерений.

Рассмотрим новые технические результаты, которые могут быть получены при осуществлении заявляемого изобретения.

Основной областью применения рассмотренных выше когерентных интерферометрических способов получения изображений внутренней структуры объектов, как и заявляемого изобретения, является исследование биологических тканей и в том числе тканей живого организма. Поэтому при рассмотрении достоинств и недостатков этих способов необходимо иметь в виду сочетание оптических свойств живой биологической среды и требований, предъявляемых к интерферометрическим методам измерения.

Живая биологическая среда испытывает естественные непроизвольные смещения. С другой стороны, проведение интерферометрических измерений требует неподвижности исследуемого объекта с точностью до долей длины волны. Поэтому важным требованием является быстрота проведения измерений. Кроме того, в медицинских применениях быстрота проведения измерений существенна для проведения наблюдения в реальном времени (в частности, в телевизионном режиме).

Высокой скорости проведения измерений препятствует другое свойство реальных биологических тканей – очень низкий коэффициент преобразования падающего излучения в обратнорассеянное излучение и, соответственно, очень низкая интенсивность рассеянного излучения. Другим фактором, ограничивающим интенсивность рассеянного излучения, являются санитарные нормы (особенно строгие в офтальмоскопии), которые ограничивают интенсивность падающего излучения и, как следствие, – рассеянного излучения.

Эти обстоятельства требуют применения предельно чувствительных способов измерения слабой интерферирующей части излучения на фоне сильного побочного рассеяния света объектом и паразитного рассеянного излучения. Таким способом в оптике, как известно, является гетеродинная регистрация излучения (например, В. В. Протопопов, Н. Д. Устинов, “Лазерное гетеродинирование”, Москва, 1985).

Аппаратурным фактором, ограничивающим быстроту проведения измерений, является также использование механического сканирования оптических элементов, в частности, при получении продольного разрешения. Увеличение скорости механического сканирования приводит к усложнению и удорожанию аппаратуры (например, A.M. Rollins и др., “In vivo video rate optical coherence tomography”. Optics Express, Vol. 3, 6, pp. 219-229, 1998).

Таким образом, важнейшей характеристикой рассматриваемого класса когерентных методов оптической томографии биологических объектов является производительность регистрации изображений внутренней структуры объектов.

Основной технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в существенном повышении производительности регистрации изображений внутренней структуры объектов.

Совокупность отличительных от прототипа признаков, обеспечивающих получение указанного технического результата, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, заключается в следующем:
1. Для каждой позиции сканирования точки фокусировки опорного излучения на плоскости его фокусировки суммарное излучение подвергают пространственному спектральному разложению.

2. Одновременно для всех спектральных компонент, выделенных при спектральном разложении, измеряют амплитуду и фазу переменной составляющей интенсивности суммарного излучения.

3. Производят математическую обработку результатов указанных измерений и получают одномерное изображение внутренней структуры объекта по оси фокусировки объектного излучения.

Для обоснования указанного технического результата сопоставим регистрацию изображения внутренней структуры объекта способом, описанным в прототипе, со способом, описанным в заявляемом изобретении, при неподвижной точке фокусировки объектного излучения. Это сопоставление иллюстрируется фиг.3 и фиг.8. Фиг.3 соответствует прототипу. В пределах области 14, выделяемой конфокальной фильтрацией, детектируют единственный элемент разрешения 15. Фиг.8 соответствует заявляемому изобретению. При прочих равных условиях в пределах той же области конфокального разрешения 14 с помощью заявляемого способа одновременно детектируют множество элементов разрешения 15. Таким образом, производительность заявляемого способа повышается в число раз, равное числу элементов разрешения в пределах глубины фокуса. Число этих элементов определяется формулой (7) и в реальности может составлять несколько десятков.

В более общей формулировке производительность процесса измерения определяется шириной полосы частот, доступной при требуемом отношении сигнал/шум. Для гетеродинных измерений отношение сигнал/шум по мощности описывается выражением
SNR = P/(hF). (8)
Здесь SNR- отношение сигнал/шум,
– квантовая эффективность фотокатода,
Р – мощность регистрируемого излучения,
h – постоянная Планка,
– – частота излучения,
F – ширина полосы частот регистрации.

(например, Н.Д. Устинов, И.Н. Матвеев, В.В. Протопопов, “Методы обработки оптических полей в лазерной локации”, Москва, 1985).

При прочих равных условиях в прототипе рассеянное излучение собирается с объема среды, толщина которого равна разрешению когерентного метода d_c (см. 14 на фиг.3 и 8). В заявляемом способе излучение собирается с объема глубиной, соответствующей конфокальному разрешению d_z (см. 15 на фиг.4 и 8). Эти объемы отличаются в число раз
N=d_z/d_c,
равное числу элементов продольного разрешения. Таким образом, мощность регистрируемого излучения Р в заявляемом изобретении больше в то же число раз N= d_z/d_c. Следовательно, согласно формуле (8) при одинаковом отношении сигнал/шум доступная ширина полосы частот и, соответственно, производительность регистрации в заявляемом изобретении может быть в десятки раз выше.

Таким образом, реализация заявляемого изобретения позволяет увеличить производительность регистрации внутренней структуры объектов в десятки раз по сравнению с прототипом.

По сравнению с другими описанными выше аналогами, в которых, как и в заявляемом изобретении, используется регистрация спектра рассеянного излучения, заявляемое изобретение также создает технический эффект в виде повышения производительности регистрации. Этот эффект вытекает из следующих признаков, отличающих заявляемого изобретения от других аналогов, рассмотренных выше.

1. Отличие заявляемого изобретения от способа, описанного в патентах WO 9835203, кл. G 01 B 9/02; H 01 S 3/085, публ. 1998 и US 5956355, кл. H 01 S 3/10, публ. 1999 заключается в том, что отсутствует механическое или другое сканирование при получении спектра излучения.

2. Отличие заявляемого изобретения от способа, описанного в статье T. Mitsui, “Dynamic range of optical reflectometry with spectral interferometry”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 38. Part. 1, 10, pp. 6133-6137, 1999, заключается в том, что используется гетеродинная регистрация амплитуды и фазы спектральных компонент как метод, обеспечивающий наиболее высокое отношение сигнал/шум при детектировании слабых излучений в условиях сильных фоновых помех.

Кроме описанного технического результата, существуют другие технические результаты в конкретных формах выполнения изобретения:
1. Одновременная регистрация многих элементов продольного разрешения объекта. Для детектирования многих элементов продольного разрешения объекта в прототипе необходимо продольное сканирование. В заявляемом изобретении эта регистрация происходит одновременно для всех элементов продольного разрешения (ср. фиг.3 и 8).

2. Получение изображения двумерного продольного сечения объекта при одномерном сканировании. Если точку фокусировки на плоскости х, у сканируют по некоторой кривой, то в результате регистрации получают изображение продольного сечения объекта цилиндрической поверхностью, опирающейся на кривую сканирования. В частном случае получают изображение плоского продольного сечения. Этот результат невозможен для прототипа.

3. Получение трехмерного изображения внутренней структуры объекта при двумерном сканировании. При сканировании, заполняющем некоторую площадь на плоскости х, у, получают трехмерное изображение структуры объекта. Этот результат невозможен для прототипа.

Перечень фигур
Фиг.1. Иллюстрация способа конфокальной микроскопии.

Фиг. 2. Иллюстрация способа оптической когерентной томографии со сканированием разности хода интерферометра.

Фиг.3. Пространственное разрешение при конфокальной микроскопии.

Фиг. 4. Пространственное разрешение метода оптической когерентной томографии.

Фиг. 5. Иллюстрация способа гетеродинной конфокальной микроскопии с широкополосным источником излучения.

Фиг.6 Иллюстрация заявляемого изобретения.

Фиг. 7. Иллюстрация связи изображения продольной структуры объекта с формой импульса рассеяния.

Фиг. 8. Иллюстрация доказательства повышения производительности регистрации внутренней структуры объекта при реализации заявляемого изобретения.

Фиг. 9. Иллюстрация сведений, подтверждающих возможность осуществления изобретения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Заявляемый способ характеризуется использованием хорошо известных средств оптической техники, оптоэлектроники и вычислительной техники. В частности, значительная часть таких технических средств используется в исследованиях и разработках в области когерентной томографиии (например, D. Huang и др., “Optical Coherence Tomography”, Science, Vol. 254, pp. 1178-1181, 1991; J.M. Schmitt, “Optical Coherence Tomography (OCT): A. Review”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 5, 4, p. 1205-1215, 1999; Optical Coherence Tomograph, описание прибора, выпускаемого фирмой Zeiss-Humphrey, а также описанных в аналогах заявляемого изобретения (патент ЕР 0659383, кл. А 61 В 3/12, публ. 1995; патент US 5459570, кл. G 01 D 9/02, публ. 1995; патент WO 9838907, кл. А 61 В 5/00, публ. 1998; патент WO 9732182, кл. G 01 B 11/12; G 01 B 9/02; публ. 1997; патент US 5321501, кл. G 01 B 9/02, публ. 1994; WO 9961865, кл. G 01 B 9/02, публ. 1999). В частности, устройства оптической когерентной томографии подробно описаны в обзоре J. M. Schmitt, “Optical Coherence Tomography (OCT): A. Review”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 5, 4, p. 1205-1215, 1999.

Рассмотрим более подробно возможность осуществления изобретения на примере устройства, реализующего заявляемый способ получения изображений внутренней структуры объектов. Это устройство иллюстрируется фиг.9.

Заявляемый метод может быть реализован с использованием пространственной оптики либо с использованием интегральной и волноводной оптики. Схема фиг.9 охватывает оба варианта. Способы и устройства сопряжения волноводных и пространственных систем хорошо известны в технике оптической связи и в ОКТ (J.M. Schmitt, “Optical Coherence Tomography (OCT): A. Review”, IEЕЕ Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 5, 4, p. 1205-1215, 1999).

Устройство включает источник дифракционно-ограниченного немонохроматического излучения 1. Таким источником – устройством может быть лазер с широким спектром излучения или суперлюминесцентный диод, излучение которого подвергнуто пространственной фильтрации с целью ограничения угловой расходимости излучения до дифракционного предела. Обычно используется суперлюминесцентный диод, излучающий на длине волны 0,8 мкм, соответствующей хорошему пропусканию биологических тканей. Ширина спектра суперлюминесцентного диода обычно составляет 40 нм, что позволяет согласно формуле (3) получить продольное разрешение около d_c10 мкм. Мы будем рассматривать эти характеристики в примере реализации.

Излучение источника 1 направляется в оптическую систему, которая расщепляет первичное излучение на опорное излучение 10 и объектное излучение 11. В данном примере такой оптической схемой является зеркало-светоделитель; в волноводных реализациях в качестве светоделителя используется направленный ответвитель, хорошо известный в волоконной оптике.

Объектное излучение проходит сквозь устройство сканирования 27 и объектив 4. Объектив 4 предназначен для фокусировки пучка объектного излучения в точке, расположенной внутри исследуемого трехмерного объекта, и сбора в обратном ходе лучей излучения, рассеянного объектом. Этот объектив может быть обычным объективом микроскопа. Численная апертура объектива определяет согласно формулам (1) и (2) поперечное разрешение и глубину фокуса (конфокальное продольное разрешение). Выберем в качестве примера численную апертуру объектива А=0.07. Тогда получим поперечное разрешение d_ху5 мкм и глубину фокуса d_z300 мкм.

Согласно формуле (7) число независимых элементов продольного разрешения при фиксированном положении точки фокусировки (см. также фиг.8) равно
N=d_z/d_c=30.

Устройство сканирования 27 выполняется либо в виде быстро вращающихся зеркал, либо в виде качающихся гальвонометрических зеркал (J.M. Schmitt, “Optical Coherence Tomography (OCT): A Review”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 5, 4, p. 1205-1215, 1999). Оно предназначено для быстрого изменения наклона параллельных оптических пучков объектного излучения, падающих на объектив 4. Это приводит к сканированию точки фокусировки на плоскости фокусировки. В общем случае устройство сканирования обеспечивает двумерное позиционирование точки фокуса на плоскости фокусировки.

Пучок рассеянного излучения 20, проходящий в обратном ходе лучей сквозь объектив 4 и устройство сканирования 27, становится стационарным.

Второй объектив 31 проектирует рассеянное излучение на плоскость 21, сопряженную плоскости фокусировки объектного излучения. На плоскости 21 в точке, соответствующей изображению точки фокусировки объектного пучка, помещена точечная диафрагма 7, осуществляющая конфокальную пространственную фильтрацию рассеянного излучения. В волноводных вариантах конфокальная пространственная фильтрация обеспечивается автоматически при прохождении рассеянного излучения по одномодовому волноводу.

В рассматриваемом примере реализации фазовый модулятор 16 помещен в канал опорного излучения 10. После прохождения сквозь фазовый модулятор опорное излучение приобретает когерентный сдвиг всех составляющих его частот на фиксированное значение. В качестве фазового модулятора может быть использован, например, акустооптический модулятор, хорошо известный в акустооптике (например, Л. Н. Магдич, В.Я. Молчанов, “Акустооптические устройства и их применение”, Москва, 1978). Сдвиг частоты излучения после прохождения фазового модулятора может составлять, например, 10-100 МГц.

Рассеянное и опорное излучения объединяются в единое суммарное излучение 17 с помощью соответствующей оптической системы. Эта система в рассматриваемом примере состоит из светоделителя (или направленного ответвителя) 28 и зеркал 29, 30. Таким образом, фактически реализуется двухлучевой интерферометр, в котором входным светоделителем является зеркало 3, а выходным светоделителем – зеркало 28.

Пара зеркал 29, 30 обеспечивает при их одновременном перемещении регулировку длины оптического пути в канале опорного излучения с точностью, достаточной для получения интерференции опорного и рассеянного излучения.

После прохождения через диафрагму 7 суммарное излучение подвергают пространственному спектральному разложению. Это может быть осуществлено, например, с помощью спектрографа 23. Входную щель спектрографа прибора оптически совмещают с диафрагмой 7.

В рассматриваемом примере реализации ширина спектра излучения составляет 40 нм, а число независимых элементов продольного разрешения равно 30. Как отмечалось, это число равно минимальному числу независимых элементов при спектральном разложении. Следовательно, необходимое спектральное разрешение составляет 1 нм. Такое разрешение вполне может быть реализовано, т.к. соответствует спектральному прибору среднего класса (И.В. Скоков “Оптические спектральные приборы”, Москва, 1984). В результате действия спектрографа в его выходной плоскости получают развертку спектра суммарного излучения с указанным разрешением.

Для регистрации распределения амплитуды и фазы рассеянного излучения по его спектру в плоскость спектра помещают линейку фотоприемников. Линейку размещают по направлению дисперсии таким образом, что числу независимых элементов спектра соответствует такое же число фотоприемников. В рассматриваемом примере число фотоприемников должно быть не менее 30. Линейка фотоприемников может состоять из набора высокочастотных фотодиодов.

Устройство обработки 18 содержит электронные системы фазово-чувствительного детектирования, подключенные к каждому фотоприемнику, входящему в линейку. Системы фазово-чувствительного детектирования выделяют электрические сигналы с частотой, равной сдвигу частоты, введенному фазовым модулятором 16. Эти системы синхронизованы с фазовым модулятором 16 с помощью электрического соединения 32.

В результате фазово-чувствительного детектирования формируются электрические сигналы, определяющие амплитуды и фазы осцилляции интенсивности суммарного излучения (сигнала биений) для каждого независимого элемента спектрального разложения.

В устройстве обработки эти сигналы преобразуют из аналоговой формы в цифровую. Затем совокупность цифровых сигналов, отвечающих всем фотоприемникам, обрабатывают с помощью вычислительного устройства. При этом нормируют каждый сигнал на амплитуду опорного излучения для каждой данной частоты и производят вычисления согласно формулам (4), (5), (6). В результате получают распределение плотности рассеивающих центров объекта вдоль оси фокусировки в пределах глубины фокуса.

При сканировании точки фокусировки по плоскости фокусировки получают разные виды изображений внутренней структуры объекта в виде одномерных или трехмерных изображений, как это описано выше. Эти результаты выводятся на устройство отображения информации 33, которое может быть, например, персональным компьютером.

Рассмотрим на примере описанной реализации вопросы чувствительности и производительности заявляемого способа.

Типичный коэффициент обратного объемного рассеяния для таких биологических объектов, как кожный покров, составляет 0.1 мм^-1/стерадиан (J.M. Schmitt, G. Kumar, Applied Optics, Vol. 37, 13, pp. 2788-2797, 1998). Этот коэффициент учитывает толщину рассеивающего слоя и телесный угол сбора рассеянного излучения. Учитывая, что телесный угол определяется апертурой объектива 4, а толщина рассеивающего слоя глубиной фокуса объектива, получим, что полный коэффициент обратного рассеяния составляет 410^-4.

Считая, что мощность источника составляет 1 мВт, квантовая эффективность фотодетектора равна 0.5, потери излучения за счет светоделителей и паразитных отражений составляют 0.9, получим из формулы (8) для данного примера:
SNR10¹¹/(F).
При ширине полосы частот F =1МГц, характерной для телевизионного стандарта, получим SNR10⁵.

При тех же условиях применение ОКТ со сканированием разности хода в интерферометре (фиг.2) имело бы отношение сигнал/шум приблизительно в 30 раз хуже.

Более жесткие условия характерны для томографии ретины. Ограничения на облучение ретины светом составляют 200 мкВт (E. Swanson и др. Optics Letters, Vol. 18, 21, pp. 1864-1866, 1993). Коэффициент обратного отражения от ретины в конфокальной офтальмоскопии составляет 10^-4-10^-5 (К. Kobayashi и др. , Optical Engineering, Vol. 34, 3, pp. 717-726, 1995). Используя меньшее значение, получим
SNR10⁹/(F).
Для F = 1 МГц, SNR 10³. В способе ОКТ, использующем продольное сканирование, при тех же условиях отношение сигнал/шум приблизительно в 30 раз хуже.

Практически получение 1 кадра продольного сечения ретины традиционным методом ОКТ занимает 1 с (E. Swanson и др. Optics Letters, Vol. 18, 21, pp. 1864-1866, 1993, Optical Coherence Tomograph, описание прибора, выпускаемого фирмой Zeiss-Humphrey. Выигрыш в отношении сигнал/шум позволяет при реализации заявляемого изобретения перейти к телевизионному режиму.

Формула изобретения

1. Способ получения изображений внутренней структуры объектов, заключающийся в том, что дифракционно-ограниченное немонохроматическое излучение расщепляют на опорное и объектное излучения, фокусируют пучок объектного излучения в точке, расположенной внутри исследуемого трехмерного объекта, в обратном ходе лучей проектируют рассеянное объектом излучение на плоскость, оптически сопряженную с плоскостью фокусировки пучка объектного излучения, осуществляют конфокальную пространственную фильтрацию рассеянного излучения, сдвигают частоту опорного, либо объектного, либо рассеянного излучения, пространственно совмещают опорное и рассеянное излучения с образованием, в результате интерференции, суммарного излучения, детектируют переменную составляющую интенсивности суммарного излучения на частоте, равной сдвигу частоты опорного, объектного или рассеянного излучения, выполняют сканирование точки фокусировки объектного пучка в плоскости фокусировки, повторяя для каждой позиции сканирования детектирование переменной составляющей интенсивности суммарного излучения, отличающийся тем, что суммарное излучение подвергают пространственному спектральному разложению, а в процессе детектирования измеряют амплитуду и фазу переменной составляющей интенсивности суммарного излучения одновременно для всех спектральных компонент, выделенных при спектральном разложении, производят математическую обработку результатов измерения и получают одномерное изображение внутренней структуры объекта по оси фокусировки пучка объектного излучения для каждой позиции сканирования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют сканирование точки фокусировки объектного пучка по линии и получают двумерное изображение объекта на цилиндрической поверхности, опирающейся на линию сканирования.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют двумерное сканирование точки фокусировки объектного пучка и получают трехмерное изображение внутренней структуры объекта.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.08.2008

Извещение опубликовано: 20.07.2010 БИ: 20/2010