CN111568378B - 一种用于妇科检查的光学相干层析成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于妇科检查的光学相干层析成像设备，包括电脑、宽带光源、光信号采集设备、光纤耦合器、集成参考臂和手持探头，所述集成参考臂包括控制器、偏振调节器和光学延迟器，所述参考臂端连接的光纤为延迟光纤，所述延迟光纤缠绕在偏振调节器至少一圈后连接到光学延迟器，所述光信号采集设备还连接到电脑，所述集成参考臂的内部的控制器与电脑连接，本发明利用电脑和光纤耦合器将集成参考臂、手持探头及光信号收集设备连接成闭环系统，能够对系统中光信号的漂移变化进行实时补偿，提升了光学相干层析成像（OCT）系统的稳定性和可用性。

Description

一种用于妇科检查的光学相干层析成像设备

技术领域

本发明涉及宫颈检查的技术领域，特别涉及一种用于妇科检查的光学相干层析成像设备。

背景技术

宫颈癌是全球第三大女性恶性肿瘤，是中国女性第二大最常见恶性肿瘤。根据世界卫生组织（WHO）估计，全球每年新增宫颈癌病例超过47万例，而中国占到了28%。若缺乏适当有效的筛查方法及预防措施，到2025年，亚洲宫颈癌发病率将上升40%。

人乳头瘤病毒（HPV）是导致宫颈癌的罪魁祸首，这是一种极为常见的病毒，有高达75%的女性在一生的某一阶段都会感染HPV，大多数女性能够凭借自身免疫力将病毒清除；但如果是长期持续感染HPV，宫颈处于反复感染状况，细胞往往就会发生变异引发癌变。HPV持续感染是宫颈癌及其癌前病变——宫颈上皮内瘤变（CIN）的主要病因，且宫颈病变程度越重，高危HPV感染率越高。

幸运的是，宫颈癌病因明确且发展过程中存在较长的、可逆转的癌前病变期，是唯一一种能够通过医学干预降低发病率和死亡率的恶性肿瘤。这意味着宫颈癌在很大程度上是一种可以预防的疾病。

目前宫颈癌筛查诊断主要采取“三阶梯”方式：第一步，子宫颈细胞学检查（TCT）和（或）HPV病毒检测；第二步，阴道镜检查；第三步，子宫颈病理学活组织检查。

现有三阶梯模式存在一些局限：第一，分三步进行，环节多，时间长，不确定性大，病患心理压力较大。第二，最终要靠病理活检确诊，但活检是有损伤的，而且能取的点也是有限的，由于取样误差可能会引起漏检。第三，活检还可能会造成感染。第四，一些特殊人群不适合常规三阶梯检查方式，例如孕妇或宫颈手术后复查患者。

在外阴方面，常见疾病包括外阴色素减退性疾病、外阴良性肿瘤及外阴恶性肿瘤。目前临床上外阴病变的诊断方法最常用的是常规妇科检查，但仅通过肉眼观察无法准确判断病变性质，确诊外阴病变仍然要靠病理活检，因此上述病理活检面临的局限性依然存在。

OCT可以在无需对组织样品进行采集及特别处理的情况下，实时无创的获取在体组织的高分辨率影像，从而帮助医生快捷、准确的获得诊断依据，弥补了现有诊断方法的不足，有很大的临床应用价值。

尽管如此，以前OCT在妇科的应用主要限于试验研究，原因在于：第一，以前应用于妇科的OCT多是对通用OCT系统进行一些简单改造，并未全面考虑临床需求，不能真正进入临床使用；第二，从分辨率角度来说，以前用于妇科的OCT分辨率大约只有几十微米，无法看到细胞结构，只能从大体的形态来进行病变判读。然而，对于某些类型的病变，必须通过细胞的形态来判断，否则有可能发生混淆。例如：

(1)宫颈炎症组织和低级别病变组织

宫颈炎症组织和低级别病变组织从大体结构上看都是有清晰的分层结构，上层是由鳞状细胞组成的上皮层，下层是基质，中间由基底膜分隔开。唯一的区别是低级别病变组织由于受到HPV病毒感染，上皮层存在部分挖空细胞，特征是细胞核增大，见双核或多核，核周有空化区。这些特征只有通过分辨率小于10μm的高分辨率的OCT才能观察到。

(2)宫颈柱状上皮外翻和浸润癌

宫颈柱状上皮外翻和部分浸润癌从大体结构上看都存在乳头状突起，容易混淆。但柱状上皮外翻的突起表层是由规整的单层柱状上皮细胞构成，而浸润癌的突起无此结构。因此，在高分辨率OCT下可以通过观察单层柱状上皮细胞对二者进行区分。

(3)外阴尖锐湿疣和乳头状瘤

外阴尖锐湿疣和乳头状瘤从大体结构上看都存在乳头状突起，容易混淆。外阴尖锐湿疣是由HPV病毒感染引起的，与宫颈低级别病变类似，都存在挖空细胞，而乳头状瘤无此特征。因此，在高分辨率OCT下可以通过观察细胞核增大、有核周晕的挖空细胞对这二者进行区分。

光学相干层析成像（OCT）是一种高分辨率的无创光学成像技术，它的基本原理是低相干光干涉技术，利用低相干的近红外光照射生物组织，通过对散射回来的光信号进行干涉测量，获得生物组织微米级分辨率的二维横截面图像或者三维重构图像。在OCT中，图像对比度是由组织结构的光学折射率变化产生的，无需外源性造影剂，在组织内成像深度约为2-3mm。OCT非常适合于组织表面成像，例如视网膜成像。随着近年来OCT探头导管技术的发展，OCT被越来越多的应用于内窥领域，主要对体内管腔浅表组织进行高分辨率成像，包括心血管、消化道、肺部、喉部和泌尿生殖系统等。目前OCT在妇科的应用主要处于实验室研究阶段，在商业化应用方面刚刚起步，主要方向为宫颈和外阴的筛查和诊断。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于妇科检查的光学相干层析成像设备。

本发明的技术方案是：一种用于妇科检查的光学相干层析成像设备，包括电脑、宽带光源、光信号采集设备、光纤耦合器、集成参考臂和手持探头，所述光纤耦合器为2x2光纤耦合器，所述光纤耦合器的四个端口分别为输入端、参考臂端、样品臂端和输出端，所述输入端、所述参考臂端、所述样品臂端和所述输出端分别通过光纤连接到宽带光源、集成参考臂、手持探头和光信号采集设备，所述集成参考臂包括控制器、偏振调节器和光学延迟器，所述参考臂端连接的光纤为延迟光纤，所述延迟光纤缠绕在偏振调节器至少一圈后连接到光学延迟器，所述光信号采集设备还连接到电脑，所述集成参考臂的内部的控制器与电脑连接。

优选的，所述偏振调节器包括调偏电机和调偏摇臂，所述调偏摇臂通过曲柄连接在调偏电机的输出轴，所述延迟光纤缠绕在调偏摇臂上，所述调偏摇臂的两侧设置固定光纤的固定座，所述延迟光纤缠绕在调偏摇臂前、后分别进行固定。

优选的，所述光学延迟器包括第一准直镜和延迟组件，所述光纤为延迟光纤且连接在第一准直镜的准直光纤端口，所述延迟组件包括滑动反射角锥和固定反射角锥，所述滑动反射角锥安装在沿直线滑轨滑动的滑块上，所述滑块与丝杠螺母副的调节螺母固定连接，所述丝杠螺母副的调节丝杠连接光学延迟电机的输出轴，所述第一准直镜的光束出口朝向滑动反射角锥，所述固定反射角锥安装在滑动反射角锥和第一准直镜之间且紧挨所述第一准直镜，所述固定反射角锥的中心线与所述滑动反射角锥的中心线之间的距离等于所述固定反射角锥的中心线与所述第一准直镜的中心线之间的距离，所述固定反射角锥的中心线、所述滑动反射角锥的中心线、所述第一准直镜的中心线位于同一平面。

优选的，所述集成参考臂还包括可调光衰减器，所述可调光衰减器包括衰减电机和衰减片，所述衰减片与所述衰减电机的输出轴连接，所述衰减片为偏心设置的半圆形结构，所述衰减片位于所述第一准直镜的前方。

优选的，所述衰减片的圆心与所述衰减电机的输出轴沿着衰减片的直边偏心设置，所述衰减片的弧边位于所述第一准直镜的正前方。

优选的，所述集成参考臂包括封闭的壳体，所述调偏电机、所述固定座、所述光学延迟电机、所述直线滑轨、所述衰减电机、所述光纤耦合器及所述第一准直镜均固定在壳体的底部，所述壳体的底部设有光纤定位槽，所述控制器为安装在所述壳体内部且控制调偏电机、光学延迟电机和衰减电机的驱动控制器，所述壳体的侧壁上设有与驱动控制器连接的电源接口和USB接口。

优选的，所述输入端连接的光纤为与宽带光源光纤连接的输入光纤，所述样品臂端连接的光纤为与手持探头连接的样品光纤，所述输出端连接的光纤为与光信号采集设备连接的光信号采集光纤，所述样品光纤和所述光信号采集光纤从壳体侧壁上的光纤输出端口伸出，所述输入光纤连接到壳体侧壁上的光纤接头，所述光纤接头的一半位于壳体内部与输入光纤连接、另一半位于壳体外部连接宽带光源光纤。

优选的，所述手持探头包括第二准直镜、反射镜、扫描振镜和探头管，所述第二准直镜连接样品光纤，所述样品光纤射出的发散光束经过第二准直镜的准直透镜折射后形成近平行光，所述第二准直镜发出的近平行光经过一段光路后再经扫描振镜反射进入探头管，所述扫描振镜为环形扫描的二维振镜，所述扫描振镜的表面为镀高反射膜的平面镜，所述探头管内设有2n+1个透镜，所述探头管的尾部设置倾斜的窗口，所述探头管的末端为与窗口密封连接的斜口，所述窗口为平凸透镜，进入所述探头管的近平行光经过探头管内的透镜后聚焦到窗口的外表面。

优选的，所述斜口的下方向内侧倾斜。

优选的，所述第二准直镜与扫描振镜之间设置反射镜。

本发明的有益效果是：

本发明着力解决光学相干层析成像（OCT）在妇科领域使用面临的问题，充分考虑了妇科诊室的使用环境，对OCT系统进行设计优化，满足一般妇科检查的使用要求，同时通过卓越的光学设计，使分辨率达到了5μm以下，在人体上首次实现了宫颈组织的细胞级成像，将妇科OCT的图像质量提升到了一个新的高度，经临床研究验证，本OCT系统对于妇科宫颈和外阴的病变判别可以达到很高的准确度，取得了和病理活检高度一致的结果（85%以上）。

本发明能够利用电脑及集成参考臂控制调节进入集成参考臂的光路，通过光学延迟器延长光线行程，使集成参考臂、手持探头返回到光纤耦合器的光达到好的耦合干涉效果，干涉的光路输出到光信号采集设备，通过偏振调节器改变光纤内部应力，进而改变光线的折射状态，从而对光线进行偏振控制。

本发明在集成参考臂中还设置可调光衰减器，能够使集成参考臂内第一准直镜发出的准直光束从衰减片外圆周处通过，使部分光束被衰减片外圆周遮挡，衰减片为偏心设置的半圆形结构，能够通过衰减片的转动改变衰减片光束被遮挡的面积，从而达到连续调节光衰减的目的。

本发明通过电脑及集成参考臂电动控制偏振调节器、可调光衰减器和光学延迟器对集成参考臂内的延迟光纤的光路进行实时调节，使其与样品光纤的光路对应，从而使延迟光纤、样品光纤返回的光在光纤耦合器中进行干涉，提升了光信号采集光纤输出光路的稳定性。

本发明的集成参考臂用简单巧妙的设计将偏振调节器、可调光衰减器和光学延迟器进行组合，集成度高，维护简单。

本发明中的手持探头具有超高分辨率，首次实现了在体（in vivo）宫颈组织的细胞级成像，将平凸透镜作为窗口使用很大程度上减小了像差，改善了分辨率。

本发明中的扫描振镜为环形扫描的二维振镜，环形扫描避免了突然的加速、减速，在相同的硬件条件（例如通光口径）下，具有更大的有效成像区域。

本发明利用电脑和光纤耦合器将集成参考臂、手持探头及光信号收集设备连接成闭环系统，能够对系统中光信号的漂移变化进行实时补偿，提升了OCT系统的稳定性和可用性。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的原理框图；

图3为集成参考臂内部结构的俯视示意图；

图4为集成参考臂的壳体的立体结构示意图；

图5为集成参考臂中衰减片的结构示意图；

图6为驱动控制器的控制原理框图；

图7为驱动控制器的电路原理图；

图8为驱动控制器中步进电机驱动电路原理图；

图9为驱动控制器中USB转接芯片电路原理图；

图10为驱动控制器中供电电路原理图；

图11为手持探头的结构示意图；

图12为本发明对USAF1951分辨率板进行的横向分辨率实测对比图；

图12中a为本发明对USAF1951分辨率板进行的横向分辨率实测图；

图12中b为USAF1951分辨率板的标准图样；

图13为本发明的纵向分辨率测试结果；

图14为本发明对在体的人体宫颈组织进行OCT扫描得到的图像。

图中：1—驱动控制器；2—调偏电机；3—调偏摇臂；4—固定座；5—光纤耦合器；6—光纤定位槽；8—衰减电机；9—准直光纤端口；10—第一准直镜；11—光学延迟电机；12—光电开关；13—直线滑轨；14—调节螺母；15—滑动反射角锥；16—滑块；17—衰减片；18—固定反射角锥；20—电源接口；21—USB接口；22—壳体；23—光纤接头；24—光纤输出端口；25、样品光纤；26、第二准直镜；27、反射镜；28、扫描振镜；29、探头管；30、透镜；31、窗口；32、样品组织；33、机身；34、支架；35、显示器；36、脚轮；37、手持探头；38、操作面板；39、储物盒；40、键盘；41、鼠标。

具体实施方式

本发明的具体实施方式参见图1-图14：

本发明的技术方案为：

一种用于妇科检查的光学相干层析成像设备，如图2-图6，包括电脑、宽带光源、光信号采集设备、光纤耦合器5、集成参考臂和手持探头，所述光纤耦合器5为2x2光纤耦合器5，所述光纤耦合器5的四个端口分别为输入端、参考臂端、样品臂端和输出端，所述输入端、所述参考臂端、所述样品臂端和所述输出端分别通过光纤连接到宽带光源、集成参考臂、手持探头和光信号采集设备，所述集成参考臂包括控制器、偏振调节器和光学延迟器，所述参考臂端连接的光纤为延迟光纤，所述延迟光纤缠绕在偏振调节器至少一圈后连接到光学延迟器，所述光信号采集设备还连接到电脑，所述集成参考臂的内部的控制器与电脑连接，所述偏振调节器包括调偏电机2和调偏摇臂3，所述调偏摇臂3通过曲柄连接在调偏电机2的输出轴，所述延迟光纤缠绕在调偏摇臂3上，所述调偏摇臂3的两侧设置固定光纤的固定座4，所述延迟光纤缠绕在调偏摇臂3前、后分别进行固定，所述光学延迟器包括第一准直镜10和延迟组件，所述光纤为延迟光纤且连接在第一准直镜10的准直光纤端口9，所述延迟组件包括滑动反射角锥15和固定反射角锥18，所述滑动反射角锥15安装在沿直线滑轨13滑动的滑块16上，所述滑块16与丝杠螺母副的调节螺母14固定连接，所述丝杠螺母副的调节丝杠连接光学延迟电机11的输出轴，所述第一准直镜10的光束出口朝向滑动反射角锥15，所述固定反射角锥18安装在滑动反射角锥15和第一准直镜10之间且紧挨所述第一准直镜10，所述固定反射角锥18的中心线与所述滑动反射角锥15的中心线之间的距离等于所述固定反射角锥18的中心线与所述第一准直镜10的中心线之间的距离，所述固定反射角锥18的中心线、所述滑动反射角锥15的中心线、所述第一准直镜10的中心线位于同一平面。

本发明中的集成参考臂还包括可调光衰减器，所述可调光衰减器包括衰减电机8和衰减片17，所述衰减片17与所述衰减电机8的输出轴连接，所述衰减片17为偏心设置的半圆形结构，所述衰减片17位于所述第一准直镜10的前方，所述衰减片17的圆心与所述衰减电机8的输出轴沿着衰减片17的直边偏心设置，所述衰减片17的弧边位于所述第一准直镜10的正前方，该集成参考臂中第一准直镜10发出的准直光束从衰减片17外圆周处通过，使部分光束被衰减片17外圆周遮挡，衰减片17为偏心设置的半圆形结构，能够通过衰减片17的转动改变衰减片17光束被遮挡的面积，从而达到连续调节光衰减的目的，如图5，衰减片17的圆心B相对衰减电机8的输出轴的中心A向一侧偏移。

本发明中集成参考臂包括封闭的壳体22，所述调偏电机2、所述固定座4、所述光学延迟电机11、所述直线滑轨13、所述衰减电机8、所述光纤耦合器5及所述第一准直镜10均固定在壳体22的底部，所述壳体22的底部设有光纤定位槽6，集成参考臂内部的控制器为安装在所述壳体内部且控制调偏电机、光学延迟电机和衰减电机的驱动控制器，所述壳体22的侧壁上设有与驱动控制器1连接的电源接口20和USB接口21，所述输入端连接的光纤为与宽带光源光纤连接的输入光纤，所述样品臂端连接的光纤为与手持探头连接的样品光纤25，所述输出端连接的光纤为与光信号采集设备连接的光信号采集光纤，所述样品光纤25和所述光信号采集光纤从壳体22侧壁上的光纤输出端口24伸出，所述输入光纤连接到壳体22侧壁上的光纤接头23，所述光纤接头23的一半位于壳体22内部与输入光纤连接、另一半位于壳体22外部连接宽带光源光纤，在壳体22的底部还设置有三个光电开关12，三个光电开关12分布设置在调偏摇臂3的下方、直线滑轨13的左侧、衰减片17的下方，三个光电开关12分布连接到调偏电机2、光学延迟电机11和衰减电机8的控制电路，起到限位作用。

本发明中调偏电机2、光学延迟电机11和衰减电机8均为通过驱动控制器1控制的步进电机，驱动控制器1采用STM32F103VE芯片，驱动控制器1连有步进电机驱动电路，具体连接如图7和8，驱动控制器1的USB转接芯片电路和供电电路如图9和10。

本发明中光纤耦合器的参考臂端连接的延迟光纤与光学延迟器连接来延长光线行程，参考臂端出射的光束经延迟光纤到达第一准直镜10准直后，传播至滑动反射角锥15，光束经滑动反射角锥15反射后反向返回，由于入射光束略向上偏离滑动反射角锥15的中心，故返回光束向下有一平移，反射光束和入射光束反向平行且相对滑动反射角锥15的中心的距离相等；反射光束继续传播至固定反射角锥18的中心，固定反射角锥18反射的光束完全沿原路返回至光纤耦合器的参考臂端，其中滑动反射角锥15和固定反射角锥18优先使用全内反射角锥，入射面可镀增透膜以提高光传输效率，滑动反射角锥15可在光学延迟电机11驱动下沿直线滑轨13前后移动，以改变参考臂端光束的光程并和样品臂端光束的光程匹配，从而达到好的干涉效果再通过光信号采集光纤输出至光信号采集设备，还在中间通过偏振调节器改变光纤内部应力，进而改变光线的折射状态，从而对光线进行偏振控制，该集成参考臂中光纤的位置状态会直接影响到干涉信号，因此光纤通过壳体22底部的光纤定位槽6进行固定，避免光纤进行不受控制的移动。

本发明中的手持探头包括第二准直镜26、反射镜27、扫描振镜28和探头管29，所述第二准直镜26连接样品光纤25，所述样品光纤25射出的发散光束经过第二准直镜26的准直透镜折射后形成近平行光，所述第二准直镜26发出的近平行光经过一段光路后再经扫描振镜28反射进入探头管29，所述扫描振镜28为环形扫描的二维振镜，所述扫描振镜28的表面为镀高反射膜的平面镜，所述探头管29内设有2n+1个透镜30，所述探头管29的尾部设置倾斜的窗口31，所述探头管29的末端为与窗口31密封连接的斜口，所述窗口31是内侧为凸面、外侧为平面的平凸透镜，所述窗口31的外侧面与斜口的表面平齐，进入所述探头管29的近平行光经过探头管29内的透镜30后聚焦到窗口31的外表面，所述斜口的下方向内侧倾斜，所述第二准直镜26与扫描振镜28之间设置反射镜27，所述反射镜27为镀高反射膜的平面镜、棱镜或全反射棱镜。

本发明的探头具有超高分辨率，如图14，首次实现了在体（in vivo）宫颈组织的细胞级成像，将平凸透镜作为窗口31使用很大程度上减小了像差，改善了分辨率。

本发明中光信号从光纤耦合器5中发出通过样品光纤25传输至扫描探头，经过探头一系列光路到达样品组织32后，被样品组织32反射的光信号经原路返回，再由样品光纤25传输回光纤耦合器5，由于样品光纤25端口芯径非常小，样品光纤25除了起到光传输作用，样品光纤25端口同时也起到了共焦扫描所需的发射和采集针孔滤波作用。

本发明中的第二准直镜26包含一个或一组透镜30，它的作用是将样品光纤25输出的发散光变换为接近平行出射的准直光，在光信号返回时，第二准直镜26还起到聚焦作用，将返回的光信号聚焦到很小的面积，从而耦合进入样品光纤25，第二准直镜26和样品光纤25的配合方式可以是固定结构，让样品光纤25端口位于第二准直镜26的焦面上；也可以是可调节结构，通过可调节结构配合让样品光纤25端口和第二准直镜26之间的距离通过手动或者电动方式调节，从而起到成像质量优化或者共聚焦焦面扫描的作用。

第二准直镜26和振镜之间、振镜和探头管29之间可以不包含或者包含一个至若干个反射镜27；反射镜27不改变光束的发散或会聚状态，只为改变光束的传播方向，以便进行探头结构的设计，例如设计为适合手持的形状，或者为了满足光学元件的入射角度要求，反射镜27可以为镀高反射膜的平面镜、棱镜，或者全反射棱镜

扫描振镜28是一类角度在一定范围内可调的反射镜27，通过电子系统控制镜面角度，从而改变反射光束方向，最终在探头焦面上实现聚焦点的平移扫描，本发明中手持探头的扫描振镜28为环形扫描的二维振镜，本发明中的扫描振镜28在两个扫描方向分别施加正弦或余弦信号，形成环形轨迹，在扫描一周后，改变环形半径继续扫描，在一定半径区间内形成类似于同心圆的轨迹。和直线扫描相比，此环形扫描方式的主要优势在于：直线扫描下振镜在每一行扫描起始和结束时有较大的加速减速过程，会使这部分图像出现畸变，因此减少有效成像区域；环形扫描避免了突然的加速减速，在相同的硬件条件（例如通光口径）下，具有更大的有效成像区域。

本发明中的探头管29两端密封，探头管29材料满足医疗产品的生物相容性要求，探头管29尾部的窗口31是光束出射探头的最后一个光学元件，同时保证了探头顶端的密封，窗口31倾斜设置，其法线方向与光轴成一小的角度，这是为了减少窗口31界面直接反射的光信号进入光路，对样品组织32返回的光信号有所干扰，成像时倾斜的平面镜会引入较大像差，降低成像质量，而使用平凸透镜的窗口31可以很大程度上抑制这种像差，获得更高的横向分辨率。

本发明在使用时，样品组织32紧贴在手持探头的窗口31表面，为了避免交叉感染，探头外面可以套上一层很薄的透明隔离套；探头每次采集覆盖一个扫描面积，操作者选取患者不同点位多次扫描，可以覆盖更多区域，探头中的第二准直镜26由光纤接口和准直透镜组成，光纤接口连接成像设备光纤，光纤出射的发散光束经过准直透镜折射后形成近平行光，近平行光经过一段光路后照射在扫描振镜28中心区域，扫描振镜28表面为平面镜，镀有高反射膜，近平行光经过扫描振镜28反射进入探头管29，在探头管29内设置2n+1个透镜30，通过调节透镜30间距，使光束聚焦到探头管29尾部窗口31的外表面处，扫描振镜28在电信号驱动下进行扫描时，近平行光的入射角度发生改变，窗口31外表面处的聚焦点位置随之发生改变，从而达到对样品的不同位置进行取样，从光纤耦合器5发出的光经过探头一系列光路到达样品组织32后，被样品组织32反射的信号经原路返回，再由样品光纤25传输回光纤耦合器5，然后与参考臂返回的光干涉再传输到光信号采集设备，光信号采集设备包括光谱仪和采集卡，光谱仪包含了准直镜、衍射元件、聚焦镜头以及高速线性相机等部分，光谱仪的光谱范围和光源的光谱范围相对应，光纤耦合器5输出的光输送到光谱仪，采集卡对光谱仪相机接收到的信号进行采样，并传输至电脑，电脑连接信号发生器，信号发生器又和采集卡和手持探头连接，信号发生器产生相机采集触发信号传输到采集卡，信号发生器产生振镜控制信号传输到手持探头中的扫描振镜28，信号发生器协调各控制和采集过程时序。

本发明组成一个整体，如图1，电脑主机、宽带光源、集成参考臂安装在机身33内部，机身33底部有脚轮36，方便在诊室内移动，当移动到合适位置后，脚轮36可以锁死，电脑显示器35安装在机身顶部，方便实时观察图像数据，显示器35安装在可以旋转移动的支架34上，医生可以根据自己的情况调整显示器的角度位置，机身中部为操作面板38，操作面板上还放置键盘40和鼠标41，面板一侧为储物盒39，方便小物件的存储，另一侧为探头架，手持探头37不使用时可以放置在探头架上，手持探头尾部设置穿有样品光纤25和信号线的线缆保护套管，手持探头通过样品光纤25与集成参考臂连接、通过信号线与信号发生器连接，机身背部有电源线插口和USB插口，可以插接脚踏板，在双手占用时可以用脚踏板触发采集数据。

光学相干层析成像（OCT）的基本工作原理为低相干光干涉技术，所用到的光源需要同时具有较低的时间相干性和较高的空间相干性。低时间相干性是为了减少相干长度，实现高纵向分辨率；而高空间相干性是为了能将光斑聚焦到很小的一点，实现高横向分辨率。较低的时间相干性意味着光源为宽带光源，假设光源光谱线型为高斯型，那么光源的带宽和纵向分辨率的关系为：

其中，Δz表示纵向分辨率，λ表示光源的中心波长，Δλ表示光源的带宽。由此看出，光源带宽越宽，OCT的纵向分辨率越高。在本发明的OCT系统中，我们所用的光源为SLD或者超连续谱光源，中心波长约为850nm，带宽达到155nm以上，因此理论上纵向分辨率可以达到大约2μm（空气中）或者1.5μm（组织中）。

目前通常的妇科检测手段，只能看到组织表面的情况，无法了解表面下的组织结构情况。本发明的OCT设备可应用于妇科宫颈、外阴等检查，帮助医生了解表皮下的细胞级别的结构变化，为更准确的诊断提供依据，本设备具有超高分辨率，首次实现了在体（invivo）宫颈组织的细胞级成像，图12所示为本设备实测横向分辨率的结果，目标为USAF1951分辨率测试板，从结果可以看出，横向分辨率至少达到了分辨率板的第7组第3号元素，对应线对数为161 lp/mm，对应线宽为3.1μm；图13为纵向分辨率测试结果，我们用平面玻璃作样本，测出玻璃空气界面处的线宽，并且按照生物组织的折射率（n=1.38）换算为组织中的深度，根据测试结果，生物组织中的纵向分辨率约为1.8μm，对应空气中纵向分辨率约为2.5μm，这个结果略大于理论值，这是因为光源光谱并非真的高斯型，而系统中的残余色散也会使线宽略微增宽；我们更进一步使用该OCT系统对在体的人体宫颈组织进行了OCT扫描成像，结果如图14所示，从图中我们可以清晰分辨宫颈组织的表皮细胞。

Claims (7)

1.一种用于妇科检查的光学相干层析成像设备，包括电脑、宽带光源、光信号采集设备、光纤耦合器、集成参考臂和手持探头，其特征在于：所述光纤耦合器为2x2光纤耦合器，所述光纤耦合器的四个端口分别为输入端、参考臂端、样品臂端和输出端，所述输入端、所述参考臂端、所述样品臂端和所述输出端分别通过光纤连接到宽带光源、集成参考臂、手持探头和光信号采集设备，所述集成参考臂包括控制器、偏振调节器和光学延迟器，所述参考臂端连接的光纤为延迟光纤，所述延迟光纤缠绕在偏振调节器至少一圈后连接到光学延迟器，所述光信号采集设备还连接到电脑，所述集成参考臂的内部的控制器与电脑连接，所述偏振调节器包括调偏电机和调偏摇臂，所述调偏摇臂通过曲柄连接在调偏电机的输出轴，所述延迟光纤缠绕在调偏摇臂上，所述调偏摇臂的两侧设置固定光纤的固定座，所述延迟光纤缠绕在调偏摇臂前、后分别进行固定，所述光学延迟器包括第一准直镜和延迟组件，所述光纤为延迟光纤且连接在第一准直镜的准直光纤端口，所述延迟组件包括滑动反射角锥和固定反射角锥，所述滑动反射角锥安装在沿直线滑轨滑动的滑块上，所述滑块与丝杠螺母副的调节螺母固定连接，所述丝杠螺母副的调节丝杠连接光学延迟电机的输出轴，所述第一准直镜的光束出口朝向滑动反射角锥，所述固定反射角锥安装在滑动反射角锥和第一准直镜之间且紧挨所述第一准直镜，所述固定反射角锥的中心线与所述滑动反射角锥的中心线之间的距离等于所述固定反射角锥的中心线与所述第一准直镜的中心线之间的距离，所述固定反射角锥的中心线、所述滑动反射角锥的中心线、所述第一准直镜的中心线位于同一平面，所述集成参考臂还包括可调光衰减器，所述可调光衰减器包括衰减电机和衰减片，所述衰减片与所述衰减电机的输出轴连接，所述衰减片为偏心设置的半圆形结构，所述衰减片位于所述第一准直镜的前方。

2.根据权利要求1所述的用于妇科检查的光学相干层析成像设备，其特征在于：所述衰减片的圆心与所述衰减电机的输出轴沿着衰减片的直边偏心设置，所述衰减片的弧边位于所述第一准直镜的正前方。

3.根据权利要求2所述的用于妇科检查的光学相干层析成像设备，其特征在于：所述集成参考臂包括封闭的壳体，所述调偏电机、所述固定座、所述光学延迟电机、所述直线滑轨、所述衰减电机、所述光纤耦合器及所述第一准直镜均固定在壳体的底部，所述壳体的底部设有光纤定位槽，所述控制器为安装在所述壳体内部且控制调偏电机、光学延迟电机和衰减电机的驱动控制器，所述壳体的侧壁上设有与驱动控制器连接的电源接口和USB接口。

4.根据权利要求3所述的用于妇科检查的光学相干层析成像设备，其特征在于：所述输入端连接的光纤为与宽带光源光纤连接的输入光纤，所述样品臂端连接的光纤为与手持探头连接的样品光纤，所述输出端连接的光纤为与光信号采集设备连接的光信号采集光纤，所述样品光纤和所述光信号采集光纤从壳体侧壁上的光纤输出端口伸出，所述输入光纤连接到壳体侧壁上的光纤接头，所述光纤接头的一半位于壳体内部与输入光纤连接、另一半位于壳体外部连接宽带光源光纤。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于妇科检查的光学相干层析成像设备，其特征在于：所述手持探头包括第二准直镜、反射镜、扫描振镜和探头管，所述第二准直镜连接样品光纤，所述样品光纤射出的发散光束经过第二准直镜的准直透镜折射后形成近平行光，所述第二准直镜发出的近平行光经过一段光路后再经扫描振镜反射进入探头管，所述扫描振镜为环形扫描的二维振镜，所示扫描振镜的表面为镀高反射膜的平面镜，所述探头管内设有2n+1个透镜，所述探头管的尾部设置倾斜的窗口，所述探头管的末端为与窗口密封连接的斜口，所述窗口为平凸透镜，进入所述探头管的近平行光经过探头管内的透镜后聚焦到窗口的外表面。

6.根据权利要求5所述的用于妇科检查的光学相干层析成像设备，其特征在于：所述斜口的下方向内侧倾斜。

7.根据权利要求6所述的用于妇科检查的光学相干层析成像设备，其特征在于：所述第二准直镜与扫描振镜之间设置反射镜。