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TWI447352B - 光學斷層攝影系統 - Google Patents

光學斷層攝影系統 Download PDF

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TWI447352B
TWI447352B TW100124181A TW100124181A TWI447352B TW I447352 B TWI447352 B TW I447352B TW 100124181 A TW100124181 A TW 100124181A TW 100124181 A TW100124181 A TW 100124181A TW I447352 B TWI447352 B TW I447352B
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Description

光學斷層攝影系統
本發明係有關於一種光學斷層攝影系統，特別係有關於一種光學同調斷層攝影系統。
光同調斷層攝影術(optical coherence tomography)於1991年由J. G. Fujimoto等人所提出，並發表於科學(Science)雜誌。由於其可對材料表層下的結構作非破壞性的二維或三維的高解析度斷層造影，近二十年來，相關的技術與應用迅速發展並受到廣泛的重視，尤其是在生物醫學的領域上，已成為一重要的研究與診斷工具。
光同調斷層攝影術主要利用干涉儀的原理，以樣品端與參考端的干涉訊號作為樣品結構的造影依據。在其技術的發展上，早期主要以時域(time-domain)光同調斷層攝影術為主。這類技術利用位於參考端的光延遲線(optical delay line)作縱向(軸向)的掃描以產生光線的延遲，使參考端的光程隨時間而變化，並獲得樣品內部不同深度的結構資訊。此技術的缺點為需要於參考端作縱向(軸向)的掃描因而難以提高造影的速度。
後來所發展的傅氏域(Fourier-domain)或頻域(frequency-domain)光同調斷層攝影術則將系統中的光偵測器以光譜儀取代，將所得的干涉訊號作傅氏轉換(Fourier transform)之後便可獲得樣品內部不同深度的結構資訊。此技術的優點為不需於參考端作縱向(軸向)的掃描，因而大幅提高了造影的速度。但其仍有諸多限制，例如光譜儀的波長解析度、鏡像與自相干訊號均限制了造影的深度範圍，而欲解決鏡像與自相干訊號的問題又必須於參考端作相位偏移(phase shift)。而樣品內部的結構資訊則須利用電腦程式作傅氏轉換方可獲得。
近年來，由於掃頻雷射光源的發展，利用掃頻光源(swept source)取代傳統的寬頻光源，並以高速光偵測器取代光譜儀的掃頻光源光同調斷層攝影術使此技術獲得進一步的發展。此一新技術大幅提高了造影的速度與光譜的波長解析度。然而，此技術所使用的光源造價高昂，且由於其仍基礎於傅氏域或頻域光同調斷層攝影術的概念，因此仍須利用電腦程式作傅氏轉換方可獲得樣品內部的結構資訊，且無法避免在傅氏轉換的過程中所將遭遇的鏡像與自相干訊號的問題。
因此，在此技術領域中，有需要一種光學斷層攝影系統，以滿足上述需求且克服習知技術的缺點。
有鑑於此，本發明一實施例係提供一光學斷層攝影系統，上述光學斷層攝影系統包括一光源，發射出一光束；一偵測裝置；一光延遲裝置；一聚焦裝置；一分光裝置，將上述光束分為一第一參考光束和一第一樣品光束，其中上述第一參考光束入射至上述光延遲裝置，且上述第一樣品光束入射至上述聚焦裝置再聚焦至一樣品，且從上述光延遲裝置反射的一第二參考光束和從上述樣品反射的一第二樣品光束經由分光裝置入射至上述偵測裝置，其中上述第二參考光束沿一第一維度的不同部分具有不同的光程。
以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。在圖式或說明書描述中，相似或相同之部分皆使用相同之圖號。且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式。
第1圖為本發明實施例之光學斷層攝影系統500的示意圖。本發明實施例之光學斷層攝影系統500為一種光學同調斷層攝影系統(optical coherence tomography system)，系統中之干涉儀的參考端不須作縱向(軸向)的掃描，且干涉訊號不須利用電腦程式作傅氏轉換。請參考第1圖，本發明實施例之光學斷層攝影系統500的元件包括一光源1、一分光裝置(beamsplitter)2、一光延遲裝置3、一聚焦裝置4以及一偵測裝置5。分光裝置2、光延遲裝置3、聚焦裝置4以及偵測裝置5可構成本發明實施例之光學斷層攝影系統500的干涉儀，當光源1發出的光束分別入射至樣品和光延遲裝置3時，可形成兩道反射光，而於偵測裝置5產生一干涉訊號。如第1圖所示，在本發明一實施例中，光源1、光延遲裝置3、聚焦裝置4以及偵測裝置5分別設置於分光裝置2的第一側202、第二側204、第三側206和第四側208，且第1圖的光源1、光延遲裝置3、聚焦裝置4以及偵測裝置5的設置位置僅為舉例，然非限制本發明。值得注意的是，光延遲裝置3與分光裝置2之間的距離為一固定值。
在本發明一實施例中，光源1為寬頻光源(broadband light source)，其為波長(或頻率)連續分布的光源。在本發明一實施例中，分光裝置2可為一分光鏡。在本發明一實施例中，光延遲裝置3可使反射光束沿一第一維度(dimension)(在第1圖中為平行紙面的第一維度300)之光程具有不等值之連續分布，使其沿該第一維度300的不同部分具有不同的光程，簡言之，即第3圖中用以表示第二參考光束218之各繪有箭頭之線段皆不等長，但反射光束沿一第二維度(在第1圖中為垂直紙面的第二維度302)之光程固定，使其沿該第二維度302的不同部分具有相同的光程的裝置。舉例來說，光延遲裝置3可包括一柱面反射鏡或一平面反射鏡，其中柱面反射鏡沿第二維度(在第1圖中為垂直紙面的第二維度302)延伸，而平面反射鏡的反射面與光束的入射方向互相不垂直。上述第一維度300和第二維度302係定義為與如第2圖所示的第一參考光束214之光軸(光束傳播方向)垂直的不同維度，且上述第一維度300和第二維度302互相垂直。本發明實施例的聚焦裝置4僅能夠將入射光束於沿第三維度304的方向聚焦，但無法將 入射光束於沿第二維度302的方向聚焦。上述第三維度304在第1圖中為平行紙面，且上述第三維度304和第一維度300以及第二維度302互相垂直。在本例中，聚焦裝置4為沿第二維度302延伸的一柱狀凸透鏡。在本發明一實施例中，偵測裝置5可偵測二維光，例如為數位相機之二維感光耦合元件裝置(CCD)。
接著利用第2~4圖敘述利用本發明實施例之光學斷層攝影系統500進行之光同調斷層攝影術的原理。第2圖顯示從光源1發射出的光束212以及經分光裝置2分成的第一參考光束(reference beam)214和第一樣品光束(sample beam)216的行進路徑，其中第一參考光束214和第一樣品光束216中的不同線段為光徑，而箭頭方向為光傳播方向。如第2圖所示，由光源1發出一光束212。在本例中，光源1為寬頻光源(broadband light source)，因此光束212也可視為寬頻光束212。光束212經分光裝置2分光之後分為兩道光束，分別為第一參考光束(reference beam)214與第一樣品光束(sample beam)216，其中第一參考光束214之一部分會進入例如柱面反射鏡的光延遲裝置3。另外，第一樣品光束216會入射至該聚焦裝置4再聚焦至一樣品6。在本例中，由於聚焦裝置4僅將第一樣品光束216於第三維度304聚焦，而未將第一樣品光束216於第二維度302聚焦。因此，聚焦至樣品6上的第一樣品光束216為沿第二維度302延伸的一直線。
如第3、4圖所示，而光延遲裝置3和樣品6會分別反射第一參考光束214和第一樣品光束216而形成第二參考 光束218和第二樣品光束220。第3圖顯示從光延遲裝置3反射的第二參考光束218的行進路徑，其中第二參考光束218中的不同線段為光徑，而箭頭方向為光傳播方向。如第3圖所示，由光延遲裝置3反射之第二參考光束218會經由分光裝置2之透射而入射於偵測裝置5。第二參考光束218沿第一維度300(平行於紙面)具有光程分布(光延遲分布)，意即第二參考光束218沿第一維度300的不同部分具有不同的光程(optical path length)。但是第二參考光束218沿第二維度302的不同部分具有相同的光程。換句話說，光束自分光裝置2分光之後，經光延遲裝置3反射而至偵測裝置5的傳播過程當中，光束於第一維度300的不同部分(218的不同線段)會具有不同的光程。
第4圖顯示從樣品6反射的第二樣品光束220的行進路徑，其中第二樣品光束220中的不同線段為光徑，而箭頭方向為光傳播方向。如第4圖所示，由樣品6反射(reflected)或背向散射(back scattered)之第二樣品光束220經由聚焦裝置4透射，再經由分光裝置2反射而入射於偵測裝置5。在本例中，由於聚焦裝置4僅將第一樣品光束216於第三維度304聚焦，而未將第一樣品光束216於第二維度302聚焦。由於第2圖所示的聚焦至樣品6上的第一樣品光束216為沿第二維度302延伸的一直線，所以於第4圖中入射於偵測裝置5之第二樣品光束220在第一維度300(平行於紙面)的不同部分為樣品6上同一縱軸(光傳播方向)的反射光，而入射於偵測裝置5之第二樣品光束220在第二維度302(垂直於紙面)的不同部分為樣品6上沿 第二維度302不同位置的反射光。
如第3、4圖所示，從光延遲裝置3反射的第二參考光束218和從樣品6反射的第二樣品光束220會經由分光裝置2入射至偵測裝置5。值得注意的是，於光延遲裝置3上沿第一維度300分布的光與於聚焦裝置4上沿第三維度304分布的光經分別反射並通過分光裝置2而至偵測裝置5上時，會於偵測裝置5上沿第一維度300重合。因此，偵測裝置5可接收第二參考光束218與第二樣品光束220的干涉影像。因為第二參考光束218沿第一維度300的不同部分具有不同的光程，且第二參考光束218沿第二維度302的不同部分具有相同的光程，因此不需掃描(移動)光延遲裝置3即可造成參考端的光程變化。另外，第二樣品光束220在沿第一維度300入射於偵測裝置5的不同部分為樣品6上同一縱軸(光傳播方向)的反射光，而在沿第二維度302(垂直於紙面)入射於偵測裝置5的不同部分為樣品6上沿第二維度302不同位置的反射光。所以，上述干涉影像的第一維度300分量對應於樣品6在軸向(光束於樣品6內的傳播方向)的結構資訊(意即樣品6內部不同深度的結構資訊)，上述干涉影像的第二維度302分量對應於樣品6在第二維度302的結構資訊(意即樣品6在沿第二維度302的不同位置的結構資訊)。因此，偵測裝置5所接收的干涉影像係對應於樣品6的二維斷層影像。
本發明實施例係提供一種光學斷層攝影系統，利用一空間展開光延遲裝置3來取代時域光同調斷層攝影系統的參考端以改變參考光束的光程。如此則光學斷層攝影系統 的參考端(光延遲裝置3)可固定其位置而完全不需掃描，即可獲得等同於習知時域光同調斷層攝影術的資訊，能夠省卻掃描所需的時間，亦可避免習知傳氏域或頻域光同調斷層攝影術所需的傅氏轉換與鏡像與自相干訊號的問題，因此本發明實施例的光學斷層攝影系統又可稱為「免轉換(transform-free)單拍(single-shot)光學同調斷層攝影系統」。
此外，由於聚焦光束(第一樣品光束)在樣品表面為沿第二維度延伸的直線而並非為單點，且本發明實施例的光學斷層攝影系統以二維光偵測裝置作訊號擷取，則可在不需任何掃描，且不需作傅氏轉換之下即時獲得樣品的二維斷層影像。如果要得知樣品的三維斷層影像，則僅需在樣品作不同於第一和第二維度之另一維度的掃描即可獲得。
本發明實施例的光學斷層攝影系統之應用產品可包括光同調斷層攝影系統、小型光同調斷層攝影系統、手持式(portable)光同調斷層攝影系統等。特別的是，由於本發明實施例的光學斷層攝影系統的參考端(光延遲裝置)可固定其位置完全不需掃描，因此可以做為斷層照相機、斷層攝影機或小於人體消化道尺寸的膠囊斷層內視鏡，在不須施打顯影劑或放射藥物的情形下即可得知人體消化道的二維或三維斷層影像。第5圖為依據本發明實施例之光學斷層攝影系統製成的斷層照相機/斷層攝影機/膠囊斷層內視鏡600的示意圖。如第5圖所示，本發明實施例的斷層照相機/斷層攝影機/膠囊斷層內視鏡600的主要元件包括一光源1a、一分光裝置(beamsplitter)2a、一光延遲裝置3a、一聚焦裝置4a以及一偵測裝置5a，上述元件可全部封裝於一 整合機體中(圖未顯示)。斷層照相機/斷層攝影機/膠囊斷層內視鏡600的光源1a、光延遲裝置3a、聚焦裝置4a以及偵測裝置5a可分別與分光裝置2a的四個側壁202a、204a、206a和208a儘量靠近或甚至鄰接以縮小總體積，且可利用具有一反射曲面222a之裝置做為光延遲裝置3a。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
1、1a．．．光源
2、2a．．．分光裝置
3、3a．．．光延遲裝置
4、4a．．．聚焦裝置
5、5a．．．偵測裝置
202．．．第一側
204．．．第二側
206．．．第三側
208．．．第四側
202a、204a、206a、208a．．．側壁
212．．．光束
214．．．第一參考光束
216．．．第一樣品光束
218．．．第二參考光束
220．．．第二樣品光束
222．．．反射面
222a．．．反射曲面
300．．．第一維度
302．．．第二維度
304．．．第三維度
500．．．光學斷層攝影系統
600．．．斷層照相機/斷層攝影機/膠囊斷層內視鏡
第1圖為本發明實施例之光學斷層攝影系統的示意圖。
第2圖顯示從光源發射出的光束以及經分光裝置分成的第一參考光束和第一樣品光束的行進路徑。
第3圖顯示從光延遲裝置反射的第二參考光束的行進路徑。
第4圖顯示從樣品反射的第二樣品光束的行進路徑。
第5圖為依據本發明實施例之光學斷層攝影系統製成的斷層照相機/斷層攝影機/膠囊斷層內視鏡的示意圖。
1．．．光源
2．．．分光裝置
3．．．光延遲裝置
4．．．聚焦裝置
5．．．偵測裝置
202．．．第一側
204．．．第二側
206．．．第三側
208．．．第四側
300．．．第一維度
302．．．第二維度
304．．．第三維度
500．．．光學斷層攝影系統

Claims (9)

  1. 一種光學斷層攝影系統，包括：一光源，發射出一光束；一偵測裝置；一光延遲裝置；一聚焦裝置；以及一分光裝置，將該光束分為一第一參考光束和一第一樣品光束，其中該第一參考光束入射至該光延遲裝置，且該第一樣品光束入射至該聚焦裝置再聚焦至一樣品，且從該光延遲裝置反射的一第二參考光束和從該樣品反射的一第二樣品光束經由分光裝置入射至該偵測裝置，其中該第二參考光束在一第一維度之光程具有不等值之連續分布，使其沿該第一維度的不同部分具有不同的光程，其中該第一維度與該第一參考光束之光軸互相垂直。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學斷層攝影系統，其中該第二參考光束沿一第二維度之光程固定，使其沿該第二維度的不同部分具有相同的光程，其中該第二維度分別與該第一參考光束之光軸及該第一維度互相垂直。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學斷層攝影系統，其中該光延遲裝置包括一柱面反射鏡或一平面反射鏡，其中該平面反射鏡的一反射面與該第一參考光束的入射方向互相不垂直。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光學斷層攝影系統，其中該聚焦裝置為一柱狀凸透鏡。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之光學斷層攝影系統，其中該聚焦裝置能夠將該第一樣品光束於沿一第三維度的方向聚焦，而該聚焦裝置無法將該第一樣品光束於沿一第二維度的方向聚焦，其中該第三維度分別與該第一維度與該第二維度互相垂直。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之光學斷層攝影系統，其中藉由該聚焦裝置聚焦至該樣品的該第一樣品光束為沿該第二維度延伸的一直線。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光學斷層攝影系統，其中該光源為一寬頻光源。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光學斷層攝影系統，其中該光延遲裝置與該分光裝置之間的距離為一固定值。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學斷層攝影系統，其中該偵測裝置為二維光偵測裝置。
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