用于內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像的小型化預(yù)標(biāo)定Lissajous掃描光纖探頭*

吳彤 霍文麒 黃蘊(yùn)智 王吉明 顧曉蓉路元?jiǎng)?赫崇君 劉友文?

1) (南京航空航天大學(xué)空間光電探測(cè)與感知工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016)

2) (南京航空航天大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系, 南京 211106)

基于非對(duì)稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)的Lissajous掃描光纖探頭可實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)下的大范圍掃描成像.本文研究了全封裝的小型化預(yù)標(biāo)定Lissajous掃描光纖探頭.通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真, 選擇了能實(shí)現(xiàn)高填充率Lissajous掃描的正交諧振頻率, 確定了非對(duì)稱光纖懸臂的結(jié)構(gòu)參數(shù).全封裝探頭在5 mm工作距離處的焦點(diǎn)直徑為25 μm, 視場(chǎng)大小達(dá)到1.5 mm × 1.5 mm, 總剛性長(zhǎng)度和外徑分別為35 mm和3.5 mm.研究了全封裝探頭掃描軌跡的穩(wěn)定性、可重復(fù)性與掃描成像的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性.結(jié)合實(shí)驗(yàn)室搭建的50 kHz掃頻光學(xué)相干層析(OCT)系統(tǒng), 對(duì)硬幣和生物組織進(jìn)行高質(zhì)量成像, 驗(yàn)證了用于內(nèi)窺OCT成像的小型化預(yù)標(biāo)定Lissajous掃描光纖探頭具有良好的成像性能.

1 引 言

光學(xué)相干層析技術(shù)(optical coherence tomography, OCT)是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一種醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)[1-3], 內(nèi)窺OCT能夠?qū)θ梭w內(nèi)部器官進(jìn)行非侵入、高速、高分辨率的光學(xué)層析成像.前視型探頭是內(nèi)窺OCT中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù), 能有效指導(dǎo)外科手術(shù), 在手術(shù)期間提供圖像引導(dǎo)并且給出詳細(xì)的組織結(jié)構(gòu)信息[4], 提高手術(shù)的成功率同時(shí)能夠降低術(shù)后并發(fā)癥及二次手術(shù)的概率, 在活體診斷等臨床應(yīng)用方面有著很廣闊的應(yīng)用前景.

前視型探頭可分為兩種, 即非諧振掃描內(nèi)窺探頭和光纖諧振掃描內(nèi)窺探頭.通過旋轉(zhuǎn)一對(duì)互成一定角度的GRIN透鏡[5]或通過微機(jī)電系統(tǒng)控制反射鏡或透鏡[6,7]實(shí)現(xiàn)非諧振掃描.但是非諧振掃描內(nèi)窺探頭通常體積較大, 不利于探頭的小型化.光纖諧振掃描探頭通常結(jié)構(gòu)更緊湊, 更容易實(shí)現(xiàn)小型化.光纖諧振掃描的掃描方式一般可分為光柵掃描[8-10]、螺旋掃描[11-16]和Lissajous掃描[17-21]三種.實(shí)現(xiàn)快速光柵掃描需要很高的驅(qū)動(dòng)電壓, 安全性較差.螺旋掃描的照明密度分布不均勻, 中心區(qū)域照明密度比邊緣區(qū)域更高, 容易對(duì)組織造成損傷.與螺旋掃描相比, Lissajous掃描能夠提供更好的照明均勻性, 可避免對(duì)組織的潛在損傷[22].壓電陶瓷(piezoelectric, PZT)管或PZT雙晶片通常作為光纖諧振掃描探頭的驅(qū)動(dòng)器.早期, Liu等[11]開發(fā)了一種由PZT管驅(qū)動(dòng)的、外徑為2.4 mm的小型化前視型內(nèi)窺探頭, 能夠在時(shí)域光學(xué)相干層析(TD-OCT)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)快速橫向掃描成像.2011年Zhang等[10]開發(fā)了一種緊湊型光纖諧振掃描前視探頭, 通過將光纖反向安裝在PZT管的近端并在空心PZT管內(nèi)進(jìn)行掃描, 有效地減少了探頭的總體剛性長(zhǎng)度.2012年, Park等[7]提出了一種基于硅微結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱光纖懸臂和PZT管驅(qū)動(dòng)的Lissajous光纖掃描探頭.但是, PZT管需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓才能產(chǎn)生足夠大的掃描范圍, 不利于活體成像應(yīng)用.Wu等[18]提出了基于非對(duì)稱光纖懸臂和PZT雙晶片作為驅(qū)動(dòng)器的前視型光纖諧振掃描探頭, 可在低電壓驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)足夠大的掃描范圍, 但是由于其尺寸較大, 無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際的內(nèi)窺成像.

本文提出了一種基于非對(duì)稱光纖懸臂的小型化預(yù)標(biāo)定Lissajous掃描光纖探頭.研究了Lissajous掃描軌跡的填充率與波瓣數(shù)的定量關(guān)系, 提出了根據(jù)填充率選擇Lissajous掃描正交諧振頻率的方法.對(duì)非對(duì)稱光纖懸臂進(jìn)行數(shù)值模擬, 確定了與正交諧振頻率對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù).對(duì)全封裝的Lissajous掃描光纖探頭進(jìn)行軌跡預(yù)標(biāo)定, 研究了掃描軌跡的穩(wěn)定性和可重復(fù)性.結(jié)合實(shí)驗(yàn)室搭建的掃頻OCT (SS-OCT)系統(tǒng), 研究了探頭成像的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性, 對(duì)生物組織進(jìn)行了驗(yàn)證性成像實(shí)驗(yàn).

2 方 法

2.1 Lissajous掃描正交諧振頻率選擇方法

Lissajous掃描運(yùn)動(dòng)是兩個(gè)正交簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合運(yùn)動(dòng), 其掃描軌跡形狀由兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振幅、頻率和初相位共同決定.Lissajous掃描的運(yùn)動(dòng)方程可以描述為

其中, Ax和Ay分別表示正交方向兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振幅, fx和fy分別表示兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的頻率, φx和φy分別表示兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的初相位, t表示運(yùn)動(dòng)時(shí)間.x(t)和y(t)表示了Lissajous掃描軌跡隨時(shí)間變化的位置坐標(biāo).根據(jù)上述方程模擬的典型Lissajous掃描軌跡如圖1(a)所示.填充率是評(píng)估Lissajous掃描的關(guān)鍵指標(biāo), 可定義為掃描填充面積與掃描區(qū)域總面積的比值.填充率和Lissajous掃描的波瓣數(shù)相關(guān).波瓣數(shù)為掃描軌跡與X軸和Y軸的交點(diǎn)總數(shù), 可由兩個(gè)方向掃描頻率之和除以兩個(gè)掃描頻率的最大公約數(shù)計(jì)算得到[23].在Lissajous掃描軌跡中加入掃描光斑大小可以用于評(píng)估Lissajous掃描的填充情況, 如圖1(b)所示.波瓣數(shù)在150—350范圍內(nèi)的填充率變化情況如圖1(c)所示,隨著波瓣數(shù)的增加填充率逐漸增大, 增大到100%后保持不變.這一結(jié)果可用于選擇波瓣數(shù), 進(jìn)而選擇正交諧振頻率.

圖1 (a)模擬的Lissajous掃描軌跡圖; (b)考慮光斑大小的掃描填充情況; (c)填充率與波瓣數(shù)關(guān)系曲線Fig.1.(a) Simulated Lissajous scanning trajectory; (b) scanning pattern considering the spot size; (c) relation curve of filling rate vs.side-lobe number.

2.2 非對(duì)稱光纖懸臂的仿真與數(shù)值模擬

圖2 (a)為實(shí)現(xiàn)Lissajous掃描所基于的非對(duì)稱光纖懸臂的結(jié)構(gòu)示意圖.用于掃描成像的主光纖近端固定在PZT雙晶片上表面的中間位置, 遠(yuǎn)端附加一段毛細(xì)金屬管.附加的毛細(xì)金屬管可降低非對(duì)稱光纖懸臂的諧振頻率以匹配SS-OCT系統(tǒng)的成像速度.在PZT雙晶片下表面邊緣處固定一段附加光纖, 通過連接光纖黏接到主光纖, 組成剛性框架面BCDE.圖2(b)是非對(duì)稱光纖懸臂的受力分析圖, PZT雙晶片提供的驅(qū)動(dòng)力F垂直于其表面, 經(jīng)非對(duì)稱光纖懸臂分解為正交方向上的兩個(gè)分力F1和F2, F1垂直于剛性框架面BCDE, F2在剛性框架面內(nèi).將對(duì)應(yīng)于非對(duì)稱光纖懸臂正交諧振頻率的正弦信號(hào)合成PZT雙晶片的驅(qū)動(dòng)信號(hào), 用于驅(qū)動(dòng)主光纖的自由端進(jìn)行Lissajous掃描.

圖2 (a)非對(duì)稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)示意圖; (b)非對(duì)稱光纖懸臂受力分析圖Fig.2.(a) Schematic of the asymmetric fiber cantilever;(b) force analysis of the asymmetric fiber cantilever.

圖3 (a) COMSOL中仿真的非對(duì)稱光纖懸臂結(jié)構(gòu)示意圖;(b)主光纖和附加光纖長(zhǎng)度與正交諧振頻率的關(guān)系圖Fig.3.(a) Simulated probe structure in COMSOL; (b) the relationship between the length of the main fiber and the auxiliary fiber and the orthogonal resonance frequency.

3 實(shí) 驗(yàn)

全封裝的Lissajous掃描光纖探頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示, 各部分使用紫外固化膠黏結(jié)固定.使用0.25節(jié)距的GRIN透鏡用于聚焦從主光纖出射的成像光束.非對(duì)稱光纖懸臂及GRIN透鏡封裝在外徑為3.5 mm的金屬管內(nèi), 探頭總剛性長(zhǎng)度為35 mm.圖4(b)是全封裝探頭的實(shí)物照片.探頭的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由頻率分別為122和169 Hz的兩個(gè)正弦信號(hào)組成.

圖4 (a)全封裝的Lissajous掃描光纖探頭結(jié)構(gòu)示意圖;(b)全封裝探頭的實(shí)物照片F(xiàn)ig.4.(a) Schematic of the fully packaged Lissajous scanning fiber probe; (b) photograph of the fully packaged probe.

為了對(duì)Lissajous掃描軌跡進(jìn)行預(yù)標(biāo)定, 搭建了基于位置敏感探測(cè)器(position sensitive detector,PSD)的Lissajous掃描軌跡預(yù)標(biāo)定系統(tǒng), 使用He-Ne激光器將出射的激光耦合進(jìn)光纖探頭, 通過探頭前端的GRIN透鏡聚焦到PSD上.由PSD輸出的Lissajous掃描軌跡位置信息被數(shù)據(jù)采集卡采集.通過計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的位置信息數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)標(biāo)定.基于預(yù)標(biāo)定后的位置信息可以將采集到的OCT軸向信息對(duì)應(yīng)到正確的橫向掃描位置處, 實(shí)現(xiàn)Lissajous掃描的圖像重建.

內(nèi)窺SS-OCT系統(tǒng)示意圖如圖5所示.掃頻光源(Axsun technology)的中心波長(zhǎng)為1310 nm,掃描速率為50 kHz, 掃描譜寬為135 nm.系統(tǒng)實(shí)測(cè)的軸向分辨率為10.3 μm, 成像幀速率為1幀/s,最大信噪比為110 dB.由光源發(fā)出的掃頻激光經(jīng)分光比90/10的光纖耦合器1分為兩路, 分別進(jìn)入樣品臂和參考臂.進(jìn)入樣品臂的光經(jīng)內(nèi)窺探頭照射樣品, 進(jìn)入?yún)⒖急鄣墓饨?jīng)準(zhǔn)直鏡照射到平面鏡上.從樣品臂和參考臂返回的干涉光在被平衡探測(cè)器探測(cè)后, 由數(shù)據(jù)采集卡采集并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理.

圖5 內(nèi)窺SS-OCT系統(tǒng)示意圖Fig.5.Schematic of the endoscopic SS-OCT system.

4 結(jié) 果

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量, 全封裝Lissajous掃描光纖探頭的工作距離為5 mm, 焦點(diǎn)直徑為25 μm.圖6(a)展示了實(shí)測(cè)的振幅頻率響應(yīng)曲線, 正交諧振頻率分別為122和169 Hz, 與模擬值一致.驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓為1 V時(shí), 預(yù)標(biāo)定的Lissajous掃描軌跡重建結(jié)果如圖6(b)所示.經(jīng)GRIN透鏡聚焦后的光學(xué)掃描范圍為1.76 mm × 1.67 mm, 探頭的光學(xué)放大率為2.7倍, 主光纖末端的掃描范圍為651 μm ×618 μm.

圖6 (a) Lissajous掃描光纖探頭的振幅-頻率響應(yīng)曲線;(b)預(yù)標(biāo)定的Lissajous掃描軌跡重建結(jié)果Fig.6.(a) Amplitude-frequency response curves of the Lissajous scanning fiber probe; (b) the reconstructed Lissajous scanning trajectory by pre-calibration.

為了研究Lissajous掃描光纖探頭掃描的穩(wěn)定性與可重復(fù)性, 通過預(yù)標(biāo)定系統(tǒng)多次獨(dú)立采集掃描軌跡的位置信息數(shù)據(jù).圖7(a)—(f)展示了獨(dú)立采集的6次掃描軌跡的前1500個(gè)位置信息數(shù)據(jù)的重建結(jié)果, 其中紅色*號(hào)代表了掃描軌跡的起始位置.由圖7可見, 多次獨(dú)立采集的掃描軌跡起始位置相同, 掃描路徑一致.計(jì)算了多次獨(dú)立采集的位置信息數(shù)據(jù)與預(yù)標(biāo)定位置信息數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)間的差值,其差值最大值為13 μm, 方差約為0.016.驗(yàn)證了探頭掃描具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性.

圖7 (a)—(f) 6次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的前1500個(gè)點(diǎn)的掃描軌跡重建結(jié)果Fig.7.(a)—(f) Reconstructed scanning trajectory of the first 1500 points from the 6 independent experiments.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Lissajous掃描光纖探頭成像的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性, 將探頭接入實(shí)驗(yàn)室搭建的SSOCT系統(tǒng).以探頭中軸線為旋轉(zhuǎn)軸分別旋轉(zhuǎn)0°,90°, 180°和270°, 對(duì)1元硬幣上的字母A進(jìn)行OCT成像.圖像重建采用預(yù)標(biāo)定的掃描軌跡位置信息.圖8(a)是用相機(jī)拍攝的1元硬幣及字母A的照片, 圖8(b), (c), (d), (e)分別為探頭在旋轉(zhuǎn)0°, 90°,180°, 270°狀態(tài)下采集重建的OCT表面成像結(jié)果.在探頭繞自身中軸線旋轉(zhuǎn)不同角度下采集到的字母A的OCT數(shù)據(jù)均能正確重建, 驗(yàn)證了探頭成像具有良好的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性.

圖8 (a) 1元硬幣及字母A的照片; (b)—(e)探頭旋轉(zhuǎn)0°, 90°, 180°和270°對(duì)字母A的OCT表面成像結(jié)果Fig.8.(a) Photograph of the 1 Yuan coin and the letter A; (b)—(e) the en-face OCT images of the letter A with the probe rotating to the angle of 0°, 90°, 180° and 270°.

為了驗(yàn)證所研制探頭的成像性能, 應(yīng)用基于Lissajous掃描光纖探頭的內(nèi)窺SS-OCT系統(tǒng)對(duì)生物組織進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和圖像重建.首先實(shí)驗(yàn)中選取橘子果粒作為樣品, 使用預(yù)標(biāo)定的Lissajous掃描軌跡位置信息進(jìn)行圖像重建.圖9展示了重建的橘子果粒組織的OCT成像結(jié)果, 其中圖9(a)為橘子果粒的實(shí)物照片, 紅色方框?yàn)閽呙韫饫w探頭的成像范圍.圖9(b)為橘子果粒組織的二維OCT橫截面圖像, 可以清晰分辨出橘子果粒組織內(nèi)部的網(wǎng)格狀細(xì)胞結(jié)構(gòu), 驗(yàn)證了研制的Lissajous掃描光纖探頭具有良好的成像性能.

圖9 (a)橘子果粒的實(shí)物照片; (b)橘子果粒組織的二維OCT橫向截面圖像Fig.9.(a) Photograph of the orange grain; (b) two-dimensional OCT cross-sectional image of orange grain tissue.

應(yīng)用基于Lissajous掃描光纖探頭的內(nèi)窺SSOCT系統(tǒng)對(duì)帶有牙結(jié)石的成人磨牙進(jìn)行了內(nèi)窺成像.磨牙牙體由牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)組成, 牙釉質(zhì)是人體最堅(jiān)硬、鈣化程度最高的組織, 牙本質(zhì)的鈣化程度比牙釉質(zhì)稍低, 其散射系數(shù)大于牙釉質(zhì).牙結(jié)石由人日常飲食堆積在牙齒附近的食物殘?jiān)V化形成, 其主要組成為磷酸鈣.圖10(a)和圖10(b)分別為重建的磨牙健康牙體區(qū)域的二維OCT橫截面圖像和三維OCT圖像, 可以清晰分辨出牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)等健康牙體內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu).圖10(c)和圖10(d)分別為重建的牙結(jié)石區(qū)域的二維OCT橫截面圖像和三維OCT圖像, 可以看出牙結(jié)石內(nèi)部不存在類似健康牙齒的分層結(jié)構(gòu).研制的Lissajous掃描光纖探頭可用于區(qū)分健康牙體和牙結(jié)石結(jié)構(gòu).

圖10 (a)磨牙的二維OCT橫截面圖像; (b)磨牙的三維OCT圖像; (c)牙結(jié)石的二維OCT橫截面圖像; (d)牙結(jié)石的三維OCT圖像Fig.10.(a) Two-dimensional OCT cross sectional image of the health molar tooth tissue; (b) three-dimensional OCT image of the health molar tooth tissue; (c) two-dimensional OCT cross sectional image of the dental calculus; (d) threedimensional OCT image of the dental calculus.

5 結(jié) 論

提出了一種用于內(nèi)窺OCT的小型化預(yù)標(biāo)定Lissajous掃描光纖探頭, 剛性長(zhǎng)度為35 mm, 外徑為3.5 mm, 工作距離為5 mm, 視場(chǎng)大小約為1.5 mm × 1.5 mm.非對(duì)稱懸臂結(jié)構(gòu)可以有效地減少正交方向的機(jī)械耦合, PZT雙晶片和光纖懸臂的組合具有偏轉(zhuǎn)響應(yīng)大和驅(qū)動(dòng)電壓低的優(yōu)點(diǎn).預(yù)標(biāo)定系統(tǒng)可以自由設(shè)計(jì)探頭的諧振頻率, 匹配不同掃描速度的SS-OCT系統(tǒng)和不同的視場(chǎng)大小.利用預(yù)標(biāo)定系統(tǒng)多次獨(dú)立采集了掃描軌跡的位置信息數(shù)據(jù), 驗(yàn)證了探頭掃描軌跡的穩(wěn)定性和可重復(fù)性.研究了探頭的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性, 驗(yàn)證了探頭的角度狀態(tài)改變不會(huì)使掃描軌跡相對(duì)于預(yù)標(biāo)定曲線產(chǎn)生明顯偏離.結(jié)合實(shí)驗(yàn)室搭建的50 kHz SS-OCT系統(tǒng)對(duì)牙齒進(jìn)行了內(nèi)窺OCT成像實(shí)驗(yàn), 正確重建了牙齒和牙結(jié)石的OCT圖像.驗(yàn)證了在探頭位置狀態(tài)不確定的內(nèi)窺成像環(huán)境下, 使用預(yù)標(biāo)定的位置信息數(shù)據(jù)可以正確重建樣品的OCT圖像.說(shuō)明在內(nèi)窺環(huán)境下探頭的掃描軌跡相對(duì)于預(yù)標(biāo)定曲線沒有出現(xiàn)明顯偏離.研制的Lissajous掃描光纖探頭有望用于牙結(jié)石檢測(cè)等牙科應(yīng)用領(lǐng)域.