Устройство эндоскопической оптической когерентной томографии с коррекцией волнового фронта

Предлагаемое техническое решение (полезная модель) относится к области оптических интерферометров, отличающихся использованием подвижных или деформируемых оптических элементов для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, и может быть использовано в медицине и ветеринарии для проведения высокоточной диагностики в полостях и трактах организма, а также в физике для исследований или анализа материалов с помощью оптических средств.
Одной из причин получения смазанных изображений в оптической когерентной томографии может служить наличие нерегулярных искажений в интерференционном сигнале, вызванных распространением излучения в неоднородной среде. Например, при получении структурных изображений сетчатки глаза зондирующее излучение должно дважды пройти через хрусталик и стекловидное тело, по сути являющиеся оптическими элементами и вносящие определенные искажения в интерференционный сигнал. Также в эндоскопических приложениях оптической когерентной томографии сменные эндоскопические зонды (опорное плечо) могут характеризоваться непостоянством оптических характеристик и к тому же вносить дополнительные искажения в месте своего соединения (коннектор эндоскопического зонда) с устройством оптической когерентной томографии. Весьма эффективным решением для коррекции нерегулярных искажений в интерференционном сигнале в оптической когерентной томографии является использование элементов адаптивной оптики, в частности датчиков волнового фронта и корректоров волнового фронта.
По патенту US 8696122 B2, МПК A61B 3/10, А61 В 3/12, опубл. 15.04.2014 г. известно многофункциональное адаптивное оптическое устройство для визуализации сетчатки представляющее собой совокупность оптических компонентов, способных работать как в режиме сканирующей лазерной офтальмоскопии, так и в режиме оптической когерентной томографии, причем совокупность оптических компонентов включает в себя: функционально связанные первый источник излучения, приспособленный для обеспечения излучения необходимо для формирования изображения в режиме сканирующей лазерной офтальмоскопии, первый блок детектирования, выполненный с возможностью приема сигнала, связанного с изображением сетчатки глаза в режиме сканирующей лазерной офтальмоскопии; функционально связанные второй источник излучения, приспособленный для обеспечения излучения необходимо для формирования изображения в режиме оптической когерентной томографии, второй блок детектирования, выполненный с возможностью приема сигнала, связанного с изображением сетчатки глаза в режиме оптической когерентной томографии; первый сканирующий блок, сконфигурированный для перемещения пучков излучения от первого источника излучения вдоль сетчатки по оси медленного сканирующего движения, таким образом, что обеспечить получение данных для структурного изображения в режиме сканирующей лазерной офтальмоскопии и для перемещения пучков излучения от второго источника излучения вдоль сетчатки по оси быстрого сканирующего движения, таким образом, чтобы обеспечить получение данных для структурного изображения в режиме оптической когерентной томографии; второй сканирующий блок выполненный с возможностью перемещения пучка излучения от первого источника излучения вдоль сетчатки по оси быстрого сканирования, таким образом, что обеспечить получение данных для структурного изображения в режиме сканирующей лазерной офтальмоскопии; третий сканирующий блок, выполненный с возможностью перемещения пучка излучения от второго источника излучения вдоль сетчатки по оси медленного сканирования, таким образом, что обеспечить получение данных для структурного изображения в режиме оптической когерентной томографии. Известны варианты многофункционального адаптивного оптического устройства для визуализации сетчатки в которых: первый сканирующий блок, второй сканирующий блок и третий сканирующий блок представляют собой систему оптических компонентов, расположенную на коньюгатах зрачка; первый сканирующий блок установлен на третьем сканирующем блоке, который в свою очередь расположен в конъюгате зрачка; пучок излучения второго источника излучения вводится через зрачок чтобы обеспечить получение данных для структурного изображения в режиме оптической когерентной томографии посредством светоделителя, расположенного между глазом и блоком компонентов, отвечающих за получение структурного изображения в режиме сканирующей лазерной офтальмоскопии; первый компенсатор волнового фронта и второй компенсатор волнового фронта расположены между светоделителем и глазом; совокупность оптических компонентов выполнена с возможностью одновременного отображения изображений сетчатки в одинаковых координатах, как в режиме сканирующей лазерной офтальмоскопии, так и в режиме оптической когерентной томографии; третий сканирующий блок выполнен таким образом, чтобы иметь возможность сканировать пучком излучения от первого источника излучения для формирования мозаичного изображения глаза.
Многофункциональное адаптивное оптическое устройство для визуализации сетчатки предназначено для получение структурных изображений сетчатки глаза в режимах сканирующей лазерной офтальмоскопии и оптической когерентной томографии. Техническим результатом использования устройства является повышение информативности медицинской диагностики за счет комплексирования двух методов визуализации.
Недостатком многофункционального адаптивного оптического устройства для визуализации сетчатки является низкое качество получаемых изображений, вызванное тем, что для получения одного структурного изображения в режиме сканирующей лазерной офтальмоскопии или в режиме оптической когерентной томографии необходимы данные собранные с использованием как минимум двух расположенных в разных точках пространства сканирующих блоков.
По патенту US 20140160484 А1, МПК G01B 9/02, опубл. 12.08.2015 г. известна система для оптической когерентной томографии с коррекцией изображений содержащая: детектор, источник излучения, волоконно-оптическую основу, оптически связывающую источник излучения с детектором и имеющую опорное плечо и плечо образца, плечо детектирования, предназначенное для предварительной обработки интерференционного сигнала и перенаправления его на детектор, блок обработки данных, выполненный таким образом, чтобы находиться связанным с плечом детектирования и детектором, а также принимать А-сканы и создавать структурное изображение (В-скан) из множества А-сканов, причем блок обработки данных сконфигурирован на исправление искажений в формируемых структурных изображениях, вызванных осевым движением детектора или исследуемого биологического объекта, посредством вычисления осевого смещения на основе доплеровского сдвига и последующего сдвига А-сканов для корректировки указанного осевого смещения. Известны варианты системы для оптической когерентной томографии с коррекцией изображений в которых: для вычисления осевого смещения вычисляется фазовый сдвиг первого А-скана текущего изображения относительно первого А-скана предыдущего изображения того же участка исследуемого биологического объекта; при вычислении фазового сдвига дополнительно производятся усреднения сдвигов каждого из пикселей с использованием следующей формулы:
где  - интенсивность пикселей первого А-скана текущего изображения в осевой позиции z,  - интенсивность пикселей первого А-скана предыдущего изображения в осевой позиции z;
дополнительно вычисляется скорость  осевого движения детектора на основе фазового сдвига Δϕ с использованием следующей формулы:
0
где λ - центральная длина волны источника излучения, а Δt - временной интервал между моментом получения первого А-скана текущего и предыдущего изображений;
осевое смещение детектора оценивается с использованием данных скорости  его осевого движения, вычисленных с использованием фазовых сдвигов для множества А-сканов по следующей формуле:
Система для оптической когерентной томографии с коррекцией изображений предназначена для получения структурных изображений объектов подверженных тремору. Техническим результатом использования устройства является повышение качества получаемых изображений, за счет компенсации движений исследуемого биологического объекта.
Недостатком системы для оптической когерентной томографии с коррекцией изображений является низкое качество получаемых изображений, вызванное отсутствие блоков или элементов отвечающих за коррекцию искажений волнового фронта в плече образца.
По патенту US 9247874 В2, МПК A1B 3/12 и A1B 3/10, опубл. 02.02.2016 г. известна система для коррекции аберраций на основе метода вычисления субапертур при получении интерферометрических изображений содержащая: широкополосный источник излучения, выполненный с возможностью генерировать пучки излучения, светоделитель для разделения пучка излучения от источника излучения на пучки излучения опорного плеча и плеча образца, при этом плечо образца содержит оптические элементы, которые фокусируют излучение на исследуемый биологический объект и производят сканирующие движения этого пучка, а опорное плечо содержит оптические элементы для сканирования по глубине, плечо детектирования, содержащее оптические элементы для обеспечения интерференции пучков излучения опорного плеча и плеча образца, детектор для регистрации интерференционного сигнала, блок обработки для формирования изображений со скорректированной аберрацией, причем процессор преобразует сигналы детектора в плоскость для которой должна быть вычислена аберрация, разделяет полученные сигналы на отдельные блоки, формирует несколько изображений, каждое на основе данных по меньшей мере двух отдельных блоков, определяет корреляцию между этим изображениями и учитывая уровень корреляции корректирует аберрацию, получая тем самым результирующее изображение исследуемого объекта.
Система для коррекции аберраций на основе метода вычисления субапертур при получении интерферометрических изображений предназначена для получения структурных изображений методами когерентной интерферометрической визуализации. Техническим результатом использования системы является программная коррекция аберраций расфокусировки.
Недостатком системы для оптической когерентной томографии с коррекцией изображений является низкое качество получаемых изображений, вызванное отсутствие блоков или элементов отвечающих за коррекцию искажений волнового фронта в плече образца.
Ближайшим аналогом (прототипом) разработанной полезной модели является устройство для визуализации сетчатки глаза с высоким пространственным разрешением посредством использования оптической когерентной томографии в частотной области с адаптивными оптическими элементами (патент US 20070258095 А1, МПК G01B 9/02 и G01B 11/02, опубл. 07.09.2010 г.) представляющее собой волоконно-оптическую версию интерферометра Майкельсона и содержащее: плечо источника излучения, опорное плечо, плечо образца и плечо детектирования, причем плечо образца содержит корректор волнового фронта и датчик волнового фронта, а плечо детектирования содержит блок сравнения и анализа излучения из опорного плеча и плеча образца, а также блок интерференции с излучением из плеча источника излучения. Известны варианты устройства для визуализации сетчатки глаза с высоким пространственным разрешением посредством использования оптической когерентной томографии в частотной области с адаптивными оптическими элементами в которых: корректор волнового фронта содержит элементы адаптивной оптики; одним из элементов адаптивной оптики является деформируемое зеркало; дополнительно содержится второй корректор волнового фронта; один из корректоров волнового фронта содержит деформируемое биморфное зеркало; одним из элементов адаптивной оптики является микроэлектромеханическая система; дополнительно содержатся два блока управления, причем первый из них сконфигурирован для управления корректором волнового фронта, а второй из них сконфигурирован для управления блоком сравнения и анализа излучения из опорного плеча и плеча образца; блок сравнения и анализа излучения из опорного плеча и плеча образца содержит в себе спектрометр; датчик волнового фронта представляет собой датчика Шака-Гартмана; плечо детектирования содержит дифракционную решетку или голографическую дифракционную решетку; спектрометр представляет собой прибор с зарядовой связью.
Устройство для визуализации сетчатки глаза с высоким пространственным разрешением посредством использования оптической когерентной томографии в частотной области с адаптивными оптическими элементами предназначено для получения структурных изображений в офтальмологии. Техническим результатов работы устройства является повышение осевого разрешения и скорости сканирования.
Недостатком устройства для визуализации сетчатки глаза с высоким пространственным разрешением посредством использования оптической когерентной томографии в частотной области с адаптивными оптическими элементами является низкое качество получаемых изображений, вызванное расположением элементов адаптивной оптики в плече образца, что позволяет скорректировать искажения волнового фронта вызванные оптической системой глаза, но не позволяет скорректировать искажения волнового фронта вызванные эндоскопическим зондом (вытянутое плечо образца) оптического когерентного томографа.
Технической задачей полезной модели является повышение качества получаемых изображений, за счет использование элементов адаптивной оптики, в частности корректора волнового фронта в плече образца и детектора волнового фронта в плече детектирования, а также использования нейтрального фильтра в опорном плече.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве эндоскопической оптической когерентной томографии с коррекцией волнового фронта, как и в устройстве, которое является ближайшим аналогом, содержатся плечо источника излучения, опорное плечо, плечо образца и плечо детектирования, причем плечо образца содержит корректор волнового фронта, а плечо детектирования содержит блок сравнения и анализа излучения из опорного плеча и плеча образца, а также блок управления, который сконфигурирован для управления корректором волнового фронта с использованием данных от датчика волнового фронта, и блоком сравнения и анализа излучения из опорного плеча и плеча образца, причем блок сравнения и анализа излучения из опорного плеча и плеча образца представляет собой спектрометр.
Новым в разработанном устройстве эндоскопической оптической когерентной томографии с коррекцией волнового фронта является то, что плечо источника излучения содержит оптически связанные источник низкокогерентного излучения и оптический разветвитель, причем  оптический разветвитель сконструирован таким образом, чтобы делить излучение источника излучения на излучение опорного плеча и плеча образца в неравной пропорции, плечо образца представляет собой совокупность последовательно оптически связанных эндоскопического зонда, фокусирующей линзы и корректора волнового фронта, причем эндоскопический зонд в свою очередь содержит последовательно оптически связанные коллиматор, фокусирующую линзу эндоскопического зонда, сканирующее зеркало и волоконный жгут, фокусирующая линза эндоскопического зонда жестко сочленена с волоконным жгутом, таким образом, чтобы дистальный конец волоконного жгута всегда находился на фокусном расстоянии от нее, коллиматор и фокусирующая линза расположены таким образом, чтобы излучение коллиматора всегда преломлялось краем фокусирующей линзы эндоскопического зонда и направлялось тем самым на сканирующее зеркало, которое в свою очередь сочленено с приводом сканирующего зеркала, таким образом, чтобы перенаправлять сфокусированное излучение на исследуемый биологический объект или его отдельную часть через прозрачную часть эндоскопического зонда и перенаправлять обратно отраженное и рассеянное назад излучение от исследуемого биологического объекта или его отдельной части через центр фокусирующей линзы на волоконный жгут, привод сканирующего зеркала связан с блоком управления, причем они сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечивать как непрерывное двухмерное или трехмерное сканирование, так и отправку одиночного пучка излучения в исследуемый биологический объект или его отдельную часть, опорное плечо состоит из оптически связанных фокусирующей линзы опорного плеча и нейтрального фильтра, плечо детектирование содержит оптически связанные оптический смеситель излучения из опорного плеча и плеча образца, разделительную пластину, датчик волнового фронта и спектрометр, причем разделительная пластина перенаправляет часть интерференционного сигнала на датчик волнового фронта, а часть на спектрометр, которые в свою очередь связаны с блоком управления.
В функционировании устройства в соответствии с формулой полезной модели можно выделить два режима:
I) Отправление одиночного пучка излучения в исследуемый биологический объект, с целью получение интерференционной картины приближенно соответствующей подлежащим корректировке аберрациям оптической системы;
II) Непрерывное двухмерное или трехмерное сканирование исследуемого биологического объекта с коррекцией волнового фронта с целью получения структурных изображений исследуемого объекта с минимальными искажениями.
При первом режиме работы детектор волнового фронта фиксирует искажения в распространении волны, а зеркало корректора волнового фронта находится в недеформированном состоянии, т.е. фактически ведет себя как обычное зеркало.
При втором режиме работы зеркало корректора волнового фронта деформировано, таким образом, чтобы его рельеф мог корректировать аберрации оптической системы, а детектор волнового фронта оценивает успешность этого действия.
На фиг. 1 представлена схема устройства эндоскопической оптической когерентной томографии с коррекцией волнового фронта в соответствии с формулой полезной модели. На фиг. 2 представлена схема эндоскопического зонда для этого устройства. Перечень элементов на этих фигурах: 1 - источник излучения, 2 - одномодовое оптическое волокно источника излучения, 3 - оптический разветвитель источника излучения, 4 - одномодовое оптическое волокно опорного плеча, 5 - одномодовое оптическое волокно плеча образца, 6 - эндоскопический зонд, 6А - коллиматор эндоскопического зонда, 6Б - фокусирующая линза эндоскопического зонда, 6В - сканирующее зеркало, 6Г - привод для сканирующего зеркала, 7 - исследуемый биологический объект или его отдельная часть (не является частью полезной модели), 8 - волоконный жгут, 9 - фокусирующая линза корректора волнового фронта, 10 - корректор волнового фронта, 11 - фокусирующая линза плеча образца, 12 - нейтральный фильтр, 13 - оптический смеситель, 14 - разделительная пластина, 15 - детектор волнового фронта, 16 - спектрометр, 17 - блок управления.
Для удобства понимания принципа работы полезной модели, рассмотрим схемы по фиг. 1 и фиг. 2 совместно.
Работа устройства всегда начинается с первого режима. Излучение источника излучения с помощью одномодового оптического волокна источника излучения направляется в оптический разветвитель источника излучения, где делится на два пучка, причем в неравной пропорции. Большая часть излучения (например, 90% излучения источника излучения) посредством другого одномодового волокна направляется в плечо образца, а оставшаяся излучение (в конкретном примере, 10% излучения источника излучения) поступает в опорное плечо.
В плече образца, т.е. в эндоскопическом зонде излучение из приемного-выводного волокна поступает в коллиматор, где преобразуется в параллельные лучи. Блок управления посылает электрический сигнал приводу сканирующего зеркала, в соответствии с которым это зеркало переходит из режима сканирования в режим отправки одиночного, т.е. тестового пучка излучения. Параллельные лучи коллиматора фокусируются на сканирующем зеркале, откуда одиночный пучок излучения сквозь прозрачный участок эндоскопического зонда поступает на исследуемый биологический объект или его часть. Рассеянное назад и обратно отраженное от исследуемого биологического объекта излучение сквозь внешнюю границу прозрачной оболочки обратно поступает на сканирующее зеркало, а затем на фокусирующую линзу. Посредством этой линзы излучение направляется на волоконный жгут, на котором при этом формируется угловое распределение рассеянного пучка. С помощью волоконного жгута рассеянное назад и обратно отраженное от исследуемого биологического объекта или его части излучение направляется на фокусирующую линзу плеча образца.
Вторая часть излучения (10% излучения источника излучения) с оптического разветвителя источника излучения посредством одномодового оптического волокна опорного плеча поступает на фокусирующую линзу опорного плеча, с помощью которой это излучение направляется на нейтральный фильтр (23). Этот фильтр уменьшает световой поток в опорном плече до уровня, необходимого для последующей интерференции пучков излучения из опорного плеча и плеча образца на оптическом смесителе. Излучение из оптического смесителя попадает на разделительную пластину, которая перенаправляет часть интерференционного сигнала на датчик волнового фронта, а часть на спектрометр. Датчик волнового фронта фиксирует искажения в распространении волны и отправляет их картограмму в виде электрических сигналов блок управления, спектрометр фиксирует интерференционный сигнал от точечного источника и также отправляет его в блок управления.
Оцифрованные сигналы анализируются и формируется геометрическая модель рельефа поверхности зеркала корректора волнового фронта, соответствующая имеющимся аберрациям. Корректор волнового фронта получает электрические сигналы от блока управления, и оптическая поверхность его зеркала искажается (например, посредством приложения различных напряжений к электродам пьезоэлектрической пластины, находящейся под биморфным зеркалом корректора волнового фронта).
Устройство переходит во второй режим работы. Пути оптических и электрических сигналов в этом режиме в целом совпадают с теми, что были описаны выше, с той лишь разницей, что привод сканирующего зеркала эндоскопического зонда обеспечивает последовательное сканирование по двум или трем координатным осям, а детектор волнового фронта регистрирует подвергшийся коррекции волновой фронт и в случае появления дополнительных искажений (вызванных например, сменой объекта исследования или эндоскопического зонда) посылает в блок управления электрические сигналы о необходимости внесения дополнительных изменений в форму зеркала корректора волнового фронта.
В конкретной реализации разработанного устройства эндоскопической оптической когерентной томографии с коррекцией волнового фронта в качестве одномодовых оптических волокон использованы одномодовые световоды P3-980A-FC-2. В качестве составных частей волоконного жгута использованы многомодовые оптические кабели BF13LSMA. В качестве фокусирующих линз использованы двояковыпуклые линзы LB1157-C и LB1757, в качестве коллиматора - волоконный коллиматор F240FC-C, в качестве оптического разветвителя - широкополосный оптический делитель в пропорции 90:10% TW1300R2A1, а в качестве разделительной пластины -широкополосный оптический делитель в пропорции 50:50% TW1300R5F1, в качестве нейтрального фильтра - неселективный фильтр с антибликовым покрытием NENIR10A-C. В качестве детектора волнового фронта использован датчик волнового фронта Шака-Гартмана WFS20-5C(/M), а вместо корректора волнового фронта использовано пьезоэлектрически деформируемое зеркало DMP40(/M)-F01. Вместо оптического смесителя применен сверхбыстрый светоделитель/светосумматор с заданной дисперсией групповой задержки UFBS5050. Все вышеуказанные комплектующие производства фирмы «Thorlabs» (США). В качестве источника излучения использован суперлюминесцентный диод SLD-56-HP фирмы «Superlum» (Россия), в качестве спектрометра использован модуль РРО-ОСТ (Р&Р Optica, Канада). В качестве блока вычислений и формирования томографического изображения применен ноутбук Toshiba Satellite С670-14K с процессором Intel Core i3-2310M и оперативной памятью SO-DIMM DDR3 объемом 3 Гб.
В конкретной реализации повышение качества получаемых изображений, охарактеризованное величиной отношения сигнал/шум составило около 19% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о выполнении поставленной технической задачи.
Предлагаемое устройство эндоскопической оптической когерентной томографии с коррекцией волнового фронта может использоваться в медицине и ветеринарии для проведения диагностических исследований, контроля над процессом лечения, планирования объема резекции, подбора участка для прицельной биопсии, послеоперационного мониторинга, а также в физике для проведения трехмерных измерений, неразрушающего контроля над качествов тонкопленочных покрытий, химических волокон, бумаги, микроэлектромеханических систем, некоторых оптических компонентов, миниатюрных литых изделий из пластика, жидкокристаллических дисплеев, поверхностного монтажа, корпусирования интегральных схем и т.п.