【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及光學(xué)內(nèi)窺探頭設(shè)計(jì)，尤其涉及一種內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
1、光纖光學(xué)將光學(xué)相干斷層掃描（oct）的高分辨率層析成像能力擴(kuò)展到人體內(nèi)，即內(nèi)窺鏡oct，已在冠狀動(dòng)脈和顱內(nèi)的臨床診斷和治療中得到應(yīng)用，對(duì)評(píng)估血管內(nèi)壁的斑塊形態(tài)、評(píng)估支架植入效果以及檢測(cè)顱內(nèi)動(dòng)脈狹窄起著重要作用。另一方面，自然腔道（消化、呼吸和生殖道等）中的oct可以作為現(xiàn)場(chǎng)和即時(shí)的“光學(xué)活檢”，并逐漸應(yīng)用于臨床實(shí)踐。近年來，內(nèi)窺鏡oct也開始用于監(jiān)測(cè)心臟和食道的射頻消融以及結(jié)直腸癌的切除等治療過程，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診斷和治療的整合。
2、oct的軸向分辨率取決于光源的相干長(zhǎng)度，使用寬帶激光源可以在幾毫米的成像深度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低于10um的軸向分辨率，相比之下，其橫向分辨率則由樣品臂探頭發(fā)出的聚焦光束輪廓決定，使用高數(shù)值孔徑的透鏡對(duì)高斯光束進(jìn)行聚焦盡管可以獲得高橫向分辨率的oct圖像，但不可避免地減少了焦深（dof），而高橫向分辨率的圖像僅維持在焦深范圍內(nèi)，在失焦區(qū)域，圖像的橫向分辨率和信噪比都會(huì)顯著下降，降低對(duì)樣品結(jié)構(gòu)定量分析的準(zhǔn)確性。
3、為了克服oct有限焦深的限制，實(shí)現(xiàn)高分辨率和焦深長(zhǎng)度之間平衡，各種焦深擴(kuò)展的方法被不斷提出，主要的現(xiàn)有技術(shù)如下：
4、一、《miniature?all-fiber?axicon?probe?with?extended?bessel?focus?foroptical?coherence?tomography》（optics?express,?2019,?27(2):?358-
5、二、利用多模干涉原理，多模干涉探頭包含一段過渡光纖和一段大纖芯光纖（lcf）（兩者組合可以看作光瞳濾波器），過渡光纖用于提高光傳輸效率同時(shí)控制大纖芯光纖中的激發(fā)模式，調(diào)整lcf的長(zhǎng)度可以改變激發(fā)模式之間的相位差，從而在lcf出射端獲得可控的光場(chǎng)分布。利用此原理，《uniform?focusing?with?an?extended?depth?range?andincreased?working?distance?for?optical?coherence?tomography?by?an?ultrathinmonolith?fiber?probe》[optics?letters,?2020,?45(4):?976-979]（qiu等）提出，通過優(yōu)化gif1光纖（過渡光纖）和lcf的長(zhǎng)度，使光在lcf的傳播過程中發(fā)生線性偏振模式干涉，在lcf-ncf（無芯光纖）端面處形成多模干涉場(chǎng)，經(jīng)ncf傳播放大后再通過gif2光纖聚焦實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展。該方法缺點(diǎn)在于，工作距離非常短。
6、三、其他的方法，《flexible?method?for?generating?needle-shaped?beams?andits?application?in?optical?coherence?tomography》[optica,?2022,?9(8):?859-867]（zhao等）的焦深擴(kuò)展方法，需要物鏡和衍射光學(xué)元件結(jié)合起來使用才能實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展，這顯然無法應(yīng)用于內(nèi)窺oct，同時(shí)，通過該方法產(chǎn)生的光場(chǎng)分布，其聚焦效率較低，旁瓣較多導(dǎo)致成像偽影出現(xiàn)。合成孔徑技術(shù)同樣需要額外的光學(xué)元件配置，難以在內(nèi)窺oct中應(yīng)用，因?yàn)閮?nèi)窺oct探頭使用的單模光纖直徑為125微米，在如此狹小的地方進(jìn)行過多的元件布置是極其困難的。
7、因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是如何在實(shí)現(xiàn)高分辨率、小尺寸探針的同時(shí)，有效擴(kuò)展dof。
2、在計(jì)算全息領(lǐng)域中，通常通過計(jì)算重建的方式靈活構(gòu)建3d物體，將期望的針形光場(chǎng)（焦深擴(kuò)展后的高分辨光場(chǎng)分布成為針形光場(chǎng)分布）作為要重建的物體，將其分成若干個(gè)單層二維光場(chǎng)，每個(gè)單層二維光場(chǎng)預(yù)設(shè)具有期望高分辨率的振幅分布，以實(shí)現(xiàn)高分辨率。為了進(jìn)一步提高聚焦效率，使能量進(jìn)一步集中在主瓣區(qū)域，預(yù)設(shè)振幅分布的能量梯度與高斯保持一致；采用gerchberg-saxton?(gs)算法對(duì)于單層二維光場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以入射光振幅和隨機(jī)相位作為輸入，優(yōu)化出能夠在期望觀察平面產(chǎn)生預(yù)設(shè)聚焦光斑的相位。再將相位與期望的振幅結(jié)合，構(gòu)建出復(fù)振幅進(jìn)行逆向光場(chǎng)傳播并保留復(fù)振幅，以此類推，完成對(duì)每個(gè)面的相位優(yōu)化并保留復(fù)振幅，最后將復(fù)振幅進(jìn)行疊加取相位，獲得最終的相位分布；再將相位分布轉(zhuǎn)換為衍射光學(xué)元件的幾何分布，并利用雙光子打印技術(shù)，直接打印到光纖端面，完成最終內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭的制作。
3、本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，包括：
4、s100、三維針形光場(chǎng)分解，將三維針形光場(chǎng)被分解為個(gè)單層二維光場(chǎng)的組合形式，為正整數(shù)；
5、s200、單層二維光場(chǎng)復(fù)振幅構(gòu)建，根據(jù)每個(gè)單層二維光場(chǎng)的期望振幅，通過gerchberg-saxton?(gs)相位恢復(fù)算法計(jì)算相位構(gòu)建單層二維光場(chǎng)復(fù)振幅；
6、s300、單層二維光場(chǎng)復(fù)振幅獲取，對(duì)單層二維光場(chǎng)復(fù)振幅進(jìn)行逆向傳播，獲得衍射光學(xué)元件出射面的復(fù)振幅；
7、s400、各單層二維光場(chǎng)復(fù)振幅計(jì)算，逐層重復(fù)執(zhí)行步驟s200和步驟s400，直到完成n個(gè)單層二維光場(chǎng)的計(jì)算，將各單層二維光場(chǎng)對(duì)應(yīng)的衍射光學(xué)元件出射面的復(fù)振幅進(jìn)行計(jì)算并保存；
8、s500、相位分布計(jì)算，將步驟s400獲得的衍射光學(xué)元件出射面的復(fù)振幅累加并取相位，獲得最終的相位分布；
9、s600、幾何分布轉(zhuǎn)換，利用材料不同高度具有不同相位調(diào)制的累積效應(yīng)，將衍射光學(xué)元件的最終的相位分布轉(zhuǎn)換為衍射光學(xué)元件的幾何分布；
10、s700、內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭制作，利用雙光子3d打印技術(shù)，將衍射光學(xué)元件打印到光纖端面，完成內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭的制作。
11、可選地，在上述實(shí)施例中的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法中，單層二維光場(chǎng)的數(shù)量根據(jù)三維針形光場(chǎng)長(zhǎng)度進(jìn)行選擇。
12、優(yōu)選地，在上述實(shí)施例中的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法中，單層二維光場(chǎng)的數(shù)量為80。
13、可選地，在上述任一實(shí)施例中的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法中，單層二維光場(chǎng)復(fù)振幅包括期望振幅和相位，其中期望振幅為已知條件，即內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭產(chǎn)生的光場(chǎng)振幅。
14、可選地，在上述任一實(shí)施例中的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法中，gerchberg-saxton?(gs)相位恢本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括：
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述單層二維光場(chǎng)的數(shù)量根據(jù)三維針形光場(chǎng)長(zhǎng)度進(jìn)行選擇。
3.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述單層二維光場(chǎng)的數(shù)量為80。
4.如權(quán)利要求3所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述單層二維光場(chǎng)復(fù)振幅包括期望振幅和相位，所述期望振幅為已知條件，即內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭產(chǎn)生的光場(chǎng)振幅。
5.如權(quán)利要求4所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述Gerchberg-Saxton?(GS)相位恢復(fù)算法包括：
6.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)次數(shù)為200次。
7.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述最終的相位分布為：
8.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述最終的相位分布轉(zhuǎn)換為衍射光學(xué)元件的幾何分布使用如下公式：
9.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭制作使用飛秒激光雙光子3D打印機(jī)。
10.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述飛秒激光雙光子3D打印機(jī)使用的光刻膠材料的折射率為1.56。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括：
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述單層二維光場(chǎng)的數(shù)量根據(jù)三維針形光場(chǎng)長(zhǎng)度進(jìn)行選擇。
3.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述單層二維光場(chǎng)的數(shù)量為80。
4.如權(quán)利要求3所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述單層二維光場(chǎng)復(fù)振幅包括期望振幅和相位，所述期望振幅為已知條件，即內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭產(chǎn)生的光場(chǎng)振幅。
5.如權(quán)利要求4所述的內(nèi)窺光學(xué)相干層析成像探頭設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述gerchberg-saxton?(gs)相位恢復(fù)算法包括：<...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：谷成富，張浩然，楊建龍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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