一种内窥光学相干层析成像探头设计方法

本发明涉及光学内窥探头设计，尤其涉及一种内窥光学相干层析成像探头设计方法。

背景技术：

1、光纤光学将光学相干断层扫描（oct）的高分辨率层析成像能力扩展到人体内，即内窥镜oct，已在冠状动脉和颅内的临床诊断和治疗中得到应用，对评估血管内壁的斑块形态、评估支架植入效果以及检测颅内动脉狭窄起着重要作用。另一方面，自然腔道（消化、呼吸和生殖道等）中的oct可以作为现场和即时的“光学活检”，并逐渐应用于临床实践。近年来，内窥镜oct也开始用于监测心脏和食道的射频消融以及结直肠癌的切除等治疗过程，实现精准诊断和治疗的整合。

2、oct的轴向分辨率取决于光源的相干长度，使用宽带激光源可以在几毫米的成像深度范围内实现低于10um的轴向分辨率，相比之下，其横向分辨率则由样品臂探头发出的聚焦光束轮廓决定，使用高数值孔径的透镜对高斯光束进行聚焦尽管可以获得高横向分辨率的oct图像，但不可避免地减少了焦深（dof），而高横向分辨率的图像仅维持在焦深范围内，在失焦区域，图像的横向分辨率和信噪比都会显著下降，降低对样品结构定量分析的准确性。

3、为了克服oct有限焦深的限制，实现高分辨率和焦深长度之间平衡，各种焦深扩展的方法被不断提出，主要的现有技术如下：

4、一、《miniature all-fiber axicon probe with extended bessel focus foroptical coherence tomography》（optics express, 2019, 27(2): 358-366，wang, wei等）提出，在样品臂光纤探头上制作锥透镜用于产生贝塞尔光束，首先在单模光纤（smf）和无芯光纤（ncf）之间拼接一段梯度折射率（grin）光纤，然后对ncf进行机械抛光以在探头尖端产生锥透镜。该方法的缺点在于需要精准的控制grin光纤的长度以及ncf的抛光过程，除此之外贝塞尔光束的相干传递函数存在严重的空间频率分量损失，这导致oct图像中灵敏度下降和旁瓣伪影的出现。

5、二、利用多模干涉原理，多模干涉探头包含一段过渡光纤和一段大纤芯光纤（lcf）（两者组合可以看作光瞳滤波器），过渡光纤用于提高光传输效率同时控制大纤芯光纤中的激发模式，调整lcf的长度可以改变激发模式之间的相位差，从而在lcf出射端获得可控的光场分布。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，通过优化gif1光纤（过渡光纤）和lcf的长度，使光在lcf的传播过程中发生线性偏振模式干涉，在lcf-ncf（无芯光纤）端面处形成多模干涉场，经ncf传播放大后再通过gif2光纤聚焦实现焦深扩展。该方法缺点在于，工作距离非常短。

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）的焦深扩展方法，需要物镜和衍射光学元件结合起来使用才能实现焦深扩展，这显然无法应用于内窥oct，同时，通过该方法产生的光场分布，其聚焦效率较低，旁瓣较多导致成像伪影出现。合成孔径技术同样需要额外的光学元件配置，难以在内窥oct中应用，因为内窥oct探头使用的单模光纤直径为125微米，在如此狭小的地方进行过多的元件布置是极其困难的。

7、因此，本领域的技术人员致力于开发一种内窥光学相干层析成像探头设计方法。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在实现高分辨率、小尺寸探针的同时，有效扩展dof。

2、在计算全息领域中，通常通过计算重建的方式灵活构建3d物体，将期望的针形光场（焦深扩展后的高分辨光场分布成为针形光场分布）作为要重建的物体，将其分成若干个单层二维光场，每个单层二维光场预设具有期望高分辨率的振幅分布，以实现高分辨率。为了进一步提高聚焦效率，使能量进一步集中在主瓣区域，预设振幅分布的能量梯度与高斯保持一致；采用gerchberg-saxton (gs)算法对于单层二维光场进行优化，以入射光振幅和随机相位作为输入，优化出能够在期望观察平面产生预设聚焦光斑的相位。再将相位与期望的振幅结合，构建出复振幅进行逆向光场传播并保留复振幅，以此类推，完成对每个面的相位优化并保留复振幅，最后将复振幅进行叠加取相位，获得最终的相位分布；再将相位分布转换为衍射光学元件的几何分布，并利用双光子打印技术，直接打印到光纤端面，完成最终内窥光学相干层析成像探头的制作。

3、本发明的一个实施例中，提供了一种内窥光学相干层析成像探头设计方法，包括：

4、s100、三维针形光场分解，将三维针形光场被分解为个单层二维光场的组合形式，为正整数；

5、s200、单层二维光场复振幅构建，根据每个单层二维光场的期望振幅，通过gerchberg-saxton (gs)相位恢复算法计算相位构建单层二维光场复振幅；

6、s300、单层二维光场复振幅获取，对单层二维光场复振幅进行逆向传播，获得衍射光学元件出射面的复振幅；

7、s400、各单层二维光场复振幅计算，逐层重复执行步骤s200和步骤s400，直到完成n个单层二维光场的计算，将各单层二维光场对应的衍射光学元件出射面的复振幅进行计算并保存；

8、s500、相位分布计算，将步骤s400获得的衍射光学元件出射面的复振幅累加并取相位，获得最终的相位分布；

9、s600、几何分布转换，利用材料不同高度具有不同相位调制的累积效应，将衍射光学元件的最终的相位分布转换为衍射光学元件的几何分布；

10、s700、内窥光学相干层析成像探头制作，利用双光子3d打印技术，将衍射光学元件打印到光纤端面，完成内窥光学相干层析成像探头的制作。

11、可选地，在上述实施例中的内窥光学相干层析成像探头设计方法中，单层二维光场的数量根据三维针形光场长度进行选择。

12、优选地，在上述实施例中的内窥光学相干层析成像探头设计方法中，单层二维光场的数量为80。

13、可选地，在上述任一实施例中的内窥光学相干层析成像探头设计方法中，单层二维光场复振幅包括期望振幅和相位，其中期望振幅为已知条件，即内窥光学相干层析成像探头产生的光场振幅。

14、可选地，在上述任一实施例中的内窥光学相干层析成像探头设计方法中，gerchberg-saxton (gs)相位恢复算法包括：

15、s210、计算入射光振幅，入射光振幅为高斯分布，即单模光纤经扩束后的振幅分布为高斯分布，公式如下：

16、（1）

17、其中为入射光的幅度，是高斯光的半径，为空间坐标；

18、s220、构建复振幅，入射光振幅和随机相位作为相位恢复算法的起始相位，构建衍射光学元件出射面的复振幅，公式如下：

19、（2）

20、其中，为入射光振幅，为随机相位；

21、s230、计算单层二维光场的光场分布，假设衍射光学元件出射面与单层二维光场的距离为， j代表任意一层的索引，单层二维光场即将三维针形光场（由出射面出射的光场在空间中干涉形成）分成的n层，因此出射面到每层的距离不同，单层二维光场的光场分布计算公式如下：

22、（3）

23、其中，代表菲涅尔脉冲响应，是入射光的波长，是波数；

24、s240、通过快速傅里叶变换进行有效计算，根据傅里叶光学理论，步骤s230通过快速傅里叶变换进行有效计算，公式如下：

25、（4）

26、其中和分别代表正向傅里叶变换和逆向傅里叶变换，表示菲涅尔传递函数；

27、s250、构建光场分布，在单层二维光场产生期望的振幅，将振幅替换为，的相位保持不变，在单层二维光场构建新的光场分布，通过逆向光场传播，获得衍射光学元件出射面的光场分布：

28、（5）；

29、s260、构建复振幅，为满足衍射光学元件出射面的振幅分布与入射光振幅保持一致，将的振幅替换为入射光振幅，保持相位不变，构建衍射光学元件出射面复振幅；

30、s270、迭代计算，将所述衍射光学元件出射面复振幅作为s230公式（3）中的，开始下一轮迭代，执行s230-s270，直到迭代满足预设次数，最终获得相位。

31、优选地，在上述实施例中的内窥光学相干层析成像探头设计方法中，预设次数为200次。

32、进一步地，在上述实施例中的内窥光学相干层析成像探头设计方法中，最终的相位分布为：

33、（6）

34、其中，为各个单层二维光场对应的出射面复振幅， n为总单层二维光场数，表示取相位操作，为最终的相位分布。

35、进一步地，在上述实施例中的内窥光学相干层析成像探头设计方法中，最终的相位分布转换为衍射光学元件的几何分布使用如下公式：

36、（7）

37、其中，为材料折射率，为相位元件的几何高度，为入射光波长。

38、可选地，在上述任一实施例中的内窥光学相干层析成像探头设计方法中，内窥光学相干层析成像探头制作使用飞秒激光双光子3d打印机。

39、可选地，在上述实施例中的内窥光学相干层析成像探头设计方法中，飞秒激光双光子3d打印机使用的光刻胶材料的折射率为1.56。

40、本发明利用计算机生成全息技术（cgh）大幅扩展内窥镜光学相干断层扫描（oct）聚焦深度（dof），采用衍射光学技术和 cgh 的多维光场调制功能精确控制光强分布，无需物镜，并能利用双光子 3d 打印技术在单模光纤远端直接制造内窥光学相干层析成像探头，不仅提高了成像的均匀性和效率，还解决了探头尺寸、分辨率和 dof 之间的权衡问题。通过数值模拟、光束测量和成像结果验证本发明的效果。本发明在心血管和胃肠道评估等各种医疗应用中改善临床诊断和治疗监测的潜力。本发明与生物医学成像和光学领域息息相关，为提高内窥镜 oct 的临床实用性提供了解决方案。

41、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。