CN114322797A - 基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法和系统。在所述生物组织上方放置模切组件，模切组件中放置生物膜组织；利用光学相干成像系统OCT透过模切组件检测生物膜组织目标区域的厚度；基于所述生物膜组织目标区域的厚度，控制模切组件中的模具切割所述目标区域获取人工心脏生物瓣膜小叶。本发明可实现生物膜组织厚度微米精度、非接触测量，有助于切割厚度均匀的人工心脏生物瓣膜小叶，可快速实现。
Description
技术领域
本发明涉及处理生物膜组织的一种方法和系统，更具体地涉及评估和切割生物膜组织获取人工心脏生物瓣膜小叶的弱相干光学检测切割方法、系统和模具。
背景技术
正常天然心脏包括主动脉瓣、二尖瓣、三尖瓣和肺动脉瓣，其中每个瓣膜都具有单向小叶，用来控制通过心脏的血液的定向流动。当心脏瓣膜出现患病或者损坏时，为了心脏正常工作，可进行瓣膜置换手术，用人工心脏生物瓣膜代替人体自身的心脏瓣膜。
人工心脏生物瓣膜用生物组织材料制成，比如利用牛心包组织、猪心包组织制作人工心脏生物瓣膜的单个小叶。通常用于制备人工心脏生物瓣膜小叶的典型过程是获取新鲜的动物心包囊，切开心包囊使其变平坦并且清除多余的脂肪和杂质。修剪明显不能使用区域后使用药物交联组织，之后去除组织粗糙边缘。
随后将处理后的生物膜组织放置在平台上，测量生物膜组织的厚度。通常用接触指示器进行厚度测量，通过在平台周围移动生物膜组织测量不同空间位置的厚度，同时指示器需要在不同点处上下移动以接触生物膜组织。另有改进的具有用于多个传感器的厚度测量头/压板可用于测量多个点的厚度，选择合适厚度区域处理成小叶。但是，这样的接触式测量耗时长，易损坏生物膜组织，最终得到的小叶质量容易受影响。
目前对生物膜组织进行精确、高效地评估处理以获取人工心脏瓣膜小叶有迫切的需要。另外，该需要对于放置可压缩/可膨胀的人工心脏瓣膜更为重要，因为厚度不均匀/不匹配的小叶可能影响人工心脏瓣膜正常功能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法、系统和模具。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一、一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法：
在所述生物组织上方放置模切组件，模切组件中放置生物膜组织；
利用光学相干成像系统OCT透过模切组件检测生物膜组织目标区域的厚度；
基于所述生物膜组织目标区域的厚度，控制模切组件中的模具切割所述目标区域获取人工心脏生物瓣膜小叶。
所述生物膜组织，包括：心包膜、主动脉瓣膜、硬脑膜、腹膜、隔膜或肠粘膜下层，但不限于此。
所述的光学相干成像系统OCT为弱相干光学检测系统。
利用光学相干成像系统OCT透过模切组件检测生物膜组织的厚度；包括：
利用OCT采集生物膜组织的干涉光谱；
对生物膜组织的干涉光谱提取深度域信号；
基于深度域信号对生物膜组织进行微米精度的厚度测量。
所述的利用OCT采集生物膜组织的干涉光谱，包括：
通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法；
或者利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法；
或者利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法。
利用光学相干成像系统(OCT)从光透明板下方检测目标区域的生物膜组织厚度，包括：OCT检测范围根据所述目标区域面积设置，目标区域不同空间点的测量顺序由OCT扫描顺序决定。
利用光学相干成像系统OCT透过模切组件检测生物膜组织的厚度；包括：在检测时，光学相干成像系统OCT的检测范围中心、生物膜组织的目标区域中心和切割模具的模具图案中心保持在同一垂直直线。
基于所述生物膜组织的OCT厚度测量结果，用所述模具切割所述目标区域获取人工心脏生物瓣膜小叶，包括：
平铺放置生物膜组织于位移台的光透明板上；
通过垂直位移装置在生物膜组织上方提升切割模具；
水平移动位移台直至生物膜组织的目标区域位于所述切割模具正下方；
通过光学相干成像系统OCT从生物膜组织的目标区域正下方测量生物膜组织的目标区域厚度；
确定所述目标区域厚度是否适于获取人工心脏瓣膜小叶，具体根据厚度考虑是否合适；
通过垂直位移装置降低所述切割模具切割所述目标区域所在的生物膜组织以获取人工心脏生物瓣膜小叶。
本发明采用光学方式进行厚度检测并切割，实现了人工心脏生物瓣膜小叶以新方式的处理和获得，还能够克服接触式测量存在的弊端和问题。
所述的模切组件包括具有光透明板的位移台、垂直位移装置、透明玻璃台面和切割模具；透明玻璃台面上一侧设有垂直位移装置，切割模具设置在透明玻璃台面上，透明玻璃台面上放置具有光透明板的位移台，位移台上平铺放置生物膜组织。
具体是利用光学相干成像系统(OCT)从光透明板下方向上透过透明玻璃台面和具有光透明板的位移台检测生物膜组织的目标区域厚度。
所述的垂直位移装置包括安装杆、连接臂和高度显示器；安装杆底端固定在透明玻璃台面上，高度显示器经连接臂连接到安装杆中部；高度显示器延伸到生物膜组织上方，高度显示器底端固定安装切割模具，使得切割模具位于生物膜组织上方。通过垂直位移装置带动切割模具上下升降移动。
所述的切割模具带有模具图案，用于按照模具图案切割生物膜组织。
水平移动位移台直至生物膜组织的目标区域在所述切割模具正下方，包括：位移台的水平位移允许手动调节和自动化系统控制实现。
所述的位移台、垂直位移装置和切割模具均连接到信号处理器模块与计算单元45，由信号处理器模块与计算单元45控制位移台、垂直位移装置和切割模具的工作。且扫描透镜51位于透明玻璃台面的下方。
二、一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割系统，包括：
一套模切组件，用于切割生物膜组织获取人工心脏生物瓣膜小叶；
一套OCT光学相干探测装置，用于采集二维或者三维空间内的生物膜组织的干涉光谱；
一个或多个处理器，耦连至模切组件和OCT光学相干探测装置，分别用于连接模切组件并控制模切组件中的模具垂直位移切割、接收来自OCT光学相干探测装置的OCT干涉光谱并分析处理得到生物膜组织深度信息。
所述的一OCT光学相干探测装置是采用以下的一种：
包括低相干光源、干涉仪和探测器；
或者包括低相干光源、干涉仪和光谱仪；
或者包括扫频宽光谱光源、干涉仪和探测器。
本发明包括在生物膜组织上方放置模切组件，模切组件包括透明玻璃台面、有模具图案的切割模具，模具附接至透明玻璃台面上，具有光透明板的位移台放置于模切组件的透明玻璃台面上，在位移台中的光透明板表面平铺放置生物膜组织，利用光学相干成像系统OCT从光透明板下方进行生物膜组织成像测量组织的厚度。
本发明的模切组件可被安装用于自动化的垂直移动，和在光透明板其上放置组织的位移台可以水平移动。组织上的不同目标区域可通过OCT测量评估厚度，当检测到合适的目标区域厚度时，模具从该区域切割需要的人工心脏生物瓣膜小叶形状。OCT可实现生物膜组织厚度微米精度、非接触测量，有助于切割厚度均匀的人工心脏生物瓣膜小叶，并且可以快速实现该过程。
本发明相比现有技术具有以下有益效果和优势：
相比传感器接触式测量，本发明可实现无接触地同时获取多个空间位置点(微米间距)的厚度信息(微米精度)。同时本发明结合了光学检测系统和模切组件，能够实现快速评估切割生物膜组织以获取人工心脏生物瓣膜小叶。
附图说明
图1为本发明方法的示意图；
图2为本发明装置的示意图；
图3为本发明实施例的示意图；
图4为本发明示例性实施例的OCT结构图。
其中：1-利用OCT采集干涉光谱；2-对干涉光谱提取深度域信号；3-基于深度域信号提取组织厚度；4-选择合适厚度的目标区域进行模切；11-光源；12-分束器；13-参考臂准直镜；14-平面高反射镜；15-样品臂准直镜；16-扫描振镜；17-物镜；18-待测样品；19-干涉信号探测装置；20-信号处理器；21-偏振控制器；31-低相干宽带光源；32-光环形器；33-光纤耦合器；34-第一光纤准直器件；35-聚焦透镜；36-平面高反射镜；37-第二光纤准直器件；38-扫描振镜；39-聚焦透镜；41-第三光纤准直器件；42-光栅；43-傅里叶变换透镜；44-高速线阵相机；45-信号处理器模块与计算单元；46-第一偏振控制器；47-第二偏振控制器；48：色散补偿器；49：聚焦透镜；50：二向色镜；51：扫描透镜；100：模切组件；102：具有光透明板的位移台；104：垂直位移装置；106：生物膜组织；108：透明玻璃台面；114：安装杆；115：连接臂；118：高度显示器；120：切割模具。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，附图形成本文的一部分。需要注意的是，这些说明及示例仅仅为示例性的，不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
为了便于理解本发明的实施例，将各操作描述成多个离散的操作，但是，描述的顺序不代表实施操作的顺序。
本描述中针对样品测量空间采用基于空间方向的x-y-z三维坐标表示。这种描述仅仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用。其中：深度z方向为沿入射光轴的方向；x-y平面为垂直于光轴的平面，其中x与y正交，且x表示OCT横向快扫描方向，y表示慢扫描方向。
上述I，x，y，z等表示变量，仅仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用，可以是1,2,3,4等任一数值。
本发明方法如图1所示，首先利用OCT采集干涉光谱，然后对干涉光谱提取深度域信号，再基于深度域信号提取组织厚度，最后选择合适厚度的目标区域进行模切。
利用OCT系统采集生物膜组织的干涉光谱，对组织样本进行二维或三维空间的OCT扫描成像，在同一空间位置重复扫描成像一定时间，利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法(或者通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法和利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法)。
利用OCT干涉光谱提取深度域信号，即对干涉光谱作傅里叶变换获得各空间点的深度域复数信号(包含强度分量和相位分量)。
基于深度域信号的强度分量，提取生物膜组织的上下边界，得到对应的深度位置坐标，两者的坐标间隔乘以单个像素代表的实际尺寸即对应生物膜厚度。其具体步骤是：在生物膜组织三维信号中，I表示OCT强度信号，计算同一纵向坐标y1，同一横向坐标x1，相邻深度坐标z之间的强度差分dI(z1,x1,y1)：
dI(z1,x1,y1)＝I(z1,x1,y1)-I(z1-1,x1,y1) (1)
在生物膜上下边缘位置，会与生物膜信号之外的相邻图像区域存在深度域强度信号的差异，差分值dI相比其他位置会显著更大，由于存在两个边缘，采用通过比较选择两个极大值，得到其对应的深度坐标z’，z”，假设z’>z”，则横向坐标点x1处，纵向坐标点y1，生物膜组织厚度dz(x1,y1)为：
dz(x1,y1)＝(z′-z″)×u (2)
其中u表示OCT中深度坐标z方向单个像素代表的实际尺寸。
任一纵向坐标位置y、任一横向坐标位置x都可以通过上述方法计算生物膜组织厚度，则可得到二维膜厚度矩阵dz(x,y)。模具图案大小确定了切割的目标区域尺寸，遍历整个二维膜厚度矩阵，计算目标区域尺寸内二维膜厚度矩阵dz(x,y)的平均值和方差。方差小代表该区域内膜厚度均匀，有利于制造正常功能的人工心脏生物瓣膜小叶。根据方差大小筛选出膜厚度均匀的目标区域，再根据平均值大小选择合适的厚度进行切割。
图2示出的是本发明的用于处理生物膜组织的装置示意图。该装置的低相干干涉测量部分的主体结构为一干涉仪，由11～17、19和21构成，其中光源11发出的光被分束器12分成两部分光束：其中的一束光进入到干涉仪的参考臂，通过参考臂准直镜13照射于平面高反射镜14上；另一束光进入到样品臂，经过准直15和光路反射后聚焦到待测样品上；样品18置于样品臂物镜17的焦平面处。而后参考臂和样品臂各自反射回的光发生干涉后由干涉信号探测装置19接收。对于光纤型光路，采用偏振控制器21调整光束的偏振态，最大化信号干涉效果。
依据低相干干涉探测信号的不同方式，图2所示的用于处理生物膜组织的装置具体包括：
1)时间域测量装置。光源11采用宽带低相干光，平面反射镜14可沿光轴方向移动，干涉信号探测装置19为一点探测器。通过移动平面反射镜14改变参考臂光程，两臂的干涉信号由点探测器19探测到，对某一空间深度的z方向的散射信号的低相干干涉探测，从而得到深度空间维度的采样体。
2)光谱域测量装置。光源11采用宽带低相干光，平面反射镜14固定不动，干涉信号探测装置19采用光谱仪。干涉信号经过光谱仪中的线阵相机同时记录干涉光谱。采用傅里叶分析方法分析干涉光谱信号，并行获取深度z方向的散射信息，从而得到深度维度空间的采样体。
3)扫频测量装置。光源11采用扫频光源，平面反射镜14固定不动，干涉信号探测装置19采用点探测器。点探测器分时记录扫频光源的低相干干涉光谱。采样傅里叶分析干涉光谱信号，并行获取深度z方向的散射信息，从而得到深度维度空间的采样体。
对于上述不同的测量装置，可分别结合图1叙述中所涉及的OCT扫描成像方式，分析生物膜厚度并具有空间对应性。
图3示出的是本文所公开的利用本发明的一个示例性实施例。用于处理生物膜组织的装置，包括宽带低相干光源31、光环形器32、分光比为50:50的光纤耦合器33、第一偏振控制器46、第一光纤准直器件34、聚焦透镜35、平面高反射镜36、第二偏振控制器47、第二光纤准直器件37、扫描振镜38、物镜39、样品分散装置40、第三光纤准直器件41、光栅42、傅里叶变换透镜43、高速线阵相机44、信号处理器模块与计算单元45、色散补偿器48、聚焦透镜49、二向色镜50、扫描透镜51、模切组件100、具有光透明板的位移台102、104：垂直位移装置104、生物膜组织106、透明玻璃台面108、安装杆114、连接臂115、高度显示器118、切割模具120。其中宽带低相干光源31采用中心波长为1325nm、带宽为100nm的超发光二极管光源，高速线阵相机44采用由2048像素单元组成的线阵扫描相机，样品臂中扫描透镜51选用焦距为54mm的透镜。
由本发明装置所使用的低相干宽带光源31发出的光，经过光环行器32后进入到分光比为50:50的光纤耦合器33，从光纤耦合器33出射的光被分成两部分子光束：其中一束光通过光纤经过第一偏振控制器46连接至参考臂中的第一光纤准直器件34，经过准直、色散补偿器48色散补偿和聚焦透镜35聚焦后照射到平面高反射镜36；另一束光通过光纤经过第二偏振控制器47连接至样品臂部分的第二光纤准直器件37，经过准直、扫描振镜38光路反射和聚焦透镜39、聚焦透镜49聚焦后照射到被测样品上。在扫描透镜51之前，采用二向色镜50将聚焦透镜49出射的光线实现OCT探测光路的90°转折。样品臂中的扫描振镜38固定不动，使得低相干干涉仪能够并行探测得到样品空间同一位置在不同时刻的深度方向的散射信号。同时样品臂中的光路通过单模光纤传导光束，对待测样品散射回的光起到空间滤波的作用，即有效地减小散射信号中的多次散射成分。由参考臂中平面高反射镜36反射的光与样品臂中被测样品背向散射的光在光纤耦合器33处干涉，干涉光经过光谱仪(包括器件41～44)探测并被记录，而后由计算单元45采集并作信号分析处理。垂直位移装置104、高度显示器118和切割模具120通过连接臂115安装在杆上114。安装杆附接至透明玻璃台面108。样品生物膜组织106放置于透明玻璃台面108上的具有光透明板的位移台102上。具有光透明板的位移台102下方可供OCT扫描光束通过成像。位移台102可实现水平位移。垂直位移装置104由计算单元45控制。
本发明根据OCT深度域信号可以得到生物膜组织厚度，结合模切组件可以得到厚度均匀的人工心脏生物瓣膜小叶。
图4示出的是切割后的人工心脏生物瓣膜小叶成像结果，为OCT采集的结构图，OCT可实现三维结构成像。图4a为OCT结构投影图，图4b为图4a中虚线位置的断层横截面图。图4c为OCT结构投影图，图4d为图4c中虚线位置的断层横截面图。任一空间位置点的厚度都可以获得，图4b和图4d分别对应均匀生物薄膜(厚度～0.7mm)和均匀生物厚膜(厚度～1.7mm)。
上述实验结果充分说明：本发明可实现无接触地同时获取多个空间位置点(微米间距)的厚度信息(微米精度)。同时本发明结合了光学检测系统(OCT)和模切组件，能够实现快速评估切割生物膜组织以获取人工心脏生物瓣膜小叶。
Claims (10)
1.一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法，包括：
在所述生物组织上方放置模切组件(100)，模切组件(100)中放置生物膜组织(106)；
利用光学相干成像系统OCT透过模切组件(100)检测生物膜组织(106)目标区域的厚度；
基于所述生物膜组织(106)目标区域的厚度，控制模切组件(100)中的模具切割所述目标区域获取人工心脏生物瓣膜小叶。
2.根据权利要求1所述的一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法，其特征在于：所述生物膜组织(106)，包括：心包膜、主动脉瓣膜、硬脑膜、腹膜、隔膜或肠粘膜下层。
3.根据权利要求1所述的一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法，其特征在于：利用光学相干成像系统OCT透过模切组件(100)检测生物膜组织(106)的厚度；包括：
利用OCT采集生物膜组织(106)的干涉光谱；
对生物膜组织(106)的干涉光谱提取深度域信号；
基于深度域信号对生物膜组织(106)进行微米精度的厚度测量。
4.根据权利要求3所述的一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法，其特征在于：所述的利用OCT采集生物膜组织的干涉光谱，包括：
通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法；
或者利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法；
或者利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法。
5.根据权利要求1所述的一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法，其特征在于：利用光学相干成像系统(OCT)从光透明板下方检测目标区域的生物膜组织厚度，包括：OCT检测范围根据所述目标区域面积设置，目标区域不同空间点的测量顺序由OCT扫描顺序决定。
6.根据权利要求1所述的一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法，其特征在于：利用光学相干成像系统OCT透过模切组件(100)检测生物膜组织(106)的厚度；包括：在检测时，光学相干成像系统OCT的检测范围中心、生物膜组织(106)的目标区域中心和切割模具的模具图案中心保持在同一垂直直线。
7.根据权利要求1所述的一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法，其特征在于：基于所述生物膜组织的OCT厚度测量结果，用所述模具切割所述目标区域获取人工心脏生物瓣膜小叶，包括：
平铺放置生物膜组织(106)于位移台(102)的光透明板上；
通过垂直位移装置(104)在生物膜组织(106)上方提升切割模具(120)；
水平移动位移台(102)直至生物膜组织(106)的目标区域位于所述切割模具(120)正下方；
通过光学相干成像系统OCT从生物膜组织(102)的目标区域正下方测量生物膜组织(106)的目标区域厚度；
确定所述目标区域厚度是否适于获取人工心脏瓣膜小叶；
通过垂直位移装置(104)降低所述切割模具(120)切割所述目标区域所在的生物膜组织(106)以获取人工心脏生物瓣膜小叶。
8.根据权利要求1所述的一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法，其特征在于：所述的模切组件(100)包括具有光透明板的位移台(102)、垂直位移装置(104)、透明玻璃台面(108)和切割模具(120)；透明玻璃台面(108)上一侧设有垂直位移装置(104)，切割模具(120)设置在透明玻璃台面(108)上，透明玻璃台面(108)上放置具有光透明板的位移台(102)，位移台(102)上平铺放置生物膜组织(106)。
9.根据权利要求8所述的一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割方法，其特征在于：所述的垂直位移装置(104)包括安装杆(114)、连接臂(115)和高度显示器(118)；安装杆(114)底端固定在透明玻璃台面(108)上，高度显示器(118)经连接臂(115)连接到安装杆(114)中部；高度显示器(118)延伸到生物膜组织(106)上方，高度显示器(118)底端固定安装切割模具(120)。
10.用于实施权利要求1～9中任一所述方法的一种基于弱相干干涉的生物膜组织光学检测切割系统，其特征在于包括：
一套模切组件(100)，用于切割生物膜组织(106)获取人工心脏生物瓣膜小叶；
一套OCT光学相干探测装置，用于采集二维或者三维空间内的生物膜组织(106)的干涉光谱；
一个或多个处理器，耦连至模切组件(100)和OCT光学相干探测装置，分别用于连接模切组件(100)并控制模切组件(100)切割、接收来自OCT光学相干探测装置的OCT干涉光谱并分析处理得到生物膜组织(106)深度信息。
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