漫谈光学相干层析成像(OCT)原理,实现以及应用part 1



11/24/2021,作者:美国华莱光电 刘玥博士

1.引言
   光学相干断层扫描(OCT: optical coherence tomography)是一种非侵入式光学成像技术,可提供实时、1维深度、2维截面或3维立体图像,分辨率可达微米量级(~um),成像深度为毫米量级(~mm)。如图1所示,如果以分辨率和成像深度两个方面来讨论,OCT成像技术填补了共焦显微镜和超声技术之间的空白。

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OCT基于光学相干原理,以近红外光为光源,迈克尔逊干涉仪为核心光学结构,产生光学干涉信号实现成像。图2介绍了迈克尔逊干涉仪的基本结构。

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2.OCT 实现方法的分类
   如图3所示,根据其实现方法,OCT系统可分为时域OCT(TD-OCT)和傅里叶(频域)OCT(FD-OCT)。而频域OCT,又可根据其采用的光源和检测方案的不同,分为光谱域OCT(SD-OCT)和扫频源OCT(SS-OCT)两种。

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2.1 时域TD-OCT(Time Domain-OCT)
   TD-OCT是第一代OCT成像系统,采用低相干(Low Coherence)光源进行相干成像。 图4是一个TD-OCT系统的基本结构图,其中迈克尔逊干涉仪中的一路光路中的反射镜被称为参考反射镜,可沿轴向(Z-轴)移动。另外一路反射光路由振镜和样品构成。
由于光源的低相干性,参考镜在某一位置的反射光,只能与样品某一特定深度位置的反射光产生相干,即某一时刻只能采集到样品在某一纵向深度上的生成的干涉信号,若结合X和Y方向扫描一次即可记录样品在某一深度位置的光学切片图像信息。
光电探测器接收到干涉光信号后,进行光电转换,然后通过数据处理可重建样品的层析图像。OCT图像记录了样品的结构信息,该结构信息是基于样品内不同层材料的光后向散射特征转换得到。
   OCT成像的基本过程为,由样品组织结构折射率的变化而产生的后向散射光被耦合到样品臂中,然后与沿参考臂传输了固定光程长度的参考光进行重叠产生相干,通过干涉仪接收单元进行光电转换得到干涉图数据。

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   图5展示了一个TD-OCT成像系统的典型光学设置。在TD-OCT成像系统中,需要通过轴向移动参考镜,来调整样品臂和参考臂之间的光程差,以实现样品深度的扫描,进行深度方向的层析成像。轴向移动参考镜的过程,称为A-scan。要获得组织的2维图像,可以在每次A-scan后横向移动样本,以获得多个A-scan图像合成B-scan扫描图像。TD-OCT的成像速度受限于机械扫描装置的扫描速度,成像速度约为每秒nX103次A-scan。
2维横截面图像(B-scan)是通过光束横向扫过样品产生的。当光束在样品第一方向上(X方向)扫描时,可收集一系列1维A-scan数据处理后合成一张2维图像。类似地,当光束再在第二方向上(Y方向)扫描样品,可收集一系列2维图像数据来生成3维立体图像。
由于具有体积小、性能稳定等优势,近年来,光纤元件被用来取代空间光学成像器件已成为趋势。

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2.2 频域FD-OCT (Fourier Domain OCT)
   由前文可知,TD-OCT需要通过以机械方式轴向移动参考镜以获取样品的深度方向信息,因此成像速度较慢,无法实现实时成像,而实时成像对于在线应用至关重要。OCT研究领域最新进展报告了一种称为傅里叶域OCT(或频域OCT,FD-OCT)的新技术,通过该技术可实现了高速实时成像。FD-OCT成像系统有两种实现方式: 谱域OCT(SD-OCT)和扫频源OCT(SS-OCT)。SS-OCT采用快速可调谐的窄带激光器作为光源,称为扫频源(Swept Source);而SD-OCT系统采用宽带低相干光源。FD-OCT系统的成像速度可达每秒完成200万次A-scan。采用FD-OCT技术,2维图像的采集时间为毫秒,3维图像的采集速度低于1秒。
   FD-OCT的一个主要缺点是,整个A-scan是“一次拍摄”完成的,因此不可能根据样本的测量深度动态调整焦点。而在TD-OCT成像过程中,可通过动态聚焦实现在整个深度测量范围内获得较高的横向分辨率;并可仅通过在X和Y方向上移动振镜横向扫描样品,获得与样品表面平行的某一深度位置的样品图像(称为en-face或C-scan)。

2.2.1 谱域SD-OCT (Spectral Domain OCT)
   SD-OCT成像系统的基本结构如图6所示。 SD-OCT的成像实现过程与TD-OCT类似,区别在于SD-OCT是通过对测量光谱进行快速傅里叶变换获得样本组织的深度信息,而不再需要轴向移动参考镜对样品进行深度位置信息扫描(A-scan)。在SD-OCT接收单元,光谱仪或衍射光栅将干涉光按波长分开,之后,不同波长的光线被线阵CCD或CMOS探测器阵列接收并转换为电信号。传感器探测到的干涉图频率信息与样品反射深度信息相关,因此,对干涉信号进行采样和快速傅里叶变换后,可以得到样本的深度方向信息,即完成了A-scan。
SD-OCT通常采用超发光二极管(Super Luminescent Diodes)作为光源。接收单元里的大阵列线阵CCD或CMOS也是实现高成像速度,高灵敏度的SD-OCT系统的关键器件之一。
   同样,结合X-Y方向的横向扫描,就可以重建样品的三维层析图像。通常,SD-OCT的成像速度由CCD或CMOS的采集速度决定,与TD-OCT相比,可以实现更快的成像速度。目前实现SD-OCT系统存在的的一个困难是市场可获得的CCD或CMOS在长波长范围内的灵敏度较低,并且对于某些波长范围,CCD或CMOS的价格昂贵,甚至不可获得。

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2.2.2 扫频SS-OCT (Swept Source OCT)
   SS-OCT是最新一代的OCT成像技术,它兼具TD-OCT的单点检测和SD-OCT的快速成像的优点。实现SS-OCT的核心器件是扫频激光光源,它发射窄带相干光。
   SS-OCT的系统结构如图7所示。扫频激光源分时发出不同波长的光在时域中顺序输出,检测单元通过平衡探测器检测不同波长光照射下,样品反射光和参考光生成的干涉光信号。由于采用了平衡探测器,SS-OCT系统的接收信噪比和灵敏度优于SD-OCT。由图中可以看到,SS-OCT系统还需要一个k时钟来触发数据采集卡执行A-scan。
   SS-OCT系统利用扫频光源和光电探测器快速生成干涉图。由于扫描激光源快速扫描分时产生不同波长的光,可允许每个离散波长以比较高的光功率照射到样品上,能够获得更高的接收灵敏度的而避免发生光学损伤。

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