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    漫談光學相干層析成像(OCT)原理,實現以及應用part 1

    光纖在線編輯部  2021-11-24 11:27:56  文章來源:本站消息  版權所有,未經許可嚴禁轉載.

    導讀:SS-OCT是最新一代的OCT成像技術,它兼具TD-OCT的單點檢測和SD-OCT的快速成像的優點。實現SS-OCT的核心器件是掃頻激光光源,它發射窄帶相干光。

    11/24/2021,作者:美國華萊光電 劉玥博士

    1.引言
       光學相干斷層掃描(OCT: optical coherence tomography)是一種非侵入式光學成像技術,可提供實時、1維深度、2維截面或3維立體圖像,分辨率可達微米量級(~um),成像深度為毫米量級(~mm)。如圖1所示,如果以分辨率和成像深度兩個方面來討論,OCT成像技術填補了共焦顯微鏡和超聲技術之間的空白。


    OCT基于光學相干原理,以近紅外光為光源,邁克爾遜干涉儀為核心光學結構,產生光學干涉信號實現成像。圖2介紹了邁克爾遜干涉儀的基本結構。


    2.OCT 實現方法的分類
       如圖3所示,根據其實現方法,OCT系統可分為時域OCT(TD-OCT)和傅里葉(頻域)OCT(FD-OCT)。而頻域OCT,又可根據其采用的光源和檢測方案的不同,分為光譜域OCT(SD-OCT)和掃頻源OCT(SS-OCT)兩種。
     

    2.1 時域TD-OCT(Time Domain-OCT)
       TD-OCT是第一代OCT成像系統,采用低相干(Low Coherence)光源進行相干成像。 圖4是一個TD-OCT系統的基本結構圖,其中邁克爾遜干涉儀中的一路光路中的反射鏡被稱為參考反射鏡,可沿軸向(Z-軸)移動。另外一路反射光路由振鏡和樣品構成。
    由于光源的低相干性,參考鏡在某一位置的反射光,只能與樣品某一特定深度位置的反射光產生相干,即某一時刻只能采集到樣品在某一縱向深度上的生成的干涉信號,若結合X和Y方向掃描一次即可記錄樣品在某一深度位置的光學切片圖像信息。
    光電探測器接收到干涉光信號后,進行光電轉換,然后通過數據處理可重建樣品的層析圖像。OCT圖像記錄了樣品的結構信息,該結構信息是基于樣品內不同層材料的光后向散射特征轉換得到。
       OCT成像的基本過程為,由樣品組織結構折射率的變化而產生的后向散射光被耦合到樣品臂中,然后與沿參考臂傳輸了固定光程長度的參考光進行重疊產生相干,通過干涉儀接收單元進行光電轉換得到干涉圖數據。
     

       圖5展示了一個TD-OCT成像系統的典型光學設置。在TD-OCT成像系統中,需要通過軸向移動參考鏡,來調整樣品臂和參考臂之間的光程差,以實現樣品深度的掃描,進行深度方向的層析成像。軸向移動參考鏡的過程,稱為A-scan。要獲得組織的2維圖像,可以在每次A-scan后橫向移動樣本,以獲得多個A-scan圖像合成B-scan掃描圖像。TD-OCT的成像速度受限于機械掃描裝置的掃描速度,成像速度約為每秒nX103次A-scan。
    2維橫截面圖像(B-scan)是通過光束橫向掃過樣品產生的。當光束在樣品第一方向上(X方向)掃描時,可收集一系列1維A-scan數據處理后合成一張2維圖像。類似地,當光束再在第二方向上(Y方向)掃描樣品,可收集一系列2維圖像數據來生成3維立體圖像。
    由于具有體積小、性能穩定等優勢,近年來,光纖元件被用來取代空間光學成像器件已成為趨勢。
     

    2.2 頻域FD-OCT (Fourier Domain OCT)
       由前文可知,TD-OCT需要通過以機械方式軸向移動參考鏡以獲取樣品的深度方向信息,因此成像速度較慢,無法實現實時成像,而實時成像對于在線應用至關重要。OCT研究領域最新進展報告了一種稱為傅里葉域OCT(或頻域OCT,FD-OCT)的新技術,通過該技術可實現了高速實時成像。FD-OCT成像系統有兩種實現方式: 譜域OCT(SD-OCT)和掃頻源OCT(SS-OCT)。SS-OCT采用快速可調諧的窄帶激光器作為光源,稱為掃頻源(Swept Source);而SD-OCT系統采用寬帶低相干光源。FD-OCT系統的成像速度可達每秒完成200萬次A-scan。采用FD-OCT技術,2維圖像的采集時間為毫秒,3維圖像的采集速度低于1秒。
       FD-OCT的一個主要缺點是,整個A-scan是“一次拍攝”完成的,因此不可能根據樣本的測量深度動態調整焦點。而在TD-OCT成像過程中,可通過動態聚焦實現在整個深度測量范圍內獲得較高的橫向分辨率;并可僅通過在X和Y方向上移動振鏡橫向掃描樣品,獲得與樣品表面平行的某一深度位置的樣品圖像(稱為en-face或C-scan)。

    2.2.1 譜域SD-OCT (Spectral Domain OCT)
       SD-OCT成像系統的基本結構如圖6所示。 SD-OCT的成像實現過程與TD-OCT類似,區別在于SD-OCT是通過對測量光譜進行快速傅里葉變換獲得樣本組織的深度信息,而不再需要軸向移動參考鏡對樣品進行深度位置信息掃描(A-scan)。在SD-OCT接收單元,光譜儀或衍射光柵將干涉光按波長分開,之后,不同波長的光線被線陣CCD或CMOS探測器陣列接收并轉換為電信號。傳感器探測到的干涉圖頻率信息與樣品反射深度信息相關,因此,對干涉信號進行采樣和快速傅里葉變換后,可以得到樣本的深度方向信息,即完成了A-scan。
    SD-OCT通常采用超發光二極管(Super Luminescent Diodes)作為光源。接收單元里的大陣列線陣CCD或CMOS也是實現高成像速度,高靈敏度的SD-OCT系統的關鍵器件之一。
       同樣,結合X-Y方向的橫向掃描,就可以重建樣品的三維層析圖像。通常,SD-OCT的成像速度由CCD或CMOS的采集速度決定,與TD-OCT相比,可以實現更快的成像速度。目前實現SD-OCT系統存在的的一個困難是市場可獲得的CCD或CMOS在長波長范圍內的靈敏度較低,并且對于某些波長范圍,CCD或CMOS的價格昂貴,甚至不可獲得。


    2.2.2 掃頻SS-OCT (Swept Source OCT)
       SS-OCT是最新一代的OCT成像技術,它兼具TD-OCT的單點檢測和SD-OCT的快速成像的優點。實現SS-OCT的核心器件是掃頻激光光源,它發射窄帶相干光。
       SS-OCT的系統結構如圖7所示。掃頻激光源分時發出不同波長的光在時域中順序輸出,檢測單元通過平衡探測器檢測不同波長光照射下,樣品反射光和參考光生成的干涉光信號。由于采用了平衡探測器,SS-OCT系統的接收信噪比和靈敏度優于SD-OCT。由圖中可以看到,SS-OCT系統還需要一個k時鐘來觸發數據采集卡執行A-scan。
       SS-OCT系統利用掃頻光源和光電探測器快速生成干涉圖。由于掃描激光源快速掃描分時產生不同波長的光,可允許每個離散波長以比較高的光功率照射到樣品上,能夠獲得更高的接收靈敏度的而避免發生光學損傷。

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