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    光學相干層析成像(OCT)及其應用 Part 3

    光纖在線編輯部  2021-12-27 10:05:38  文章來源:本站消息  版權所有,未經許可嚴禁轉載.

    導讀:作者:美國華萊光電 劉玥 博士!

    12/27/2021,作者:美國華萊光電 劉玥 博士!
    3、評價OCT成像系統的關鍵性能指標參數
       評價OCT系統的關鍵性能參數包括軸向分辨率、橫向分辨率、成像深度、成像速度、靈敏度等。表1總結頻域FD-OCT的主要性能評估參數,并列出了影響這些參數的主要因素。



    2.1軸向分辨率(Axial resolution)
       假設光源的光譜強度為高斯分布,則OCT系統生成的干涉信號的光譜強度也為高斯分布,即在光源光譜的標準偏差區域范圍之外,干涉光的強度將迅速下降。
    對于光源光譜強度為高斯分布的OCT系統,其軸向分辨率由光源的相干長度決定,可由以下公式推導:



    由圖13可以得出:
    1、當光源的光譜帶寬小于100nm時,軸向分辨率隨光譜帶寬的增加變化很快;
    2、當光源的光譜帶寬大于100nm時,軸向分辨率隨光譜帶寬的增加變化變緩;
    3、相同的光譜帶寬條件下,中心波長越短,軸向分辨率越高。


      
    2.2橫向分辨率(Lateral resolution) 
       OCT系統的軸向分辨率和橫向分辨率是相互獨立的。
    橫向分辨率可通過以下方程式推算:



    2.3穿透深度和成像深度 ( penetration depth and imaging depth)
       當光線照射并穿透樣品時,由于樣品組織對光有吸收和散射,光的強度將被衰減,從而隨在樣品位置的加深,反射的光的強度越來越弱,直到探測不到,OCT能夠成像的有效深度受到限制。由于光衰減導致的成像深度限制通常被定義為“穿透深度”,一般定義為靈敏度下降6dB處的位置為穿透深度。
    OCT系統的“成像深度”通常被定義為在沒有光學衰減的情況下系統可重建樣品結構信息的最大深度,該深度通常取決于探測器響應帶寬和數據采集卡的采樣率。
    可由OCT系統重建的樣品結構深度,即有效成像深度,取決于穿透深度和系統成像深度中較小的那個。
    例如,在眼科視網膜檢測中,通常有效軸向成像深度受穿透深度限制;而在眼前節檢測、血管和內窺鏡成像中,有效軸向成像深度由OCT設備的成像深度決定。

    2.5.1 SS-OCT系統的成像深度
       由前節所述,需要計算SS-OCT系統的穿透深度和成像深度來得到其有效成像深度:一個由掃描源的瞬時線寬確定,另一個由數據采集卡的采樣頻率確定。

    (1)由光源瞬時線寬決定的SS-OCT成像系統的穿透深度可表示為:


    (2)在實際的數據采集和圖像處理中,SS-OCT成像系統在波數空間中對檢測到信號進行處理,通過離散傅里葉變換來獲取樣本的深度信息:更深位置處的信息被解析為更高頻率的信號,淺層位置的信息被解析為相對低頻的信號。根據奈奎斯特采樣定理,SS-OCT系統由數據處理能力決定的最大成像深度為:


    從圖14可以看出:
    1、相同條件下,中心波長越長,成像深度越深;
    2、頻率采樣間隔越小,成像深度越深。



    2.5.2 SD-OCT系統的成像深度
    SD-OCT成像深度的計算方法與SS-OCT系統類似,如下式表示:



    2.4信噪比(SNR)和靈敏度
       OCT系統的噪聲源包括電路噪聲和光學器件產生的噪聲。與TD-OCT系統相比,SS-OCT系統的信噪比可提高數十倍甚至數百倍。

    2.4.1SS-OCT 系統的SNR
    通常激光器的熱噪聲和相對強度噪聲可以忽略,因此信噪比可表示為:



    SS-OCT系統的檢測通過使用平衡探測器,可將信噪比提高約3dB。

    2.4.2SS-OCT 系統的靈敏度
    在OCT系統中,靈敏度定義為可檢測到的樣本反射的最小功率,即當SNR=1(噪聲等于信號)時,可檢測到的信號功率為靈敏度,表示為:



    從上述方程可以看出,通過降低掃頻速率可以檢測到較弱的反射信號。

    2.5成像速度
       OCT系統的成像速度是指獲取樣品層析圖像所需的時間。成像時間主要包括兩部分:數據采集所需時間和信號處理所需時間。數據采集所需的時間通常由A-scan速率決定。
    一般TD-OCT系統的成像速度受限于其參考臂機械掃描速度,目前最快的掃描速度可達到kHz。SD-OCT系統得益于高速線CCD或CMOS探測器的并行檢測;SS-OCT系統的A-scan速度掃頻源的掃頻速度決定。目前SS-OCT和SD-OCT的最快A-scan速率都可達到MHz。

    ]b]2.6OCT系統設計指導[/b]
    1、提高軸向分辨率會降低成像深度;
    2、提高橫向分辨率會減少可視范圍;
    3、提高A-scan速率會導致系統靈敏度降低;
    4、較短的中心波長有利于提高軸向分辨率,但會增加組織和其他介質對光的散射。
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