2022-06-29
作者：美國(guó)華萊光電 劉玥博士
1.引言
光學(xué)相干斷層掃描（OCT: optical coherence tomography）是一種非侵入式光學(xué)成像技術(shù)，可提供實(shí)時(shí)、1維深度、2維截面或3維立體圖像，分辨率可達(dá)微米量級(jí)（~um），成像深度為毫米量級(jí)（~mm）。如圖1所示，如果以分辨率和成像深度兩個(gè)方面來(lái)討論，OCT成像技術(shù)填補(bǔ)了共焦顯微鏡和超聲技術(shù)之間的空白。
OCT基于光學(xué)相干原理，以近紅外光為光源，邁克爾遜干涉儀為核心光學(xué)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生光學(xué)干涉信號(hào)實(shí)現(xiàn)成像。圖2介紹了邁克爾遜干涉儀的基本結(jié)構(gòu)。
2.OCT 實(shí)現(xiàn)方法的分類
如圖3所示，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)方法，OCT系統(tǒng)可分為時(shí)域OCT（TD-OCT）和傅里葉（頻域）OCT（FD-OCT）。而頻域OCT，又可根據(jù)其采用的光源和檢測(cè)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(shí)域TD-OCT（Time Domain-OCT）
TD-OCT是第一代OCT成像系統(tǒng)，采用低相干（Low Coherence）光源進(jìn)行相干成像。 圖4是一個(gè)TD-OCT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(dòng)。另外一路反射光路由振鏡和樣品構(gòu)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(chǎn)生相干，即某一時(shí)刻只能采集到樣品在某一縱向深度上的生成的干涉信號(hào)，若結(jié)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(xué)切片圖像信息。
光電探測(cè)器接收到干涉光信號(hào)后，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理可重建樣品的層析圖像。OCT圖像記錄了樣品的結(jié)構(gòu)信息，該結(jié)構(gòu)信息是基于樣品內(nèi)不同層材料的光后向散射特征轉(zhuǎn)換得到。
OCT成像的基本過(guò)程為，由樣品組織結(jié)構(gòu)折射率的變化而產(chǎn)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(zhǎng)度的參考光進(jìn)行重疊產(chǎn)生相干，通過(guò)干涉儀接收單元進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到干涉圖數(shù)據(jù)。
圖5展示了一個(gè)TD-OCT成像系統(tǒng)的典型光學(xué)設(shè)置。在TD-OCT成像系統(tǒng)中，需要通過(guò)軸向移動(dòng)參考鏡，來(lái)調(diào)整樣品臂和參考臂之間的光程差，以實(shí)現(xiàn)樣品深度的掃描，進(jìn)行深度方向的層析成像。軸向移動(dòng)參考鏡的過(guò)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(dòng)樣本，以獲得多個(gè)A-scan圖像合成B-scan掃描圖像。TD-OCT的成像速度受限于機(jī)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(guò)光束橫向掃過(guò)樣品產(chǎn)生的。當(dāng)光束在樣品第一方向上（X方向）掃描時(shí)，可收集一系列1維A-scan數(shù)據(jù)處理后合成一張2維圖像。類似地，當(dāng)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(shù)據(jù)來(lái)生成3維立體圖像。
由于具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，光纖元件被用來(lái)取代空間光學(xué)成像器件已成為趨勢(shì)。
2.2 頻域FD-OCT (Fourier Domain OCT)
由前文可知，TD-OCT需要通過(guò)以機(jī)械方式軸向移動(dòng)參考鏡以獲取樣品的深度方向信息，因此成像速度較慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像，而實(shí)時(shí)成像對(duì)于在線應(yīng)用至關(guān)重要。OCT研究領(lǐng)域最新進(jìn)展報(bào)告了一種稱為傅里葉域OCT（或頻域OCT，F(xiàn)D-OCT）的新技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)了高速實(shí)時(shí)成像。FD-OCT成像系統(tǒng)有兩種實(shí)現(xiàn)方式： 譜域OCT（SD-OCT）和掃頻源OCT（SS-OCT）。SS-OCT采用快速可調(diào)諧的窄帶激光器作為光源，稱為掃頻源（Swept Source）；而SD-OCT系統(tǒng)采用寬帶低相干光源。FD-OCT系統(tǒng)的成像速度可達(dá)每秒完成200萬(wàn)次A-scan。采用FD-OCT技術(shù)，2維圖像的采集時(shí)間為毫秒，3維圖像的采集速度低于1秒。
FD-OCT的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，整個(gè)A-scan是“一次拍攝”完成的，因此不可能根據(jù)樣本的測(cè)量深度動(dòng)態(tài)調(diào)整焦點(diǎn)。而在TD-OCT成像過(guò)程中，可通過(guò)動(dòng)態(tài)聚焦實(shí)現(xiàn)在整個(gè)深度測(cè)量范圍內(nèi)獲得較高的橫向分辨率；并可僅通過(guò)在X和Y方向上移動(dòng)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(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。 SD-OCT的成像實(shí)現(xiàn)過(guò)程與TD-OCT類似，區(qū)別在于SD-OCT是通過(guò)對(duì)測(cè)量光譜進(jìn)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(dòng)參考鏡對(duì)樣品進(jìn)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(zhǎng)分開，之后，不同波長(zhǎng)的光線被線陣CCD或CMOS探測(cè)器陣列接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。傳感器探測(cè)到的干涉圖頻率信息與樣品反射深度信息相關(guān)，因此，對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)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(fā)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(shí)現(xiàn)高成像速度，高靈敏度的SD-OCT系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。
同樣，結(jié)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(shí)現(xiàn)更快的成像速度。目前實(shí)現(xiàn)SD-OCT系統(tǒng)存在的的一個(gè)困難是市場(chǎng)可獲得的CCD或CMOS在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的靈敏度較低，并且對(duì)于某些波長(zhǎng)范圍，CCD或CMOS的價(jià)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(shù)，它兼具TD-OCT的單點(diǎn)檢測(cè)和SD-OCT的快速成像的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)SS-OCT的核心器件是掃頻激光光源，它發(fā)射窄帶相干光。
SS-OCT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。掃頻激光源分時(shí)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光在時(shí)域中順序輸出，檢測(cè)單元通過(guò)平衡探測(cè)器檢測(cè)不同波長(zhǎng)光照射下，樣品反射光和參考光生成的干涉光信號(hào)。由于采用了平衡探測(cè)器，SS-OCT系統(tǒng)的接收信噪比和靈敏度優(yōu)于SD-OCT。由圖中可以看到，SS-OCT系統(tǒng)還需要一個(gè)k時(shí)鐘來(lái)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡執(zhí)行A-scan。
SS-OCT系統(tǒng)利用掃頻光源和光電探測(cè)器快速生成干涉圖。由于掃描激光源快速掃描分時(shí)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光，可允許每個(gè)離散波長(zhǎng)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(fā)生光學(xué)損傷。
