OCT整理

OCT资料整理 1、时域OCT技术 基本光路 图1 时域OCT基本光路 基本原理 由于光源为低相干宽带光源，故其相干长度极短。而只有当参考臂和测量臂光程差在光源的一个相干长度之内时，背向散射光和参考光才会产生干涉，且当光程差接近零时才具有最大相干强度。因此，随着参考镜的轴向移动，可选择样品中与之光程相等的层来进行成像，而其他层的信息将被滤掉，从而实现了层析成像。 其轴向分辨率为光源相干长度的一半，光源带宽越宽，分辨率越高；横向分辨率与轴向分辨率相独立。组织对光吸收将决定穿透深度，即层析范围。 如图1所示，假设样品为一反射率为 的反射镜，则探测器探测到的光强信号可求得： 其中样品反射率为 ， 分别为参考臂和测量臂的入射光的平均光强。 令 ， 表示参考臂与测量臂之间的时间延迟之差， 为光源的中心频率， 表示时间复相干度。 与光源的归一化功率谱密度 有如下关系： 对于Gauss线型光源有： 故 ，而当 时， 取最大值 。 通过参考臂的位置信息及其对应样品处反射率 信息，即可重构出样品的图像。 以上为基本时域OCT的原理，由于从生物组织中经背向散射回来的信号光是极其微弱的，直接测量时，干涉信号将湮没在系统的噪声中。可通过使参考镜匀速纵移引入多普勒效应，对信号进行调制成高频交流信号便于提取，并抑制噪声。 初始状态，参考臂与测量臂的光程差为 ，参考臂中的反射镜以恒定速度 向缩短光程的方向平移，则参考臂与测量臂的光程差为 ， 表示扫描时间。 ， 将 在 处解调即得其包络信号： 。 信号的具体解调过程为，利用带通滤波器将调制到高频处的信号取出，然后经过放大，再解调出包络信号。 以上为针对某一特定层（将样品假定为一反射镜），随着参考臂的移动（光程差改变），探测器上探测到的光强变化情况。针对该特定层，其探测光强随光程差改变的响应曲线如图2所示。而实际情况应是无数个该种峰值处于不同位置的“脉冲”信号的叠加。 以反射镜为样品，得到测量结果如图3所示。 图2 响应曲线                   图3 a是OCT信号的功率谱，b是解调后的OCT信号 2、频域OCT技术 基本光路 图4 频域OCT基本光路 基本原理 利用样品的后向散射势与探测到的后向散射光波场成傅里叶变换关系，实现对样品的轴向层析。 假设样品为多层反射体组成，忽略样品的色散，样品不同纵向深度 处的后向散射幅度为 ，则从样品返回的光可以看做是样品不同深度返回的光波的叠加。则干涉光谱信号可以表示为： 其中 为波数， 是光源的功率谱密度， 是参考臂的反射系数， 和 是参考臂和测量臂相对于共同参考面的光程。 不失一般性，令 且 ，则上式变为： 注：由于光的穿透深度通常为mm级，而光波波长为um级，故可将积分上限看做 。 对上式进行逆傅里叶变换得： 是光源功率谱密度函数的逆傅里叶变换 。 由维纳辛钦定理(Wiener-Khintchine theory)：宽平稳随机过程的功率谱密度是其自相关函数的傅立叶变换，可知 即是光源相干函数的包络，决定了系统的轴向分辨率。 是样品的深度信息， 是 的自相关项。 代表了位于 (即零光程处) 附近的直流项， 和 分别是样品的深度信息及其对称项，即样品的镜像。在系统的测量臂进行横向扫描，对每个横向扫描位置采集到的干涉光谱信号进行傅里叶变换，最后拼接在一起，就能得到样品的各层横截面图像。  即通过傅里叶变换可以从I-K转换到I-Z空间，从而得到深度方向的信息。 3、其他改进OCT技术 其他的改进型OCT技术，绝大多数都是针对以上两种技术的改进，以提高成像速度或者成像分辨率。 针对时域OCT的改进主要是提高扫描速度，提高横向扫描速度有全场OCT（Full-field OCT，FF-OCT）（同时也提高了横向分辨率），提高轴向扫描速度的有扫描光学延迟线ODL（Optical Delay Line）技术和扫频ODT（Swept Source OCT，SS-OCT）。 针对频域OCT的改进主要是轴向的扫描速度，通常采用线照明的方式，一次横向扫描即可得到三维图像。 3.1 FF-OCT 横向分辨率 基本时域OCT为了实现纵向扫描，通常都不会选用物镜，否则焦深会限制轴向扫描范围。然而透镜的低数值孔径又限制了横向分辨率的提高，通常为10~15um。为了获得高横向分辨率，FF-OCT在使用高数值孔径的物镜时，通常会采用动态调焦技术，通过焦点的移动可获得较大的成像深度。 图5 不同波长时横向分辨率随景深的变化 干涉结构 显微镜中的干涉结构通常有三种，如图6所示。 图6 显微镜的常用干涉结构 采用Michelson和Mirau结构的优点有：1）只需一个显微物镜，而且该物镜对参考和样品光束的影响是完全一致的；2）参考光束和样品光束在大部分传播过程中都是共路的，因此对外界干扰有一定抵抗能力。但这两种结构也存在着不足：1）由于在样品和显微物镜间需放置分束器等光学器件，从而要求显微物镜应具有较大的工作距离，因此不能使用高倍显微物镜，限制了系统的分辨率；2）在大孔径系统中，分束器会引入较大的像差，尤其是轴向球差，它随数值孔径的增大近似成立方关系而增大。Linnik结构要求使用两个显微物镜，在它们与样品和参考镜之间无需放置其它光学器件，故可以使用大数值孔径显微物镜。但自分光之后两支光束传播了较长距离，故成像结果容易受到环境因素的干扰。 图像解算方法 全场OCT的图像解算方法为：当样品臂和参考臂之间的光程差小于光源的相干长度时，参考光束和样品光束将发生干涉，这时面阵CCD探测器上 点接收到的光强信号可表示为： 式中 为直流项，表示由非相干光形成的背景图像； 表示干涉图像，它随样品和参考镜上对应点 相位差 而变化； 表示第 层组织的层析图像。 式中有三个未知数，可利用移相法求解：Carre移相算法和Harihara移相算法及补偿5步移相算法。 3.2 ODL-OCT技术 该类技术是通过在参考臂中引入额外可控光程，从而实现轴向扫描。 由MIT小组提出的双通快速扫描光学延迟线（Double Pass Rapid Scanning Optical Delay Line,  RSOD）是一种基于群延迟控制技术的ODL，有较快的扫描速度用于实时成像，而且能够独立控制扫描的群速度和相速度，具备调节色散的能力，而被广泛采用。基于RSOD的光纤型OCT系统的基本结构如图所示，RSOD由准直镜1、衍射光栅、傅里叶变换(FT)透镜、振镜和反射镜组成，由振镜的旋转实现对样品的纵向快速扫描。为实现生物体内部弹性散射光信号的高信噪比提取，一般采用载频技术来提取信号，所需载频由相位调制器提供。偏振控制器用于匹配参考臂和样品臂之间的偏振态，以使系统具有理想的分辨率。 3.3 SS-OCT Chinn等人提出的扫频OCT是另一种形式的频域OCT成像方式。它对光源光谱进行频率扫描(如使用调频激光器光源)并使用点探测器来采集信号。S-OCT具备频域OCT的快速成像能力，同时兼有时域OCT的点探测优势。不过，SS-OCT的难度和关键都集中在扫频光源的制作上。