2022-06-29
作者：美國華萊光電 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(shù)填補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)干涉信號實現(xiàn)成像。圖2介紹了邁克爾遜干涉儀的基本結(jié)構(gòu)。
2.OCT 實現(xiàn)方法的分類
如圖3所示，根據(jù)其實現(xiàn)方法，OCT系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)，采用低相干（Low Coherence）光源進行相干成像。 圖4是一個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。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(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。
光電探測器接收到干涉光信號后，進行光電轉(zhuǎn)換，然后通過數(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度的參考光進行重疊產(chǎn)生相干，通過干涉儀接收單元進行光電轉(zhuǎn)換得到干涉圖數(shù)據(jù)。
圖5展示了一個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，需要通過軸向移動參考鏡，來調(diào)整樣品臂和參考臂之間的光程差，以實現(xiàn)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來生成3維立體圖像。
由于具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，近年來，光纖元件被用來取代空間光學(xué)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(xiàn)實時成像，而實時成像對于在線應(yīng)用至關(guān)重要。OCT研究領(lǐng)域最新進展報告了一種稱為傅里葉域OCT（或頻域OCT，F(xiàn)D-OCT）的新技術(shù)，通過該技術(shù)可實現(xiàn)了高速實時成像。FD-OCT成像系統(tǒng)有兩種實現(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)的成像速度可達每秒完成200萬次A-scan。采用FD-OCT技術(shù)，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(jù)樣本的測量深度動態(tài)調(diào)整焦點。而在TD-OCT成像過程中，可通過動態(tài)聚焦實現(xiàn)在整個深度測量范圍內(nèi)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(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。 SD-OCT的成像實現(xiàn)過程與TD-OCT類似，區(qū)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(zhuǎn)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(guān)，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(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，可以實現(xiàn)更快的成像速度。目前實現(xiàn)SD-OCT系統(tǒng)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(nèi)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(shù)，它兼具TD-OCT的單點檢測和SD-OCT的快速成像的優(yōu)點。實現(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。掃頻激光源分時發(fā)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(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k時鐘來觸發(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器快速生成干涉圖。由于掃描激光源快速掃描分時產(chǎn)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(fā)生光學(xué)損傷。
