發(fā)布時間：2021-07-24 16:47

　　光學(xué)相干層析成像（Optical Coherence Tomography,OCT）是一種基于低相干光干涉原理,利用樣品背散/反射光與參考光相干的非接觸非侵入性的新型成像技術(shù),可提供具有微米級分辨率的一維深度,二維截面層析和三維立體的實時掃描圖像。OCT技術(shù)具有非接觸、無損傷、圖像分辨率高且操作簡單、便攜等優(yōu)點(diǎn),主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像和診斷領(lǐng)域,彌補(bǔ)了共聚焦顯微鏡成像穿透深度低和超聲波成像分辨率低的不足。目前,OCT技術(shù)已作為診斷視網(wǎng)膜疾病的臨床標(biāo)準(zhǔn),而且OCT技術(shù)結(jié)合內(nèi)窺鏡技術(shù)已成為臨床上心血管及腸胃疾病診斷的重要工具,同時也為肌肉骨骼疾病,乃至癌癥早期診斷、手術(shù)指導(dǎo)及術(shù)后康復(fù)提供依據(jù)。為了拓寬OCT技術(shù)的應(yīng)用范圍、提高醫(yī)療檢測水平,研究人員正致力于增加OCT系統(tǒng)在生物組織中的穿透深度、提高系統(tǒng)的分辨率和信噪比、優(yōu)化系統(tǒng)綜合性能等方面的研究。本文論述了OCT系統(tǒng)的原理、分類,以及其在不同生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及最新進(jìn)展。 

【文章來源】：中國光學(xué). 2020,13(05)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：17 頁

【部分圖文】：

OCT系統(tǒng)的原理示意圖

由干涉發(fā)生條件可知，只有當(dāng)參考光與信號光的光程相等或光程差在光源相干長度之內(nèi)時，重合的參考光和信號光才會產(chǎn)生干涉信號。由于窄帶光具有較高的相干性，因此窄帶光的相干長度較長無法實現(xiàn)較高的空間分辨率，而寬帶光具有較低的相干性，相干長度較短。在光程差為零時有最佳干涉信號，隨光程差增大，干涉信號快速衰減，如圖2所示。若選擇窄帶光作為OCT系統(tǒng)的光源，由于相干長度較長，隨著參考光與信號光光程差的變化，系統(tǒng)得到的干涉條紋的對比度不會產(chǎn)生明顯變化，這就無法準(zhǔn)確推斷光程差的變化量。相反，若選擇寬帶光作為OCT系統(tǒng)的光源，由于相干長度較短，在相干長度內(nèi)，隨著參考光與信號光光程差的變化，系統(tǒng)得到的干涉條紋的對比度會產(chǎn)生較大的變化，而在相干長度之外時，因為不會發(fā)生干涉而得不到干涉條紋。因此，探測器能夠靈敏地檢測到光程差的變化，使OCT系統(tǒng)具有較高的定位精度。本文OCT系統(tǒng)選擇具有很短相干長度（1～10μm）的寬帶光作為光源，這使OCT系統(tǒng)具有較高的縱向分辨率[22]。OCT系統(tǒng)的光源決定了其所能實現(xiàn)的性能，除了選擇寬帶光源以提高系統(tǒng)縱向分辨率，OCT系統(tǒng)還較多地使用波長在700～1 500 nm的近紅外光源。這是因為生物組織對近紅外光的吸收和多次散射相對較弱，上述波長的光源可以增加生物組織的穿透深度，減少信號處理難度且獲得更多生物信息。另外，由于生物組織的背散射光很弱，因此，在不損傷樣品的前提下，OCT系統(tǒng)會選擇功率高的光源，以得到更多的背散射光信號，提高OCT系統(tǒng)的探測靈敏度和成像質(zhì)量。

1991年，美國MIT的Fujimoto小組首次提出OCT技術(shù)，并成功將OCT技術(shù)用于人體視網(wǎng)膜活體二維成像[7]。這意味著實現(xiàn)了活體生物的高分辨率實時成像，在當(dāng)時的生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域引起了不小的轟動。當(dāng)時使用的是基于時域探測的點(diǎn)探測器和參考臂機(jī)械掃描為主的OCT系統(tǒng)，因此將這類OCT系統(tǒng)簡稱為時域OCT(TD-OCT）。圖3給出了TD-OCT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。TD-OCT系統(tǒng)類似于邁克爾遜干涉儀，是一個低相干系統(tǒng)。TD-OCT系統(tǒng)的光源多選用具有低相干性的寬帶光。入射光在經(jīng)過光纖耦合器后被分為兩束光，一束光進(jìn)入?yún)⒖急郏?jīng)過準(zhǔn)直透鏡后射向可沿光軸移動的平面反射鏡，作為參考光束，利用光學(xué)延遲線帶動反射鏡運(yùn)動，可改變參考臂光程。另一路射向樣品臂內(nèi)，作為探測光束，由透鏡系統(tǒng)聚焦在樣品某一層面上，探測光束在樣品不同深度上產(chǎn)生背散射信號光。探測光束在樣品上產(chǎn)生的背散射光與經(jīng)平面鏡反射后的參考光束在光纖耦合器中發(fā)生干涉，這些干涉光中既有攜帶樣品內(nèi)部信息的信號光，也有一些光噪聲，需要通過前期的相位調(diào)制和后期的解調(diào)來提高信噪比。另外，還可以利用偏振調(diào)制器通過改變扭矩來調(diào)整光在光線中傳播的偏振方向，以獲得最強(qiáng)的干涉信號。TD-OCT系統(tǒng)使用單點(diǎn)探測器來接收探測干涉信號，而單點(diǎn)探測器的特點(diǎn)是每次只能獲得很少（在一個相干長度左右）的干涉信號，這就需要參考臂具有沿縱向掃描的能力，從而實現(xiàn)對不同深度樣品信號的探測，再通過逐點(diǎn)的信號疊加，就可以得到樣品的一維結(jié)構(gòu)特征。再通過控制樣品臂的橫向掃描，改變其光斑位置，在空間上對樣品進(jìn)行二維掃描，就可以獲得樣品的斷層掃描信號。探測到的干涉光信號經(jīng)過放大器、帶通濾波器、解調(diào)器、A/D轉(zhuǎn)換器后，利用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理就可以重新構(gòu)建樣品內(nèi)部的二維層析圖像和三維立體結(jié)構(gòu)圖像。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高速線掃描OCT的可行性與光學(xué)成像特性的研究[J]. 李剛,任釗,林凌,吳開杰,鄭羽.  中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報. 2007(01)

碩士論文
[1]全光纖高速時域OCT系統(tǒng)研制[D]. 梁雨.天津大學(xué) 2010



本文編號：3301041