光学相干层析成像技术原理及研究进展
发布时间：2021-07-24 16:47
光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,OCT）是一种基于低相干光干涉原理,利用样品背散/反射光与参考光相干的非接触非侵入性的新型成像技术,可提供具有微米级分辨率的一维深度,二维截面层析和三维立体的实时扫描图像。OCT技术具有非接触、无损伤、图像分辨率高且操作简单、便携等优点,主要应用于生物医学成像和诊断领域,弥补了共聚焦显微镜成像穿透深度低和超声波成像分辨率低的不足。目前,OCT技术已作为诊断视网膜疾病的临床标准,而且OCT技术结合内窥镜技术已成为临床上心血管及肠胃疾病诊断的重要工具,同时也为肌肉骨骼疾病,乃至癌症早期诊断、手术指导及术后康复提供依据。为了拓宽OCT技术的应用范围、提高医疗检测水平,研究人员正致力于增加OCT系统在生物组织中的穿透深度、提高系统的分辨率和信噪比、优化系统综合性能等方面的研究。本文论述了OCT系统的原理、分类,以及其在不同生物医学领域的应用及最新进展。
【文章来源】：中国光学. 2020,13(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
OCT系统的原理示意图
由干涉发生条件可知，只有当参考光与信号光的光程相等或光程差在光源相干长度之内时，重合的参考光和信号光才会产生干涉信号。由于窄带光具有较高的相干性，因此窄带光的相干长度较长无法实现较高的空间分辨率，而宽带光具有较低的相干性，相干长度较短。在光程差为零时有最佳干涉信号，随光程差增大，干涉信号快速衰减，如图2所示。若选择窄带光作为OCT系统的光源，由于相干长度较长，随着参考光与信号光光程差的变化，系统得到的干涉条纹的对比度不会产生明显变化，这就无法准确推断光程差的变化量。相反，若选择宽带光作为OCT系统的光源，由于相干长度较短，在相干长度内，随着参考光与信号光光程差的变化，系统得到的干涉条纹的对比度会产生较大的变化，而在相干长度之外时，因为不会发生干涉而得不到干涉条纹。因此，探测器能够灵敏地检测到光程差的变化，使OCT系统具有较高的定位精度。本文OCT系统选择具有很短相干长度（1～10μm）的宽带光作为光源，这使OCT系统具有较高的纵向分辨率[22]。OCT系统的光源决定了其所能实现的性能，除了选择宽带光源以提高系统纵向分辨率，OCT系统还较多地使用波长在700～1 500 nm的近红外光源。这是因为生物组织对近红外光的吸收和多次散射相对较弱，上述波长的光源可以增加生物组织的穿透深度，减少信号处理难度且获得更多生物信息。另外，由于生物组织的背散射光很弱，因此，在不损伤样品的前提下，OCT系统会选择功率高的光源，以得到更多的背散射光信号，提高OCT系统的探测灵敏度和成像质量。
1991年，美国MIT的Fujimoto小组首次提出OCT技术，并成功将OCT技术用于人体视网膜活体二维成像[7]。这意味着实现了活体生物的高分辨率实时成像，在当时的生物医学成像领域引起了不小的轰动。当时使用的是基于时域探测的点探测器和参考臂机械扫描为主的OCT系统，因此将这类OCT系统简称为时域OCT(TD-OCT）。图3给出了TD-OCT系统的结构示意图。TD-OCT系统类似于迈克尔逊干涉仪，是一个低相干系统。TD-OCT系统的光源多选用具有低相干性的宽带光。入射光在经过光纤耦合器后被分为两束光，一束光进入参考臂，经过准直透镜后射向可沿光轴移动的平面反射镜，作为参考光束，利用光学延迟线带动反射镜运动，可改变参考臂光程。另一路射向样品臂内，作为探测光束，由透镜系统聚焦在样品某一层面上，探测光束在样品不同深度上产生背散射信号光。探测光束在样品上产生的背散射光与经平面镜反射后的参考光束在光纤耦合器中发生干涉，这些干涉光中既有携带样品内部信息的信号光，也有一些光噪声，需要通过前期的相位调制和后期的解调来提高信噪比。另外，还可以利用偏振调制器通过改变扭矩来调整光在光线中传播的偏振方向，以获得最强的干涉信号。TD-OCT系统使用单点探测器来接收探测干涉信号，而单点探测器的特点是每次只能获得很少（在一个相干长度左右）的干涉信号，这就需要参考臂具有沿纵向扫描的能力，从而实现对不同深度样品信号的探测，再通过逐点的信号叠加，就可以得到样品的一维结构特征。再通过控制样品臂的横向扫描，改变其光斑位置，在空间上对样品进行二维扫描，就可以获得样品的断层扫描信号。探测到的干涉光信号经过放大器、带通滤波器、解调器、A/D转换器后，利用计算机进行数字图像处理就可以重新构建样品内部的二维层析图像和三维立体结构图像。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速线扫描OCT的可行性与光学成像特性的研究[J]. 李刚,任钊,林凌,吴开杰,郑羽. 中国生物医学工程学报. 2007(01)
硕士论文
[1]全光纤高速时域OCT系统研制[D]. 梁雨.天津大学 2010
本文编号：3301041
【文章来源】：中国光学. 2020,13(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
OCT系统的原理示意图
由干涉发生条件可知，只有当参考光与信号光的光程相等或光程差在光源相干长度之内时，重合的参考光和信号光才会产生干涉信号。由于窄带光具有较高的相干性，因此窄带光的相干长度较长无法实现较高的空间分辨率，而宽带光具有较低的相干性，相干长度较短。在光程差为零时有最佳干涉信号，随光程差增大，干涉信号快速衰减，如图2所示。若选择窄带光作为OCT系统的光源，由于相干长度较长，随着参考光与信号光光程差的变化，系统得到的干涉条纹的对比度不会产生明显变化，这就无法准确推断光程差的变化量。相反，若选择宽带光作为OCT系统的光源，由于相干长度较短，在相干长度内，随着参考光与信号光光程差的变化，系统得到的干涉条纹的对比度会产生较大的变化，而在相干长度之外时，因为不会发生干涉而得不到干涉条纹。因此，探测器能够灵敏地检测到光程差的变化，使OCT系统具有较高的定位精度。本文OCT系统选择具有很短相干长度（1～10μm）的宽带光作为光源，这使OCT系统具有较高的纵向分辨率[22]。OCT系统的光源决定了其所能实现的性能，除了选择宽带光源以提高系统纵向分辨率，OCT系统还较多地使用波长在700～1 500 nm的近红外光源。这是因为生物组织对近红外光的吸收和多次散射相对较弱，上述波长的光源可以增加生物组织的穿透深度，减少信号处理难度且获得更多生物信息。另外，由于生物组织的背散射光很弱，因此，在不损伤样品的前提下，OCT系统会选择功率高的光源，以得到更多的背散射光信号，提高OCT系统的探测灵敏度和成像质量。
1991年，美国MIT的Fujimoto小组首次提出OCT技术，并成功将OCT技术用于人体视网膜活体二维成像[7]。这意味着实现了活体生物的高分辨率实时成像，在当时的生物医学成像领域引起了不小的轰动。当时使用的是基于时域探测的点探测器和参考臂机械扫描为主的OCT系统，因此将这类OCT系统简称为时域OCT(TD-OCT）。图3给出了TD-OCT系统的结构示意图。TD-OCT系统类似于迈克尔逊干涉仪，是一个低相干系统。TD-OCT系统的光源多选用具有低相干性的宽带光。入射光在经过光纤耦合器后被分为两束光，一束光进入参考臂，经过准直透镜后射向可沿光轴移动的平面反射镜，作为参考光束，利用光学延迟线带动反射镜运动，可改变参考臂光程。另一路射向样品臂内，作为探测光束，由透镜系统聚焦在样品某一层面上，探测光束在样品不同深度上产生背散射信号光。探测光束在样品上产生的背散射光与经平面镜反射后的参考光束在光纤耦合器中发生干涉，这些干涉光中既有携带样品内部信息的信号光，也有一些光噪声，需要通过前期的相位调制和后期的解调来提高信噪比。另外，还可以利用偏振调制器通过改变扭矩来调整光在光线中传播的偏振方向，以获得最强的干涉信号。TD-OCT系统使用单点探测器来接收探测干涉信号，而单点探测器的特点是每次只能获得很少（在一个相干长度左右）的干涉信号，这就需要参考臂具有沿纵向扫描的能力，从而实现对不同深度样品信号的探测，再通过逐点的信号叠加，就可以得到样品的一维结构特征。再通过控制样品臂的横向扫描，改变其光斑位置，在空间上对样品进行二维扫描，就可以获得样品的断层扫描信号。探测到的干涉光信号经过放大器、带通滤波器、解调器、A/D转换器后，利用计算机进行数字图像处理就可以重新构建样品内部的二维层析图像和三维立体结构图像。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速线扫描OCT的可行性与光学成像特性的研究[J]. 李刚,任钊,林凌,吴开杰,郑羽. 中国生物医学工程学报. 2007(01)
硕士论文
[1]全光纤高速时域OCT系统研制[D]. 梁雨.天津大学 2010
本文编号：3301041
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3301041.html
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