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光學(xué)相干斷層掃描

更新時(shí)間：2022-10-11 | 點(diǎn)擊率：2422

光學(xué)相干斷層掃描

光學(xué)相干斷層掃描（Oct）是一種非侵入性、高分辨率的光學(xué)成像技術(shù)，其根據(jù)從被研究對(duì)象和局部參考接收的干涉信號(hào)來(lái)創(chuàng)建橫截面圖像。Oct通常用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于疾病診斷和治療監(jiān)測(cè)，以獲得特定器官的實(shí)時(shí)圖像，用于組織結(jié)構(gòu)的直接可視化。Oct系統(tǒng)的軸向深度分辨率在5-10µm范圍內(nèi)，可提供生物組織的活體“光學(xué)活檢"（圖1）。與共焦顯微鏡相比，光學(xué)相干斷層掃描（Oct）的軸向分辨率高100倍，并為體內(nèi)診斷提供了一種無(wú)標(biāo)記方法。雖然可以使用多種光源，但使用寬帶光源進(jìn)行光學(xué)相干斷層掃描（Oct）可以為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供一種具有成本效益的選擇，并為生物組織提供安全的能量水平。

圖1：光學(xué)成像分辨率比較

工作原理

Oct的主要思想是將深度信息編碼在從樣品反射的光中。深度信息可以通過(guò)Oct以幾種方法中的任何一種來(lái)提取。

這些方法屬于下面描述的兩大類(lèi)中的一類(lèi)。邁克爾遜型干涉儀用作任何Oct系統(tǒng)的基礎(chǔ)（圖2）。Oct的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)稱(chēng)為時(shí)域Oct（TD-Oct）。

TD-Oct的基本原理依賴(lài)于來(lái)自寬帶光源的光被分束器分成兩條路徑。在通過(guò)分束器之后，一束光束被引導(dǎo)到樣品，另一束光束被引導(dǎo)到移動(dòng)參考鏡。

來(lái)自參考臂的光在其移動(dòng)時(shí)將行進(jìn)特定的光程，并且由于光源的低相干長(zhǎng)度，將僅與在樣品臂中行進(jìn)相同光程的光形成干涉圖案。

反射鏡移動(dòng)時(shí)的干涉強(qiáng)度提供了深度分布圖（“ A掃描"）。通過(guò)光柵化A掃描的位置，干涉圖案可以產(chǎn)生體內(nèi)組織的二維（2D）和三維（3D）圖像。

傅里葉域Oct（FD-Oct）是從邁克爾遜干涉儀中產(chǎn)生的干涉中提取深度分布的另一種方法。

像時(shí)域Oct一樣，它利用來(lái)自參考鏡的反射和來(lái)自樣品的反射，但在這種情況下，參考鏡是靜止的。

通過(guò)例如使用光柵將光譜擴(kuò)展到陣列檢測(cè)器上來(lái)獲取重組光的光譜。深度信息被編碼在干涉信號(hào)的頻譜中。

一旦從干涉信號(hào)中收集了光譜信息，就通過(guò)傅里葉變換計(jì)算A掃描（深度分布）以產(chǎn)生高分辨率圖像。

Figure 2: OCT optical diagram

圖2：TD-Oct光學(xué)圖

自光學(xué)相干斷層掃描首/次推出以來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多增強(qiáng)功能。改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的努力一直持續(xù)到今天。

一個(gè)特別有前途的增強(qiáng)是使用自適應(yīng)光學(xué)來(lái)提高Oct圖像的清晰度。如圖1所示，自適應(yīng)光學(xué)相干斷層掃描（AO-Oct）

通過(guò)利用校正光波前的自適應(yīng)技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)性能。例如，在AO-Oct系統(tǒng)中使用可變形反射鏡代替標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)反射鏡，以減少當(dāng)前的像差，并產(chǎn)生2-5µm量級(jí)的更高軸向分辨率。

光路描述

Oct系統(tǒng)可以由如下所述的離散光學(xué)部件或者由它們的光纖等效物構(gòu)成。

1、光源：根據(jù)Oct的經(jīng)典原理，采用相干長(zhǎng)度較短的寬帶光源進(jìn)行成像。發(fā)射光的短相干長(zhǎng)度決定了Oct成像的軸向分辨率。

然而，諸如波長(zhǎng)掃描激光器的替代源可用于優(yōu)化給定樣品的頻率相關(guān)反射率，以獲得比使用TD-Oct可能的圖像質(zhì)量更好的圖像質(zhì)量。

根據(jù)樣品的不同，也可以使用特定的波長(zhǎng)范圍，例如可見(jiàn)光或紅外光來(lái)減少光散射。根據(jù)樣品選擇合適的光源可以?xún)?yōu)化Oct系統(tǒng)的性能。

2、分束器：在Oct中可以使用平板或立方體分束器將光分成兩個(gè)不同的路徑：參考光束和樣品光束。

分束器允許參考光束被反射到參考鏡，同時(shí)使用光學(xué)透鏡將樣本光束聚焦到樣本中。

3、介質(zhì)光學(xué)反射鏡：該反射鏡用于將參考光束反射到已知路徑長(zhǎng)度，并返回到干涉系統(tǒng)中。

TD-Oct系統(tǒng)中安裝的參考鏡將具有受控平移，以允許對(duì)樣品進(jìn)行軸向掃描。

在FD-Oct中，反射鏡是固定的。這些鏡子具有電介質(zhì)涂層，這對(duì)于反射應(yīng)用是理想的，因?yàn)殓R子具有大于99%的反射。

4、光學(xué)透鏡：標(biāo)準(zhǔn)平凸透鏡（PCX）可用于將分離的光束路徑聚焦到樣品和探測(cè)器中。

為了減少潛在的球面像差和色差，可以使用非球面或消色差透鏡。這些透鏡將以較小的光斑尺寸將光聚焦到樣品中，并減少像差，從而使Oct系統(tǒng)更加精確。

5、檢測(cè)器：在TD-Oct和某些類(lèi)型的FD-Oct的情況下，檢測(cè)器可以是單個(gè)光電二極管的形式，或者對(duì)于傳統(tǒng)FD-Oct，

檢測(cè)器可以是對(duì)從樣品和參考光束返回的輻射敏感的電荷耦合器件（CCD）或CMOS陣列。

6、變形鏡：AO-Oct專(zhuān)用。可變形反射鏡是一種自適應(yīng)光學(xué)器件，用于減少像差并提高圖像質(zhì)量，以獲得更高的分辨率。

反射鏡的形狀由外部信號(hào)控制，以校正波前，從而增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

圖像外觀

探測(cè)器記錄的輸出信號(hào)是深度掃描或通常稱(chēng)為A掃描或1D掃描（圖3）。A掃描描述了系統(tǒng)的軸向分辨率，它由光源的帶寬或相干長(zhǎng)度定義。

當(dāng)光源的帶寬減小時(shí)，軸向分辨率增加，從而增加系統(tǒng)的分辨能力。在收集A掃描之后，光束橫向移動(dòng)穿過(guò)樣品以收集B掃描。

B掃描提供橫截面結(jié)構(gòu)信息，該信息將基于干涉光信號(hào)的幅度、相位、頻移和偏振產(chǎn)生2D圖像。

通過(guò)收集每個(gè)B掃描的多個(gè)A掃描和每個(gè)3D體積的多個(gè)B掃描來(lái)形成3D或體積圖像。在軸向和橫向方向上收集的強(qiáng)度信息允許在后處理中形成3D圖像。

Figure 3: OCT image acquisition

圖3：Oct圖像采集

Oct系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像可用于觀察樣品中的多層結(jié)構(gòu)，例如眼睛的層（圖4）。例如，下圖顯示了右側(cè)視網(wǎng)膜的Oct圖像與左側(cè)2D數(shù)字視網(wǎng)膜圖像的對(duì)比。

Oct圖像更好地定義了視網(wǎng)膜組織密度的差異以及顏色強(qiáng)度的變化，例如，可以看到疤痕組織的形成。圖像中產(chǎn)生的色標(biāo)是樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)反射率差異的結(jié)果。

圖4：Oct視網(wǎng)膜圖像

Oct的應(yīng)用

應(yīng)用1：眼科

光學(xué)相干斷層掃描使臨床醫(yī)生能夠更好地診斷眼科疾病，如導(dǎo)致視力模糊的年齡相關(guān)性黃斑變性（AMD）（圖5）。

AMD的兩個(gè)原因是由于組織變薄導(dǎo)致的視網(wǎng)膜退化（干性AMD）或視網(wǎng)膜下滲漏血管的形成（濕性AMD）。

與以前僅提供定性數(shù)據(jù)的程序相比，Oct技術(shù)使醫(yī)生能夠定量表征視網(wǎng)膜組織形態(tài)的變化。

例如，光學(xué)相干斷層掃描（Oct）可提供分辨率為5-7µm的視網(wǎng)膜圖像，以跟蹤生物標(biāo)記物，如滲漏血管的形成。

還可使用光學(xué)相干斷層掃描（Oct）通過(guò)量化視網(wǎng)膜厚度和生物標(biāo)記物來(lái)跟蹤治療的有效性，以確定疾病是否正在進(jìn)展。

圖5：老年黃斑變性

應(yīng)用2：心臟病學(xué)

Oct適用的另一個(gè)領(lǐng)域是心臟病學(xué)，用于診斷心臟病發(fā)作的可能性。心臟病發(fā)作的主要原因之一是動(dòng)脈粥樣硬化，當(dāng)脂肪斑塊破裂，鈣在動(dòng)脈壁內(nèi)層積聚，

阻塞血流時(shí)，就會(huì)發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化。臨床醫(yī)生已轉(zhuǎn)向利用Oct技術(shù)在破裂前檢測(cè)易損斑塊。

光學(xué)相干斷層掃描（Oct）使醫(yī)生能夠以5-7µm的圖像分辨率觀察動(dòng)脈壁中的斑塊，以確定斑塊的大小、形狀和位置。

與血管造影術(shù)和血管內(nèi)超聲等其他診斷方法相比，光學(xué)相干斷層掃描（Oct）的高靈敏度可更好地進(jìn)行軸向穿透，以觀察破裂前的斑塊，從而實(shí)現(xiàn)早期診斷。

Edmund Optics®的光學(xué)相干層析成像

Edmund Optics®為Oct系統(tǒng)提供廣泛的光學(xué)器件。隨著Oct技術(shù)的進(jìn)步，Edmund Optics®將繼續(xù)擴(kuò)大我們的產(chǎn)品選擇和技術(shù)支持。

值得注意的Oct技術(shù)趨勢(shì)包括系統(tǒng)便攜性、可訪問(wèn)性和小型化。多模式Oct將顯微鏡或內(nèi)窺鏡等輔助技術(shù)與Oct、AO-Oct和基于微型Oct芯片的系統(tǒng)相結(jié)合，

是未來(lái)最/流行的Oct技術(shù)。這些先進(jìn)的Oct技術(shù)將繼續(xù)推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)、材料加工和其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新，Edmund Optics®將繼續(xù)支持這一應(yīng)用領(lǐng)域。