OCT：從原理到關(guān)鍵參數

一、什么是OCT？

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種三維成像技術(shù)，可以在散射介質(zhì)中進(jìn)行高分辨率成像，無(wú)需接觸樣品或使用任何耦合介質(zhì)。OCT的橫向成像分辨率可達到幾微米，成像深度可達幾毫米。OCT能夠提供樣品表面輪廓和次表面結構（即表面以下的結構）及樣品均勻性的信息，從而實(shí)時(shí)提供準確的信息用于診斷、監測和現場(chǎng)過(guò)程反饋。因此，OCT已經(jīng)在眼科、皮膚科、血管造影等生物成像領(lǐng)域得到了應用，并且在材料檢測和無(wú)損檢測中作為超聲波的強大替代技術(shù)。

二、OCT的工作原理

OCT依賴(lài)于樣品不同區域的背向散射光來(lái)生成3D圖像。它使用不同的定位技術(shù)來(lái)獲取軸向（沿光束方向或進(jìn)入樣品的z軸）和橫向（垂直于光束的平面或樣品的x-y軸）信息。軸向信息是通過(guò)估計從樣品中的結構或層反射的光的時(shí)間延遲來(lái)獲得的。這種技術(shù)類(lèi)似于生成超聲波圖像的技術(shù)，但使用的是光而不是聲音。由于光速極快，直接測量反向散射光的時(shí)間延遲并不容易。因此，OCT系統使用低相干干涉技術(shù)間接測量時(shí)間延遲。

1.移動(dòng)參考臂實(shí)現OCT測量

在低相干干涉儀中，使用具有寬光譜帶寬的光源進(jìn)行照明。光源發(fā)出的光被分束器分成兩條路徑，稱(chēng)為參考臂和樣品臂。來(lái)自每條臂的光被反射并在檢測器處結合。只有當參考臂和樣品臂的光程幾乎相等時(shí)，檢測器上才會(huì )出現干涉效應。因此，干涉現象的出現可以被用來(lái)進(jìn)行光程的相對測量。

光學(xué)相干斷層掃描就是將樣品臂中的鏡子替換為待成像的樣品。然后對參考臂進(jìn)行掃描，并在檢測器上記錄得到的光強度。當鏡子幾乎與樣品中的某個(gè)反射結構等距時(shí)，會(huì )出現一定的干涉圖案，從而獲得樣品對應位置的結構信息。顯然在參考鏡移動(dòng)的過(guò)程中，兩次干涉發(fā)生對應的參考鏡位置之間的距離對應于測量光路中樣品兩個(gè)反射結構之間的光學(xué)距離。當光束穿過(guò)樣品時(shí)，不同的位置的結構會(huì )通過(guò)上述低相干干涉記錄的反射量被記錄下來(lái)，從而得到測量樣品的散射信號和深度之間的函數關(guān)系。

把 OCT 中使用的寬帶光源光束聚焦到一個(gè)小點(diǎn)（約幾微米），并在樣品上進(jìn)行x-y掃描，同時(shí)使用干涉測量收集深度信息，這樣可以構建樣品的完整 3D 圖像。

2.傅里葉域OCT

傅里葉域OCT（FD-OCT）提供了一種更高效的方法來(lái)實(shí)現上述低相干干涉。傅里葉域OCT（FD-OCT）并不是像上邊提到方法那樣在參考鏡的不同位置記錄強度，而是將強度記錄為光的波長(cháng)（或頻率=光速/波長(cháng)）的函數。不同頻率的光強度變化率反映樣品中不同反射層的位置信息?？梢宰C明，光譜干涉數據的傅里葉變換提供的信息相當于移動(dòng)參考鏡所獲得的信息。

3.傅里葉域OCT測量光譜干涉的兩種常用方法

光譜域光學(xué)相干斷層掃描（SD-OCT：Spectral Domain Optical coherence Tomography）：寬帶光源向樣品發(fā)出包含很多多波長(cháng)成分的光譜管，并使用光譜儀同時(shí)測量所有波長(cháng)。

掃頻源光學(xué)相干斷層掃描（SS-OCT：Swept Source optical coherence tomography）：光源在一系列波長(cháng)范圍內進(jìn)行掃頻，檢測器的時(shí)間輸出被轉換為光譜干涉。

傅里葉域OCT相對于干涉儀中樣品臂鏡的移動(dòng)擁有更快的成像速度，因為樣品的所有反射都被即時(shí)的同時(shí)測量出來(lái)的。傅里葉域OCT引入的速度提升為該技術(shù)開(kāi)辟了全新的應用領(lǐng)域。通過(guò)商業(yè)化的設計，傅里葉域OCT可以輕松獲得實(shí)時(shí)視頻、面下OCT成像，使其廣泛用于用于諸如過(guò)程監控和手術(shù)引導等對實(shí)時(shí)性要求比較高的領(lǐng)域之中。

三、OCT系統的關(guān)鍵參數

1.分辨率

OCT系統的軸向和橫向分辨率是獨立的。

軸向（深度）分辨率與光源的帶寬（相干長(cháng)度）有關(guān)。對于高斯形光譜，軸向分辨率 (λc) 由以下公式給出：

其中：λ是中心波長(cháng)，Δλ 是光源的帶寬。

需要注意的是，這個(gè)光譜是指在探測器上測量到的光譜，可能與光源的發(fā)射光譜不同，這是由光學(xué)元件和探測器本身的響應造成的影響所致。需要注意的是，嚴格來(lái)講上述公式僅適用于高斯形光譜，對于其他光譜形狀僅可作為一個(gè)分辨率估算參考。對于任意已知形狀的光譜，應估算軸向擴展函數以了解可實(shí)現的分辨率和可能的邊帶。下圖中的軸向分辨率方程的圖顯示了三個(gè)不同中心波長(cháng)的情況，展示了光源帶寬對近紅外常用工作帶中的軸向分辨率的影響

2.成像深度

OCT（光學(xué)相干斷層成像）的成像深度主要受光源在樣品中的穿透深度限制。此外，在傅里葉域OCT中，深度還受到光譜儀有限像素數和光學(xué)分辨率的限制。如前所述，傅里葉域OCT中的圖像是在傅里葉變換光譜干涉數據后獲得的。傅里葉變換后的總長(cháng)度或深度受光譜數據采樣率的限制，并遵循奈奎斯特定理。

具體來(lái)說(shuō)，光譜數據采樣率（或采樣密度）指的是在給定的波長(cháng)范圍內，光譜儀所能分辨和記錄的波長(cháng)點(diǎn)的數量。更高的采樣密度意味著(zhù)在相同的波長(cháng)范圍內有更多的采樣點(diǎn)，從而可以獲得更高的分辨率和更大的成像深度。

由N個(gè)像素采樣的總帶寬（Δλ）給出了波長(cháng)采樣率δλ = Δλ/N。由于傅里葉變換將頻率與時(shí)間關(guān)聯(lián)起來(lái)，我們可以將波長(cháng)轉換為頻率，δν = cΔλ /λ2。奈奎斯特定理表明，傅里葉變換數據中的zui大時(shí)間延遲將是tmax = 1/2 δν，而數據中的zui大深度將是zmax = c* tmax。通過(guò)結合這些，傅里葉域OCT中可實(shí)現的zui大成像深度為：

3.靈敏度隨深度的變化關(guān)系

在傅里葉域OCT中，理論上靈敏度取決于反射目標的位置。zui大靈敏度出現在樣品光和參考光之間光程正好相等的點(diǎn)，即零延遲差點(diǎn)附近，并且隨著(zhù)我們遠離零延遲點(diǎn)而減小。這種損失是由光譜儀的有限像素大小和有限光學(xué)分辨率導致的?？梢宰C明，靈敏度與深度的關(guān)系如下：

其中

R(z)：隨深度變化的靈敏度。

z: 深度，通常指光在樣品中傳播的距離。

ρ: 一個(gè)與光譜儀分辨率和光源帶寬相關(guān)的常數，具體定義依賴(lài)于系統的設計。

W=δλ/Δλ: 其中δλ是波長(cháng)采樣率（光譜儀的分辨率），Δλ是總帶寬

sin(ρz): 表示由于光譜儀有限像素引起的調制效應。

sin(ρz)/(ρz): 表示由于有限像素引起的調制效應的歸一化形

exp[-z^2/(wρ)] : 指數衰減項，表示由于光譜儀有限光學(xué)分辨率引起的衰減效應。

通過(guò)這個(gè)公式可以看出，OCT的靈敏度隨著(zhù)分子深度z^2的增加而減小，這種減小是由光譜儀的有限像素和光學(xué)分辨率共同決定的。

4.信噪比

信噪比一般定義為信號功率與噪聲功率的比率，噪聲功率用其方差來(lái)定義。 OCT的主要噪聲來(lái)源有：

A，探測器噪聲，主要來(lái)自電子元件的熱波動(dòng)。

B，由于光子到達和探測器檢測的內在方差產(chǎn)生的散粒噪聲。

C，光源的相對強度噪聲 (RIN)。

理想的OCT系統，應該是其探測器和強度噪聲都被zui小化掉了，在散粒噪聲域內工作，其性能僅受限于到達探測器的光子數量。

5.OCT的靈敏度

在光學(xué)相干斷層掃描 (OCT) 中，靈敏度指系統檢測樣本反射zui微弱信號的能力。數值上，靈敏度是使信號達到信噪比 (SNR) 為1時(shí)的信號衰減程度，即信號強度等于系統固有噪聲的點(diǎn)。

6.分貝 (dB) 單位的測量

信噪比或靈敏度常用分貝 (dB) 表示。物理量的dB單位對應10log(Pa/Pb)。光學(xué)測量中，光功率 (P) 與光電探測器輸出電流 (I) 成正比，但電功率與I2成正比，因此考慮光功率時(shí)，OCT的SNR和靈敏度測量用20log(Pa/Pb)。

7.速度

OCT系統的速度取決于到達探測器的光量。速度與系統積累足夠光子的時(shí)間直接相關(guān)。其他限制因素包括各部件自身參數的限制，例如：基于光譜儀的光譜域OCT系統速度受相機傳感器和電子元件限制。對于掃頻光源傅里葉域OCT，掃頻激光源的速度常是限制因素。盡管SS-OCT常因速度被選擇，近年來(lái)相機速度的進(jìn)步開(kāi)始縮小這一差距。

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