使用800nm OCT光譜儀實(shí)現超深OCT成像

傳統上，OCT成像需要使用更長(cháng)的波長(cháng)來(lái)探測單次掃描中超過(guò)幾毫米的深度，但波長(cháng)超過(guò)1100nm之后，就需要使用InGaAs探測器相機作為探測元件了，這是的整個(gè)OCT光譜儀的成本大幅增加。為此，美國Wasatch公司開(kāi)發(fā)了一種擁有專(zhuān)li的光譜儀，使其能夠使用800 nm OCT光譜儀實(shí)現高達12毫米的成像深度，為長(cháng)距離成像在眼科、醫學(xué)和無(wú)損檢測中的經(jīng)濟高效應用開(kāi)辟了新可能。

在眼科中，長(cháng)距離成像有利于對整個(gè)前房（從角膜到晶狀體）的檢查，因為它允許在更短的時(shí)間內獲得更完整的眼睛圖像。如果配置得當，它甚至可以用于對整個(gè)眼睛進(jìn)行成像。它還促進(jìn)了視網(wǎng)膜的廣域成像，視網(wǎng)膜的曲率需要更大的成像深度，尤其是在患者不太可能保持靜止的臨床環(huán)境中。

在醫學(xué)中，長(cháng)距離OCT在血管內和胃腸道應用中的腔內成像方面可以帶來(lái)巨大好處。在這種情況下，感興趣的結構可能距離成像導管超過(guò)幾毫米，因此超出了典型的OCT成像窗口。較長(cháng)的成像深度可以補償成像探頭與感興趣區域之間距離的變化，從而促進(jìn)更好的成像效果。

總體來(lái)講，成像更深的能力有助于廣域成像，因為可以在單次掃描中捕捉到曲面輪廓和結構的全貌。這對于材料加工應用中的無(wú)損檢測非常有用，因為某個(gè)待檢測的槽或孔可能很深，此外還可以用于在增材制造中對復雜表面進(jìn)行輪廓分析。

波長(cháng)與成本的平衡難題

但目前主流方式有兩種：掃頻源光學(xué)相干斷層掃描（SS-OCT：Swept Source Optical coherence Tomography）和光譜域光學(xué)相干斷層掃描（SD-OCT：Spectral Domain optical coherence tomography）。這兩種方法都使用多波長(cháng)激光照射樣品，然后測量返回的不同波長(cháng)的散射光，通過(guò)對光譜進(jìn)行傅里葉變換來(lái)檢測不同深度的結構。不同的是SS-OCT使用掃頻激光器對波長(cháng)進(jìn)行逐一掃描，并使用單點(diǎn)光電探測器捕捉信號，而SD-OCT則使用寬帶光源加高分辨OCT光譜儀的組合來(lái)實(shí)現測量。

在SD-OCT系統中，寬帶激光（有一半是SLD，SLED或超連續譜光源）被分成兩條路徑：一路通向參考臂，另一路通向待測樣品。來(lái)自這兩條路徑的光重新組合并干涉，產(chǎn)生的條紋圖案由光譜儀讀取，光譜儀將每個(gè)波長(cháng)的光纖轉化成數字信號輸出。

當需要大于5毫米的成像深度時(shí)，會(huì )選擇更長(cháng)的中心波長(cháng),1300 nm就是這個(gè)穿透深度的OCT的首xuan波長(cháng)。美國Wasatch公司的Cobra 1300光譜儀系列提供1.4-11.5毫米的成像深度（在空氣中），具體取決于帶寬。然而，隨著(zhù)帶寬的增加，成像深度減小。因此，當需要更深的成像時(shí)，使用帶寬較窄的系統。盡管1300 nm OCT為許多結構的大深度成像提供了足夠的深度，但使用這種波長(cháng)需要用到InGaAs相機，InGaAs相機相對于于800 nm SD-OCT的ccd或cmos相機要昂貴得多。通過(guò)使用較短的中心波長(cháng)（CWL），光譜儀成本可以降低約40%，但必須也要減少帶寬（BW）以保持相同的空間分辨率。

但要想使用800 nm中心波長(cháng)的寬帶光源進(jìn)行長(cháng)距離成像系統，則工作光譜帶寬需降至30 nm以下，才可以在12毫米的成像深度中保持等效的空間分辨率。這就對光譜儀的分辨率提出了高要求：光譜分辨率需低于0.02 nm！

使用Wasatch Cobra-S 800 OCT光譜儀進(jìn)行長(cháng)距離成像

為了將長(cháng)距離成像的優(yōu)勢應用于800 nm SD-OCT，美國Wasatch公司運用了在光譜儀設計方面的專(zhuān)業(yè)知識，開(kāi)發(fā)了一款具有超精細光譜分辨率的OCT光譜儀。這種擁有專(zhuān)li的光學(xué)設計的光譜儀就是Cobra-S 800光譜儀系列中的新型號CS800-841/28。它能夠在841 nm的中心波長(cháng)上以28 nm的帶寬實(shí)現0.015 nm的分辨率。這使得使用這款OCT光譜儀的系統的成像深度可以擴展到12毫米，將傳統800nm SD-OCT的范圍足足擴大了三倍。

美國Wasatch公司Cobra-S 800長(cháng)距離成像型號OCT光譜儀通過(guò)優(yōu)xiu的光學(xué)設計做到了接近衍射極限的光學(xué)分辨率，并通過(guò)低串擾探測器將滾降（roll-off）降到非常低的水平。10毫米成像深度下的滾降小于12 dB，即使在擴展深度下也能確保高清晰度圖像?？臻g分辨率與Wasatch Cobra 1300系列中的可比型號相似，甚至略好。

由于Cobra-S 800長(cháng)距離成像型號的中心波長(cháng)較短，組織中的散射會(huì )更高，盡管水中的吸收會(huì )更低。這可能會(huì )略微改變結構的對比度，在某些情況下可能會(huì )改善區分，例如某些內視網(wǎng)膜結構如神經(jīng)節細胞。

總結：

通過(guò)在更具成本效益的操作波長(cháng)下提供可比的圖像分辨率，800 nm的長(cháng)距離成像有可能為長(cháng)距離成像在眼科、醫學(xué)和工業(yè)中的實(shí)際應用開(kāi)辟新的機會(huì )。

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