OCT关键技术调研专业资料.doc
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1、从四个方面简介:1、OCT简介;2、OCT技术应用;3、国内外研究团队简介;4、国内外厂商及产品简介。一、OCT简介 光学相干层析(Optical Coherence Tomography,简称 OCT)是 20 世纪 90 年代初发展起来低损、高辨别、非侵入式医学、成像技术。它原理类似于超声成像,不同之处是它运用是光,而不是声音。相比其他某些成像技术,例如超声成像、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)、X-射线计算机断层(X-ray Computed Tomography,CT)等,OCT 技术具备与之相比较高辨别率(几微米级),同步,与共聚焦显微(C
2、onfocal Microscopy)、多光子显微技术(Multiphoton Microscopy)等超高辨别技术相比,OCT 技术又具备与之相比较大层析能力,如图1所示。可以说 OCT 技术弥补了这两类成像技术之间空白,在眼科、皮肤、胃肠道、肾脏、血管等诸多领域有着广泛应用前景。图1 OCT 与其他成像技术对比OCT 技术手段方面,依照探测信号类型不同,OCT 重要有两种技术手段:时域 OCT(Time Domain OCT,TD-OCT)和频域 OCT(Fourier Domain OCT, FD-OCT)。1、时域OCT技术光学相干层析成像系统结合了低相干干涉和共焦显微测量特点。系统选
3、用光源为宽带光源,惯用是超辐射发光二极管(SLD)。光源发出光经22耦合器分别通过样品臂和参照臂照射到样品和参照镜,两个光路中反射光在耦合器中汇合,而两臂光程差只有在一种相干长度内才干发生干涉信号。同步由于系统样品臂是一种共焦显微镜系统,探测光束焦点处返回光束具备最强信号,可以排除焦点外样品散射光影响,这是OCT可以高性能成像因素之一。把干涉信号输出到探测器,信号强度相应样品反射强度,通过解调电路解决,最后由采集卡采集到计算机进行灰度成像。图2 时域OCT基本光路OCT 成像主旨就是要得到样品不同深度反射率分布。如果参照镜处反射率一定,那么由于样品构造不均匀性,从样品不同深度散射回来光强度就不
4、同,因此当两臂光相遇时产生干涉信号里就带有样品不同深度光反射率信息。由宽带光源低相干性可知,OCT干涉仪可以获得较窄相干长度,保证轴向扫描成像辨别率在微米级。对于窄带光源,如图3(a)所示,由于其相干长度很长,在相称大光程差范畴内都能输出干涉条纹变化。这样干涉条纹对比度与两臂光程差变化几乎无关,无法拟定零级条纹位置,则无法找到等光程点,失去了精准定位功能。而对于宽带光源而言,如图3(b)所示,只有当两臂光程差在这个很短相干长度之内时,探测器才干检测到干涉条纹对比度变化。并且,在对比度最大地方相应着等光程点,随着光程差增长,对比度迅速锐减,因而具备较好层析定位精度。于是可移动参照臂反射扫描镜,来
5、寻找变化后平衡点,通过测量反射扫描镜变化先后位移即可测得相应光纤传感器长度变化。图3 窄带光源与宽带光源相干长度比较由于光源为低相干宽带光源,故其相干长度极短。而只有当参照臂和测量臂光程差在光源一种相干长度之内时,背向散射光和参照光才会产生干涉,且当光程差接近零时才具备最大相干强度。因而,随着参照镜轴向移动,可选取样品中与之光程相等层来进行成像,而其她层信息将被滤掉,从而实现了层析成像。图4所示为一种简朴组织一次纵向扫描成果。此样品组织由两层构成,折射率分别为n1和n2,与空气折射率 n 不同。样品臂中,在两种不同折射率介质交界面处会发生反射。当参照臂反射镜扫描时,探测器输出端可以看到两个干涉
6、信号。其中第一种干涉信号相应着空气与组织层1交界面,第二个干涉信号相应着组织层1与组织层2交界面。在载波频率处解调,就可以得到原始干涉信号光强。通过沿样品表面 X 方向和 Y 方向移动样品臂可以获得样品三维图像。图4 OCT 纵向扫描示意图2、频域OCT技术频域 OCT 在近年来徐徐取代了时域 OCT,其重要因素在于其无需在参照臂中进行光程扫描,直接一次性获取纵向扫描。如此,频域OCT 系统成像速度将得到极大提高。时域 OCT 采集是随参照臂光程变化强度信号,它每一种纵向扫描时间都等于参照臂光程变化一种周期时间。频域 OCT 参照臂无需扫描,它一次性地采集某一横向位置深度方向干涉光谱信号,也就
7、是频域信号。深度方向时域信号就编码在这个光谱里。每一种纵向扫描实际就相应一种干涉光谱,对光谱做傅里叶变换即可恢复出时域信号。频域 OCT 省去了老式时域 OCT 当中深度扫描时间,极大提高了成像采集速度。获得干涉光谱当前重要有两种办法,一种是基于光谱仪,另一种是基于扫频光源。前者咱们称之为光谱频域 OCT(Spectral Domain OCT, SD-OCT),后者咱们称之为扫频 OCT(Swept Source OCT, SS-OCT)。如图5所示,SD-OCT是通过一种基于光栅和透镜光谱仪,将干涉信号分光再聚焦到线阵电荷耦合元件harge-Coupled Device,CCD)上获得干涉
8、光谱。如图6所示,SS-OCT则是通过采用一种输出波长随时间高速扫描扫频光源,再通过探测器记录下每一波长信号进而得到干涉光谱。图5 基于光谱仪频域OCT基本光路图6 基于扫频光源频域OCT基本光路2.1光谱频域OCT技术原理如图3所示,若光源是一种具备高斯线型宽带低相干光源,假设其光谱功率密度表达为 s(k)。此外,样品臂不再是单一反射镜面,而是一种具备多层构造物质,每层有不同反射率。检测到信号表达式为:上式中,R 代表参照臂反射率,、分别代表样品第 i、j 层反射率。表达样品第 i 层与参照臂光程差,表达样品第 i层与第 j 层之间光程差。上式前两项依然表达直流本底项,第三项是互相干项,表达
9、样品不同层反射光与参照光干涉信号,第四项是自有关项,表达样品不同层之间干涉。表达对于不同波数光光强,可以通过测量干涉信号光谱得到。要得到样品内部深度方向构造信息,也即反射率信息,咱们还需要将上式从波数域(k)变换到空间域(z)。对上式做傅里叶变换可以得到上式中,表达光源光谱做傅里叶变换后形式,也是光源相干函数包络。z 表达样品某层与参照臂光程差,如果将零光程差点放置在样品表面,z 表达信号距离样品表面距离,也即深度。前两项依然是直流项,出当前 z=0 位置,第三项反映样品深度方向信息,不同层反射率信息都记录在该项中。最后一项是自有关项,由于样品中各层反射率普通比较小,远远不大于参照臂反射率,故
10、此项较小,且出当前 z=0 位置附近。系统测量臂进行横向扫描,对每个横向扫描位置采集到干涉光谱信号进行傅里叶变换,最后拼接在一起,就能得到样品各层横截面图像。频域 OCT 探测原理可以用图7来阐明。参照臂和样品臂返回干涉信号被光栅分光、聚焦后打在线阵CCD 上,CCD每一种像素都接受某波长干涉光谱,由于受到光程差调制,CCD上会接受到明暗相间振荡信号,振荡频率取决于样品与参照臂光程差。对该信号做逆傅里叶变换后即可恢复出样品深度方向构造信息。图7 频域 OCT 探测原理2.2扫频OCT技术原理扫频OCT技术与在光通信领域广泛使用光学频域测距(OFDR)技术在原理上是相通。在大多数使用单点探测器扫
11、频OCT系统中,干涉光谱强度如式所示,其中,为从参照臂返回到探测器光功率,为照射到样品上光功率,和分别代表样品深度方向上反射系数幅度和相位,为光源相干函数,代表随时间变化波数,z代表样品深度坐标。在上式等号右边,第一项代表从参照臂返回光强,第二项为从样品各层返回光强以及样品各层之间干涉光强,前两项代表会对最后得到图像形成干扰背景噪声信号,普通称第一项为直流项,称第二项为自有关项,第三项为参照臂与样品各层之间干涉光强,即扫频光学相干层析系统探测到有效干涉光谱信号,对此干涉光谱数据进行傅立叶变换,即可实现从波数空间到深度空间转换,获得深度辨别样品散射强度信息。对干涉光谱信号进行傅立叶变换之后表达式
12、如式所示:其中,为光源功率谱,AC项为自有关项FFT之后成果。如图8所示为扫频OCT技术原理示意图。依照维纳辛钦定理,信号自有关函数和功率谱密度是一对傅立叶变换对,对于扫频OCT技术而言,通过探测样品光与参照光干涉光谱信号,基于傅立叶变换信号解决即可恢复样品各层信号和参照镜信号自有关信号,反映样品内部构造。图8扫频OCT原理示意图2.3时域OCT、光谱频域 OCT、扫频OCT对比老式时域OCT直接测量干涉信号,而傅立叶域OCT测量干涉信号光谱,通过对干涉光谱信号进行傅立叶变换重建OCT轴向扫描信号。虽然这种傅立叶域OCT探测方式需要光谱探测装置和额外信号解决环节,其长处在于样品中所有深度位置信
13、号同步被探测,而不是老式时域OCT探测技术中需要对样品进行逐点深度扫描,先后探测样品各个深度位置处信息。在系统成像速度和敏捷度方面均有明显提高。扫频OCT与谱域OCT基本原理是相通,在谱域OCT系统中,光源使用宽带光源,探测某些基于光栅将宽带干涉信号不同光谱成分投射在线阵CCD不同像素上,CCD一次曝光记录一组完整干涉光谱信号。与扫频OCT中干涉光谱信号是按照时间先后获取不同,谱域OCT系统将干涉光谱信号编码在不同空间位置上。谱域OCT系统中使用CCD是硅基光子探测材料,在800nm波段有很高敏捷度响应,而在高于1000nm波段敏捷度迅速下降。虽然谱域OCT在对弱散射组织例如眼睛成像方面有接近
14、完美体现,但由于随着波长变短,光散射效应迅速加大,使工作在800nm波段谱域OCT不适合对散射组织进行成像。例如,对上皮组织进行成像在医学诊断领域很有价值,由于人体癌症细胞多来源于管腔组织(如结肠、食道)上皮组织。在上皮组织中,密集分布细胞器(如线粒体、细胞核、细胞膜)可看作一种高散射介质,限制了800nm波段光学成像穿透深度。类似地,诸各种非生物材料对较短波长光波也体现出很强散射效应。由于一系列光通信器件(如半导体光放大器、光纤及其光纤型光电器件、hiGaAS探测器)商业化,扫频OCT系统可以搭建成为工作在1000nm、131onln或1550nm波段成像系统。因而,能运用较长波长光波对高散
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