OCT技術(shù) 譜域和掃頻源

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OCT的全稱是Optical Coherence Tomography，即光學相干層析。它是光學中的超聲成像，將光脈沖打進樣品中，通過測量返回光的差值確定樣品結(jié)構(gòu)。這種構(gòu)想 zui 早 見于James Fujimoto實驗室David Huang等人zhu名的Science文章(1991年)。

從時域到傅里葉域

時域OCT是 zui 早 實現(xiàn)的。其主要問題是光速太快，不同深度的脈沖響應是無法測量的，所以要利用光源的相干性。下圖的時域裝置使用短相干光源，光進入兩干涉臂后分別打到固定和運動反射鏡上。如果光電探測器要探測到干涉信號，兩干涉臂長應該差不多，因此主要就是確定運動反射鏡的位置。這種方法叫做相干門(Coherence Gating)，可以抑制相干長度范圍之外的信號。

時域OCT及其測量信號

另一種是共聚焦門(Confocal Gating)。來自焦點位置的光可在針孔處成像，而焦點之外的光被抑制。如果使用很小的數(shù)值孔徑，這樣比共聚焦顯微鏡具有小很多的分辨率，但成像深度大很多。

時域裝置一般以寬帶超輻射發(fā)光二極管(SLD)作為光源，通過光纖耦合器分光后分別輸入?yún)⒖急酆蜆悠繁?，而參考臂以軸向掃描給出不同的深度。樣品的橫向掃描則可通過振鏡或MEMS掃描儀執(zhí)行。干涉儀中的光纖本身就相當于針孔，所以不用額外執(zhí)行共聚焦原理。

A-Scan

B-Scan

Volumn

En-face

傅里葉域比時域OCT只晚幾年，但它經(jīng)過了比較長的時間后才開始迅速發(fā)展。它能采集多個波長的干涉信號，而且所有深度和波長的干涉能整合在一起。對于多層樣品，每一層都能產(chǎn)生干涉信號，實際觀測的結(jié)果是這些信號的疊加，通過頻率分析可得到深度信息。

傅里葉域OCT及其測量信號

傅里葉域OCT有兩種技術(shù)方案：譜域(SD)和掃頻源(SS)。

SD-OCT通過SLD等寬帶光源采集和波長相關(guān)的干涉，使用光譜儀探測信號。它以共路干涉儀為基礎(chǔ)，參考臂和樣品臂彼此非常接近。這種配置機械穩(wěn)定性高，大部分組件都是固定的，沒有光纖運動什么的影響干涉效應。光譜儀用線掃描相機隨時間采集信號，所以速率被限制在幾百kHz，在每次A-Scan過程中同時采集所有波長的信號。

譜域OCT

裝置圖和測量信號

SS-OCT使用可調(diào)諧激光，所以干涉儀依次得到所有波長。干涉儀兩輸出信號都進入平衡探測器進行相減得到干涉信號。信號隨時間累積，逐個得到所有的波數(shù)。由于平衡探測，所以需要數(shù)字轉(zhuǎn)換器。采集速率通常比譜域OCT快一點，甚至可能高很多，達到MHz速率。掃頻源OCT還可能需要k-clock，這通常是一個固定波長的馬赫增德干涉儀(MZI)，用于提供采樣時間點。

掃頻源OCT

裝置圖和測量信號

OCT技術(shù)參數(shù)

di一個參數(shù)是軸向分辨率，取決于干涉條紋的光譜寬度。采集的光譜越寬，軸向分辨率越高。對于下面的三種不同深度的光譜，如果光譜太窄，三個峰就不那么好區(qū)分。

光譜越寬，

分辨率越高，

geng好區(qū)分不同深度層。

這意味著什么呢？對于譜域系統(tǒng)，光譜儀和光源(比如SLD)的帶寬決定分辨率。因為譜域系統(tǒng)很好合成兩個SLD的光譜，通常更容易實現(xiàn)高分辨率，也能使用超連續(xù)光源提供更高的分辨率。對于掃頻源，激光的調(diào)諧范圍決定軸向分辨率，所以要提高分辨率在技術(shù)上要難很多。

di二個參數(shù)是橫向分辨率，用于表示分辨不同橫向掃描位置的水平。對于高斯光束，束腰越小，分辨率越高。提高分辨率有兩種方法：一是使輸入透鏡的光束直徑變寬，二是減小焦距。它們都會影響束腰和瑞利長度(兩者成正比)，而瑞利長度決定以 zui 佳 分辨率進行成像的深度。當然，束腰和瑞利長度也和中心波長有關(guān)。

di三個參數(shù)是測量深度。它shou先受限于聚焦長度，也與穿透深度有關(guān)。波長越短，橫向分辨率越高，但在生物組織中的散射也越大。

技術(shù)測量范圍則與條紋空間頻率有關(guān)。如果測量深度要高，條紋要達到非常高的空間頻率。對于譜域系統(tǒng)，這取決于光譜儀配置的帶寬和像素數(shù)量，還有光譜儀的光學元件質(zhì)量，以此把條紋成像在光譜相機上。對于掃頻源系統(tǒng)，既有瞬時線寬的作用，還有電子學的因素，比如數(shù)字轉(zhuǎn)換頻率、掃頻速率和電子濾波器都需要匹配2D測量深度。

如果沒有理想的相干長度或光譜儀圖像，在高頻下會降低對比度，導致信號的滾降(roll-off)。滾降對于譜域系統(tǒng)一般更高，而掃頻源系統(tǒng)使用單頻激光，所以技術(shù)測量范圍遠超過譜域系統(tǒng)。

條紋空間頻率越高，成像越深

第四個參數(shù)是相位穩(wěn)定性。基于光譜儀的譜域系統(tǒng)通常具有非常穩(wěn)定的機械性能，不會引起相位的抖動。但對于掃頻源，嚴格控制每個部件才能得到相位穩(wěn)定的測量結(jié)果。這是由于觸發(fā)抖動、不wan全可重復的激光掃頻或k-clock的干擾。

平衡探測和圖像失真

OCT信號來自樣品光和參考光的干涉。但樣品光也會和自身發(fā)生干涉，產(chǎn)生自相關(guān)信號，參考光也會和自身發(fā)生干涉，產(chǎn)生DC信號，而樣品光和參考光反過來也會產(chǎn)生共軛信號光，因此每次OCT掃描將產(chǎn)生四種信號。譜域系統(tǒng)通常不好區(qū)分這些信號而出現(xiàn)圖像甚至，但掃頻源使用平衡探測，可通過相減xiao除符號相同的自相關(guān)和DC信號。

四種信號或噪聲                                譜域測量結(jié)果

下面兩圖分別是使用譜域和掃頻源系統(tǒng)采集的思高膠帶圖像。譜域圖像頂部有自相關(guān)噪聲，但軸向分辨率更高，層次更清楚。掃頻源圖像沒有失真，而且成像深度更大。

譜域OCT圖像：高軸向分辨率、低深度

掃頻源OCT圖像：低軸向分辨率、高深度

這些區(qū)別都是技術(shù)上的，而不是原理上的。隨著技術(shù)的發(fā)展，這些情況都有可能改變。對于譜域的大部分特性，在某種程度上掃頻源也能有。

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