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OCT光学相干断层扫描

发布:滨松光子学商贸(中国)有限公司
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光学相干断层扫描(optical coherence tomography)属于医学成像的一种。自从1991年David Huang 研究小组在《Science》 杂志上提出该方法后,广泛应用于生命科学和临床医学检测中[1],比如应用在眼科疾病、牙齿组织/皮肤组织结构、心血管疾病、组织癌变检测等方面。在其他应用领域如工业方面,也可进行机械件检测、薄膜检测、珠宝真伪鉴别等。下图列举了几种典型的成像方法在成像深度和分辨率上的对比。相比其他的一些医学成像技术,OCT优势主要分为两点:一是分辨率;二是既可以在体成像也可以体外成像[2]


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Wiki百科上关于OCT有如下解释:光学相干层析成像(OCT)是一种利用低相干光从光散射介质(如生物组织)中获取微米级分辨率、二维和三维图像的成像技术。它用于医学成像和工业无损检测(NDT)。光学相干层析成像是基于低相干干涉测量,通常使用近红外光。使用相对较长的波长的光可以穿透散射介质。


为什么使用近红外光?


OCT在生物医学上应用非常广泛,生物组织内的成分(黑色素、水、血红蛋白等)对光有散射和吸收。如下图,为得到更好的光信号zui好选择ZX波长为700~1400nm左右的光[3]


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为什么要干涉?


OCT原理和超声类似,光波类比声波,测量光在生物组织中传播后单次背向散射光的回波信号,处理得到图像。因为光速太快,无法直接探测,同时由于单次背向散射光仍具有相干性,采用迈克尔逊干涉仪技术,将这种散射光和参考镜反射的参考光耦合叠加,获取干涉信息。通过干涉测量的方法可以比较容易的得到组织内部结构信息。


OCT的类型


根据探测信号类型的不同,OCT主要有两种技术:时域 OCT(Time Domain OCT,TD-OCT)和频域 OCT(Fourier Domain OCT, FD-OCT),其中频域OCT又分为光谱频域 OCT(Spectral Domain OCT,SD-OCT)和扫频 OCT(Swept Source OCT,SS-OCT)。


时域TD-OCT


时域OCT通过调节参考反射镜光程,获得样品中与之相等位置的干涉成像。反射镜来回移动完成一次轴向扫描,再加上横向移动即可完成二维扫描成像[4]


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由于采用宽带光源,具有较短的相干长度,只有当参考光和信号光的光程差匹配时才有强干涉(如下图)。这样扫描镜运动可得到物体内部各点干涉信号,信号强弱反映内部结构。


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频域FD-OCT


FD-OCT 分为谱域光学相干层析技术(SD-OCT)和扫频光源光学相干层析技术(SS-OCT)。两者的基本原理相同,都是通过频域信息得到样品深度信息。

1.  SD-OCT采用低相干光源,利用光谱分光得到干涉光谱,由线阵图像传感器接收,利用快速傅里叶变换获取结果。

2.  SS-OCT采用输出波长随时间变化的高速扫频光源,不需要通过光谱分光,通过平衡探测器探测就能得到光谱分离的干涉信息,从而实现光谱分析。

相比传统的TD-OCT,FD-OCT由于不用进行机械扫描,去掉了一些机械结构,在扫描速度和信噪比上更好。因此,FD-OCT目前得到广泛的应用[3]


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对于现在广泛使用的FD-OCT,目前可以提供SD-OCT用的超辐射二极管光源,高速图像传感器和SS-OCT用的平衡探测器。


SD-OCT


光源:


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超辐射二极管SLD(L11607/L12856)

探测器:


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VIS-NIR(0.4-1.1μm)线阵CCD传感器


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NIR(0.9-1.7μm)线阵CCD传感器


SS-OCT


探测器:


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平衡探测器C12668系列

800MHz (C12668-05/-06 在研中)

400MHz (C12668-03/-04)

200MHz (C12668-01/-02)


在对于一些OCT方法上的一些新的研究,比如提高轴向分辨率方面,超连续谱光源是个不错的光源选择。在SS-OCT线扫秒方面,近红外高速线阵图像传感器和相机就十分匹配。


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SC light source(超连续谱光源)-L15077-C7,1300nm-2000nm


参考文献

[1] Huang D, Swanson E A, LinC P, et al. Optical coherence tomography[J]. science, 1991, 254(5035): 1178-1181.

[2] http://obel.ee.uwa.edu.au/research/fundamentals/introduction-oct/

[3] https://www.swissphotonics.net/libraries.files/2011_SLN_EPMT_Meier.pdf

[4] Thouvenin, Olivier et al. En face coherence microscopy [Invited]. Biomedical optics express 8 2 (2017): 622-639.

2021-07-07
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