光學相干斷層掃描

光學相干斷層掃描（Oct）是一種非侵入性、高分辨率的光學成像技術,，其根據(jù)從被研究對象和局部參考接收的干涉信號來創(chuàng)建橫截面圖像,。Oct通常用于醫(yī)學領域,，用于疾病診斷和治療監(jiān)測,，以獲得特定器官的實時圖像,，用于組織結構的直接可視化。Oct系統(tǒng)的軸向深度分辨率在5-10µm范圍內(nèi),，可提供生物組織的活體“光學活檢"（圖1）,。與共焦顯微鏡相比，光學相干斷層掃描（Oct）的軸向分辨率高100倍,，并為體內(nèi)診斷提供了一種無標記方法,。雖然可以使用多種光源，但使用寬帶光源進行光學相干斷層掃描（Oct）可以為系統(tǒng)開發(fā)提供一種具有成本效益的選擇,，并為生物組織提供安全的能量水平,。

圖1：光學成像分辨率比較

工作原理

Oct的主要思想是將深度信息編碼在從樣品反射的光中。深度信息可以通過Oct以幾種方法中的任何一種來提取,。

這些方法屬于下面描述的兩大類中的一類,。邁克爾遜型干涉儀用作任何Oct系統(tǒng)的基礎（圖2）。Oct的第一個實現(xiàn)稱為時域Oct（TD-Oct）,。

TD-Oct的基本原理依賴于來自寬帶光源的光被分束器分成兩條路徑,。在通過分束器之后，一束光束被引導到樣品,，另一束光束被引導到移動參考鏡,。

來自參考臂的光在其移動時將行進特定的光程，并且由于光源的低相干長度,，將僅與在樣品臂中行進相同光程的光形成干涉圖案,。

反射鏡移動時的干涉強度提供了深度分布圖（“ A掃描"）。通過光柵化A掃描的位置,，干涉圖案可以產(chǎn)生體內(nèi)組織的二維（2D）和三維（3D）圖像,。

傅里葉域Oct（FD-Oct）是從邁克爾遜干涉儀中產(chǎn)生的干涉中提取深度分布的另一種方法。

像時域Oct一樣,，它利用來自參考鏡的反射和來自樣品的反射,，但在這種情況下，參考鏡是靜止的,。

通過例如使用光柵將光譜擴展到陣列檢測器上來獲取重組光的光譜,。深度信息被編碼在干涉信號的頻譜中。

一旦從干涉信號中收集了光譜信息,，就通過傅里葉變換計算A掃描（深度分布）以產(chǎn)生高分辨率圖像,。

圖2：TD-Oct光學圖

自光學相干斷層掃描首/次推出以來，已經(jīng)開發(fā)了許多增強功能,。改進這項技術的努力一直持續(xù)到今天,。

一個特別有前途的增強是使用自適應光學來提高Oct圖像的清晰度,。如圖1所示，自適應光學相干斷層掃描（AO-Oct）

通過利用校正光波前的自適應技術來提高系統(tǒng)性能,。例如,，在AO-Oct系統(tǒng)中使用可變形反射鏡代替標準光學反射鏡，以減少當前的像差,，并產(chǎn)生2-5µm量級的更高軸向分辨率,。

光路描述

Oct系統(tǒng)可以由如下所述的離散光學部件或者由它們的光纖等效物構成。

1,、光源：根據(jù)Oct的經(jīng)典原理,，采用相干長度較短的寬帶光源進行成像。發(fā)射光的短相干長度決定了Oct成像的軸向分辨率,。

然而,，諸如波長掃描激光器的替代源可用于優(yōu)化給定樣品的頻率相關反射率，以獲得比使用TD-Oct可能的圖像質(zhì)量更好的圖像質(zhì)量,。

根據(jù)樣品的不同,，也可以使用特定的波長范圍，例如可見光或紅外光來減少光散射,。根據(jù)樣品選擇合適的光源可以優(yōu)化Oct系統(tǒng)的性能,。

2、分束器：在Oct中可以使用平板或立方體分束器將光分成兩個不同的路徑：參考光束和樣品光束,。

分束器允許參考光束被反射到參考鏡,，同時使用光學透鏡將樣本光束聚焦到樣本中。

3,、介質(zhì)光學反射鏡：該反射鏡用于將參考光束反射到已知路徑長度,，并返回到干涉系統(tǒng)中。

TD-Oct系統(tǒng)中安裝的參考鏡將具有受控平移,，以允許對樣品進行軸向掃描,。

在FD-Oct中，反射鏡是固定的,。這些鏡子具有電介質(zhì)涂層,，這對于反射應用是理想的，因為鏡子具有大于99%的反射,。

4,、光學透鏡：標準平凸透鏡（PCX）可用于將分離的光束路徑聚焦到樣品和探測器中,。

為了減少潛在的球面像差和色差,，可以使用非球面或消色差透鏡。這些透鏡將以較小的光斑尺寸將光聚焦到樣品中,，并減少像差,，從而使Oct系統(tǒng)更加精確,。

5、檢測器：在TD-Oct和某些類型的FD-Oct的情況下,，檢測器可以是單個光電二極管的形式,，或者對于傳統(tǒng)FD-Oct，

檢測器可以是對從樣品和參考光束返回的輻射敏感的電荷耦合器件（CCD）或CMOS陣列,。

6,、變形鏡：AO-Oct專用?？勺冃畏瓷溏R是一種自適應光學器件,，用于減少像差并提高圖像質(zhì)量，以獲得更高的分辨率,。

反射鏡的形狀由外部信號控制,，以校正波前，從而增強系統(tǒng)性能,。

圖像外觀

探測器記錄的輸出信號是深度掃描或通常稱為A掃描或1D掃描（圖3）,。A掃描描述了系統(tǒng)的軸向分辨率，它由光源的帶寬或相干長度定義,。

當光源的帶寬減小時,，軸向分辨率增加，從而增加系統(tǒng)的分辨能力,。在收集A掃描之后,，光束橫向移動穿過樣品以收集B掃描。

B掃描提供橫截面結構信息,，該信息將基于干涉光信號的幅度,、相位、頻移和偏振產(chǎn)生2D圖像,。

通過收集每個B掃描的多個A掃描和每個3D體積的多個B掃描來形成3D或體積圖像,。在軸向和橫向方向上收集的強度信息允許在后處理中形成3D圖像。

圖3：Oct圖像采集

Oct系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像可用于觀察樣品中的多層結構,，例如眼睛的層（圖4）,。例如，下圖顯示了右側視網(wǎng)膜的Oct圖像與左側2D數(shù)字視網(wǎng)膜圖像的對比,。

Oct圖像更好地定義了視網(wǎng)膜組織密度的差異以及顏色強度的變化,，例如，可以看到疤痕組織的形成,。圖像中產(chǎn)生的色標是樣品內(nèi)部結構反射率差異的結果,。

圖4：Oct視網(wǎng)膜圖像

Oct的應用

應用1：眼科

光學相干斷層掃描使臨床醫(yī)生能夠更好地診斷眼科疾病，如導致視力模糊的年齡相關性黃斑變性（AMD）（圖5）,。

AMD的兩個原因是由于組織變薄導致的視網(wǎng)膜退化（干性AMD）或視網(wǎng)膜下滲漏血管的形成（濕性AMD）,。

與以前僅提供定性數(shù)據(jù)的程序相比,，Oct技術使醫(yī)生能夠定量表征視網(wǎng)膜組織形態(tài)的變化。

例如,，光學相干斷層掃描（Oct）可提供分辨率為5-7µm的視網(wǎng)膜圖像,，以跟蹤生物標記物，如滲漏血管的形成,。

還可使用光學相干斷層掃描（Oct）通過量化視網(wǎng)膜厚度和生物標記物來跟蹤治療的有效性,，以確定疾病是否正在進展。

圖5：老年黃斑變性

應用2：心臟病學

Oct適用的另一個領域是心臟病學,，用于診斷心臟病發(fā)作的可能性,。心臟病發(fā)作的主要原因之一是動脈粥樣硬化，當脂肪斑塊破裂,，鈣在動脈壁內(nèi)層積聚,，

阻塞血流時，就會發(fā)生動脈粥樣硬化,。臨床醫(yī)生已轉向利用Oct技術在破裂前檢測易損斑塊,。

光學相干斷層掃描（Oct）使醫(yī)生能夠以5-7µm的圖像分辨率觀察動脈壁中的斑塊，以確定斑塊的大小,、形狀和位置,。

與血管造影術和血管內(nèi)超聲等其他診斷方法相比，光學相干斷層掃描（Oct）的高靈敏度可更好地進行軸向穿透,，以觀察破裂前的斑塊,，從而實現(xiàn)早期診斷。

Edmund Optics®的光學相干層析成像

Edmund Optics®為Oct系統(tǒng)提供廣泛的光學器件,。隨著Oct技術的進步,，Edmund Optics®將繼續(xù)擴大我們的產(chǎn)品選擇和技術支持。

值得注意的Oct技術趨勢包括系統(tǒng)便攜性,、可訪問性和小型化,。多模式Oct將顯微鏡或內(nèi)窺鏡等輔助技術與Oct、AO-Oct和基于微型Oct芯片的系統(tǒng)相結合,，

是未來最/流行的Oct技術,。這些先進的Oct技術將繼續(xù)推動生物醫(yī)學、材料加工和其他工業(yè)應用領域的創(chuàng)新,，Edmund Optics®將繼續(xù)支持這一應用領域,。

可見和近紅外平板分束器

反射率在400-700nm或700-1100nm時≤1%，以減少背向反射

與金屬涂層相比,，寬帶電介質(zhì)涂層具有最小的能量損失

50/50反射/透射比

適用于低功率激光束

寬帶非偏振立方體分束器

低偏振依賴性：|TS-TP|<6%

50/50反射/透射比

BBAR涂層表面,，實現(xiàn)最高/效率

/最小吸收損耗

寬帶介質(zhì)λ/10反射鏡

在寬波長范圍內(nèi)的反射率大于99%

能量損失極小，是波束控制的理想選擇

高度耐用的熔融石英基板

平凸（PCX）透鏡

AR涂層選項可在波長范圍內(nèi)提供<0.5%的反射率

設計用于0°入射角

光收集和聚焦應用的理想選擇

Lumedica Oct成像系統(tǒng)

經(jīng)濟實惠的光學相干斷層掃描成像系統(tǒng)

生物樣品成像,、樣品表征和Oct教育的理想選擇

緊湊的臺式設計