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系統的軸向深度分辨率在5-10µm范圍內，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系統的基礎（圖2）。Oct的第一個實現稱為時域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，干涉圖案可以產生體內組織的二維（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性能。例如，在AO-Oct系統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，并產生2-5µm量級的更高軸向分辨率。

光路描述

Oct系統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Oct的經典原理，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可能的圖像質量更好的圖像質量。

根據樣品的不同，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。根據樣品選擇合適的光源可以優(yōu)化Oct系統的性能。

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，并返回到干涉系統中。

TD-Oct系統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。可變形反射鏡是一種自適應光學器件，用于減少像差并提高圖像質量，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系統產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膜的Oct圖像與左側2D數字視網膜圖像的對比。

Oct圖像更好地定義了視網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。圖像中產生的色標是樣品內部結構反射率差異的結果。

圖4：Oct視網膜圖像

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膜退化（干性AMD）或視網膜下滲漏血管的形成（濕性AMD）。

與以前僅提供定性數據的程序相比，Oct技術使醫(yī)生能夠定量表征視網膜組織形態(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，從而實現早期診斷。

Edmund Optics®的光學相干層析成像

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

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

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，寬帶電介質涂層具有最小的能量損失

50/50反射/透射比

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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

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寬帶介質λ/10反射鏡

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