光學相干斷層掃描

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建橫截面圖像。Oct通常用于醫學領域，用于疾病診斷和治療監測，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，已經開發了許多增強功能。改進這項技術的努力一直持續到今天。

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技術使醫生能夠定量表征視網膜組織形態的變化。

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，用于診斷心臟病發作的可能性。心臟病發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，就會發生動脈粥樣硬化。臨床醫生已轉向利用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技術將繼續推動生物醫學、材料加工和其他工業應用領域的創新，Edmund Optics®將繼續支持這一應用領域。

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

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，實現最高/效率

/最小吸收損耗

寬帶介質λ/10反射鏡

在寬波長范圍內的反射率大于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

經濟實惠的光學相干斷層掃描成像系統

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