OCT：從原理到關(guān)鍵參數(shù)

一、

什么是OCT？

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種三維成像技術(shù)，可以在散射介質(zhì)中進(jìn)行高分辨率成像，無需接觸樣品或使用任何耦合介質(zhì)。OCT的橫向成像分辨率可達(dá)到幾微米，成像深度可達(dá)幾毫米。OCT能夠提供樣品表面輪廓和次表面結(jié)構(gòu)（即表面以下的結(jié)構(gòu)）及樣品均勻性的信息，從而實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的信息用于診斷、監(jiān)測和現(xiàn)場過程反饋。因此，OCT已經(jīng)在眼科、皮膚科、血管造影等生物成像領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并且在材料檢測和無損檢測中作為超聲波的強(qiáng)大替代技術(shù)。

二、

OCT的工作原理

OCT依賴于樣品不同區(qū)域的背向散射光來生成3D圖像。它使用不同的定位技術(shù)來獲取軸向（沿光束方向或進(jìn)入樣品的z軸）和橫向（垂直于光束的平面或樣品的x-y軸）信息。軸向信息是通過估計(jì)從樣品中的結(jié)構(gòu)或?qū)臃瓷涞墓獾臅r(shí)間延遲來獲得的。這種技術(shù)類似于生成超聲波圖像的技術(shù)，但使用的是光而不是聲音。由于光速極快，直接測量反向散射光的時(shí)間延遲并不容易。因此，OCT系統(tǒng)使用低相干干涉技術(shù)間接測量時(shí)間延遲。

01

移動(dòng)參考臂實(shí)現(xiàn)OCT測量

在低相干干涉儀中，使用具有寬光譜帶寬的光源進(jìn)行照明。光源發(fā)出的光被分束器分成兩條路徑，稱為參考臂和樣品臂。來自每條臂的光被反射并在檢測器處結(jié)合。只有當(dāng)參考臂和樣品臂的光程幾乎相等時(shí)，檢測器上才會(huì)出現(xiàn)干涉效應(yīng)。因此，干涉現(xiàn)象的出現(xiàn)可以被用來進(jìn)行光程的相對(duì)測量。

光學(xué)相干斷層掃描就是將樣品臂中的鏡子替換為待成像的樣品。然后對(duì)參考臂進(jìn)行掃描，并在檢測器上記錄得到的光強(qiáng)度。當(dāng)鏡子幾乎與樣品中的某個(gè)反射結(jié)構(gòu)等距時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的干涉圖案，從而獲得樣品對(duì)應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)信息。顯然在參考鏡移動(dòng)的過程中，兩次干涉發(fā)生對(duì)應(yīng)的參考鏡位置之間的距離對(duì)應(yīng)于測量光路中樣品兩個(gè)反射結(jié)構(gòu)之間的光學(xué)距離。當(dāng)光束穿過樣品時(shí)，不同的位置的獨(dú)特結(jié)構(gòu)會(huì)通過上述低相干干涉記錄的反射量被記錄下來，從而得到測量樣品的散射信號(hào)和深度之間的函數(shù)關(guān)系。

把 OCT 中使用的寬帶光源光束聚焦到一個(gè)小點(diǎn)（約幾微米），并在樣品上進(jìn)行x-y掃描，同時(shí)使用干涉測量收集深度信息，這樣可以構(gòu)建樣品的完整 3D 圖像。

02

傅里葉域OCT

傅里葉域OCT（FD-OCT）提供了一種更高效的方法來實(shí)現(xiàn)上述低相干干涉。傅里葉域OCT（FD-OCT）并不是像上邊提到方法那樣在參考鏡的不同位置記錄強(qiáng)度，而是將強(qiáng)度記錄為光的波長（或頻率=光速/波長）的函數(shù)。不同頻率的光強(qiáng)度變化率反映樣品中不同反射層的位置信息?？梢宰C明，光譜干涉數(shù)據(jù)的傅里葉變換提供的信息相當(dāng)于移動(dòng)參考鏡所獲得的信息。

03

傅里葉域OCT測量光譜干涉的兩種常用方法

光譜域光學(xué)相干斷層掃描（SD-OCT：Spectral Domain Optical Coherence Tomography）：寬帶光源向樣品發(fā)出包含很多多波長成分的光譜管，并使用光譜儀同時(shí)測量所有波長。

·掃頻源光學(xué)相干斷層掃描（SS-OCT：Swept Source Optical Coherence Tomography）：光源在一系列波長范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻，檢測器的時(shí)間輸出被轉(zhuǎn)換為光譜干涉。

傅里葉域OCT相對(duì)于干涉儀中樣品臂鏡的移動(dòng)擁有更快的成像速度，因?yàn)闃悠返乃蟹瓷涠急患磿r(shí)的同時(shí)測量出來的。傅里葉域OCT引入的速度提升為該技術(shù)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。通過商業(yè)化的設(shè)計(jì)，傅里葉域OCT可以輕松獲得實(shí)時(shí)視頻、面下OCT成像，使其廣泛用于用于諸如過程監(jiān)控和手術(shù)引導(dǎo)等對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的領(lǐng)域之中。

三、

OCT系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)

01

分辨率

OCT系統(tǒng)的軸向和橫向分辨率是獨(dú)立的。

軸向（深度）分辨率與光源的帶寬（相干長度）有關(guān)。對(duì)于高斯形光譜，軸向分辨率 (λc) 由以下公式給出：

其中：λ是中心波長，Δλ 是光源的帶寬。

需要注意的是，這個(gè)光譜是指在探測器上測量到的光譜，可能與光源的發(fā)射光譜不同，這是由光學(xué)元件和探測器本身的響應(yīng)造成的影響所致。需要注意的是，嚴(yán)格來講上述公式僅適用于高斯形光譜，對(duì)于其他光譜形狀僅可作為一個(gè)分辨率估算參考。對(duì)于任意已知形狀的光譜，應(yīng)估算軸向擴(kuò)展函數(shù)以了解可實(shí)現(xiàn)的分辨率和可能的邊帶。下圖中的軸向分辨率方程的圖顯示了三個(gè)不同中心波長的情況，展示了光源帶寬對(duì)近紅外常用工作帶中的軸向分辨率的影響。

02

成像深度

OCT（光學(xué)相干斷層成像）的成像深度主要受光源在樣品中的穿透深度限制。此外，在傅里葉域OCT中，深度還受到光譜儀有限像素?cái)?shù)和光學(xué)分辨率的限制。如前所述，傅里葉域OCT中的圖像是在傅里葉變換光譜干涉數(shù)據(jù)后獲得的。傅里葉變換后的總長度或深度受光譜數(shù)據(jù)采樣率的限制，并遵循奈奎斯特定理。

具體來說，光譜數(shù)據(jù)采樣率（或采樣密度）指的是在給定的波長范圍內(nèi)，光譜儀所能分辨和記錄的波長點(diǎn)的數(shù)量。更高的采樣密度意味著在相同的波長范圍內(nèi)有更多的采樣點(diǎn)，從而可以獲得更高的分辨率和更大的成像深度。

由N個(gè)像素采樣的總帶寬（Δλ）給出了波長采樣率δλ = Δλ/N。由于傅里葉變換將頻率與時(shí)間關(guān)聯(lián)起來，我們可以將波長轉(zhuǎn)換為頻率，δν = cΔλ /λ2。奈奎斯特定理表明，傅里葉變換數(shù)據(jù)中的最大時(shí)間延遲將是tmax = 1/2 δν，而數(shù)據(jù)中的最大深度將是zmax = c* tmax。通過結(jié)合這些，傅里葉域OCT中可實(shí)現(xiàn)的最大成像深度為：

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靈敏度隨深度的變化關(guān)系

在傅里葉域OCT中，理論上靈敏度取決于反射目標(biāo)的位置。最大靈敏度出現(xiàn)在樣品光和參考光之間光程正好相等的點(diǎn)，即零延遲差點(diǎn)附近，并且隨著我們遠(yuǎn)離零延遲點(diǎn)而減小。這種損失是由光譜儀的有限像素大小和有限光學(xué)分辨率導(dǎo)致的?？梢宰C明，靈敏度與深度的關(guān)系如下：

其中

R(Z):隨深度變化的靈敏度。

z: 深度，通常指光在樣品中傳播的距離。

ρ: 一個(gè)與光譜儀分辨率和光源帶寬相關(guān)的常數(shù)，具體定義依賴于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

W=δλ/Δλ: 其中δλ是波長采樣率（光譜儀的分辨率），Δλ是總帶寬

sin(ρz): 表示由于光譜儀有限像素引起的調(diào)制效應(yīng)。

sin(ρz)/(ρz):表示由于有限像素引起的調(diào)制效應(yīng)的歸一化形

exp[-z^2/(wρ)]: 指數(shù)衰減項(xiàng)，表示由于光譜儀有限光學(xué)分辨率引起的衰減效應(yīng)。

通過這個(gè)公式可以看出，OCT的靈敏度隨著分子深度z^2的增加而減小，這種減小是由光譜儀的有限像素和光學(xué)分辨率共同決定的。

04

信噪比

信噪比一般定義為信號(hào)功率與噪聲功率的比率，噪聲功率用其方差來定義。OCT的主要噪聲來源有：

A，探測器噪聲，主要來自電子元件的熱波動(dòng)。

B，由于光子到達(dá)和探測器檢測的內(nèi)在方差產(chǎn)生的散粒噪聲。

C，光源的相對(duì)強(qiáng)度噪聲 (RIN)。

理想的OCT系統(tǒng)，應(yīng)該是其探測器和強(qiáng)度噪聲都被最小化掉了，在散粒噪聲域內(nèi)工作，其性能僅受限于到達(dá)探測器的光子數(shù)量。

05

OCT的靈敏度

在光學(xué)相干斷層掃描 (OCT) 中，靈敏度指系統(tǒng)檢測樣本反射最微弱信號(hào)的能力。數(shù)值上，靈敏度是使信號(hào)達(dá)到信噪比 (SNR) 為1時(shí)的信號(hào)衰減程度，即信號(hào)強(qiáng)度等于系統(tǒng)固有噪聲的點(diǎn)。

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分貝 (dB) 單位的測量

信噪比或靈敏度常用分貝 (dB) 表示。物理量的dB單位對(duì)應(yīng)10log(Pa/Pb)。光學(xué)測量中，光功率 (P) 與光電探測器輸出電流 (I) 成正比，但電功率與I2成正比，因此考慮光功率時(shí)，OCT的SNR和靈敏度測量用20log(Pa/Pb)。

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速度

OCT系統(tǒng)的速度取決于到達(dá)探測器的光量。速度與系統(tǒng)積累足夠光子的時(shí)間直接相關(guān)。其他限制因素包括各部件自身參數(shù)的限制，例如：基于光譜儀的光譜域OCT系統(tǒng)速度受相機(jī)傳感器和電子元件限制。對(duì)于掃頻光源傅里葉域OCT，掃頻激光源的速度常是限制因素。盡管SS-OCT常因速度被選擇，近年來相機(jī)速度的進(jìn)步開始縮小這一差距。