光學相干層析成像(Optical Coherence tomography, OCT)技術是一種非侵入、非接觸微米級解析度的成像技術,利用光學相干門來獲得組織內部的層析結構。譜域OCT(Spectral domain OCT, SD-OCT)是第二代OCT技術,相比第一代時域OCT技術,在成像速度、信噪比和靈敏度等方面具有明顯優勢,在眼科成像、功能成像等領域發揮了重要作用。
基本介紹
- 中文名：譜域光學相干層析成像
- 外文名：Spectral domain OCT, SD-OCT
- 專業：高分辨成像技術
背景簡介,譜域OCT原理,SD-OCT 的數據處理,SD-OCT技術及系統的發展過程,SD-OCT研究熱點,
背景簡介
光學相干層析成像技術（Optical Coherence tomography, OCT）是一種高靈敏，高解析度，非侵入無損實時成像的測量技術。基於低相干光干涉的測量法，利用近紅外寬頻光源照射到待測組織上，依據光相干產生的干涉來探測組織不同深度的信息，以獲得組織的光學特性。
譜域光學相干層析成像(Spectral domain OCT, SD-OCT)技術是繼時域光學相干層析成像技術發展而來的，它由寬頻光源照明的麥可遜干涉儀和光譜儀組成，參考臂固定不動從而無需對樣品進行軸向掃描，直接測量干涉信號的光譜，對所測的光譜進行快速傅立葉逆變換得到樣品不同縱向深度的信息。譜域光學相干層析成像(Spectral domain OCT, SD-OCT)技術具有高靈敏度，高成像速度等優點，同時 SD-OCT 信號在光譜密度中被採樣, 且作為一個傅立葉重構的結果, 改善了信噪比。最近幾年科研人員提出對OCT進行量化，這是一種對生物組織光學特性進行研究的技術，目前還處於起步階段，主要研究正常組織與不正常組織的散射係數的差別。生物組織的光學參數（吸收係數μa 和約化散射係數μt）可以提供組織生理過程的許多相關信息，對臨床醫學的研究具有一定的意義。
譜域OCT原理
SD-OCT 的原理依賴於 Fercher 的結論, 即後向散射光場的復振幅擾動等於反映樣品縱向結構的散射勢函式的傅立葉變換。
圖1 譜域OCT系統裝置圖
圖1 譜域OCT系統裝置圖譜域OCT的原理如圖1]所 示，SD-OCT 技術可設計成採用寬頻光源和光纖麥可遜干涉儀構造的、並由光譜儀接收干涉信號的系統, 它由低時間相干度光源、麥可遜干涉儀、光譜儀、參考鏡和橫向掃描裝置構成, 其核心部件是麥可遜干涉儀和光譜儀. 光譜儀由準直透鏡、衍射光柵、成像透鏡和 CCD 線掃描照相機組成, 光源發出的光耦合進 2* 2 光纖耦合器, 並分別進入有反射鏡的參考臂和放有被測樣品的樣品臂. 反射鏡反射回來的光(參考光)與樣品的後向散射光(信號光) 經過光纖耦合器重新匯合後產生干涉信號, 此時可把耦合的光看成是從樣品後向散射光的各個單色波分量與從參考鏡返回的相應分量相干涉後的疊加, 干涉信號從光纖耦合器的另一端輸出, 被光譜儀接收並經光譜儀中的衍射光柵展開, 由 CCD 採集並轉換為電信號和數位化後輸入計算機. 然後, 將所得數據進行傅立葉逆變換, 即可得到樣品的 F(z)或一維深度信息. 在此基礎上, 通過橫向掃描, 就可重構樣品的二維層析圖像, 從而獲得被測物體的結構。
SD-OCT 的數據處理
信號的非線性重採樣
由 SD-OCT 的原理可知, 為了重構圖像需對採集到的光強頻譜信號進行傅立葉逆變換, 光強應是波數的函式並等間隔分布, 而光譜儀所採集到的數據則是波長的函式, 因此在逆變換之前必須把波長的相關數據 I(λ )轉換成與波數相關的數據 I (k).由k= 2π/λ 可知, 在干涉信號經離散傅立葉變換之後,非線性可引起干涉包絡圖的擴展, 除了λ 和 k 的關係, 衍射光柵的色散、CCD 陣列前透鏡的成像錯誤、未對準和有限 CCD 像素的大小, 以及非理想性的光學元件表面, 都有可能導致干涉圖像的擴展. 因此, 需要對光功率譜數據用 3 次樣條插值算法(以 k為變數)進行重採樣, 以產生所有的等間隔中間點,然後用重採樣得到的新數據, 通過離散傅立葉逆變換獲得軸向一維的樣品散射勢函式( 樣品結構), 並在此基礎上經二維掃描, 以灰度圖方式繪製出樣品的層析圖像
非理想光源的修正補償算法
在非高斯分布的光譜曲線( 非理想光源)下存在著一些問題, 從而使測量結果產生誤差, 因此需對測量數據進行修正補償。
SD-OCT技術及系統的發展過程
圖2 SD-OCT系統的發展過程隨著SD一OCT技術的發展,也更多的與其他成像技術相結合。由於OCT技術的橫向解析度和軸向解析度分離,為了提高系統的橫向解析度,自適應光學首先與OCT技術相結合,AO能實時探測、控制和校正光學系統的動態波前誤差,使光學系統具有自動適應外界條件變化的能力。SD-OCT技術也與都卜勒效應相結合,定量測量血流速度,迅速發展為譜域都卜勒OCT技術,其中流速信息的獲得主要通過美國加州大學歐文分校的Z.Chen小組提出的計算相鄰A一scan的相位差的方法。通過定量測量視網膜血管速度對於某些視網膜疾病的檢測具有重大意義,如糖尿病視網膜病變、視網膜血管閉塞和青光眼等。
SD一DOCT能夠無損的實時測量視網膜中血管血流速度和血流動態變化,同時可以提供血管深度和直徑的微米級信息。超快速SD-OCT系統還能實現視網膜血管三維可視化。美國俄勒岡醫科大學的R.wang小組,日本筑波大學的Yatagai小組在視網膜血管三維可視化方面做了大量的研究工作,並發展為光學相干血管造影術（圖3）。
圖3 老鼠腦部OCA三維成像
圖3 老鼠腦部OCA三維成像SD-OCT研究熱點
SD-OCT是第二代OCT技術,相比
第一代OCT技術(TD一OCT),在成像速度、信噪比和靈敏度等方面具有明顯優勢,因此世界各國的研究小組均在此領域展開研究,2007年美國物理學會scitatinn資料庫收錄的OCT論文接近200篇。
