基于光纖克爾孫干涉儀的三維譜域光學(xué)相干層析系統(tǒng)

基于光纖克爾孫干涉儀的三維譜域光學(xué)相干層析系統(tǒng)

1頻域oct的研究進(jìn)展光學(xué)干色成像技術(shù)（rc）使用寬源光的低干色特性，測量樣品后的散射光干涉信號，并將高分辨率層析成像以反映生物組織的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。1991年,美國麻省理工學(xué)院的D.Huang等采用OCT技術(shù)成功地對人眼視網(wǎng)膜的顯微結(jié)構(gòu)和冠狀動(dòng)脈壁成像。這一研究使用830nm超輻射發(fā)光二極管(SLD)光源的光纖邁克爾孫干涉儀,達(dá)到了10μm的縱向分辨率。1993年,人體視網(wǎng)膜的活體光學(xué)相干層析成像出現(xiàn)。1995年,開始眼科的臨床研究。國內(nèi)的清華大學(xué)、浙江大學(xué)、天津大學(xué)等都開展了OCT算法與系統(tǒng)方面的研究,并在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。20世紀(jì)90年代中期,一種被稱為頻域OCT的新OCT技術(shù)漸漸吸引了生物醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域研究者的注意。它的優(yōu)勢在于能一次將返回的不同深度相干光信號同時(shí)提取,而且完全不需要深度掃描裝置,大大提高了成像速度。同時(shí),這種技術(shù)還能有效提高弱相干光信號的信噪比(SNR),從而提高成像分辨率和對比度。由于頻域OCT利用了光譜轉(zhuǎn)換的方式,所以通常稱為光譜域OCT。成像速度的提高掃清了三維OCT應(yīng)用于生物活體檢測的障礙,原先需要數(shù)分鐘采集完成的立體數(shù)據(jù)在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)便可完成。這就為三維光學(xué)相干層析術(shù)走向?qū)嵱么蛳铝嘶A(chǔ)。本文通過搭建高速光譜解調(diào)系統(tǒng)和二維振鏡掃描裝置,加上三維重構(gòu)算法,研制了一套實(shí)用型三維光學(xué)相干層析成像系統(tǒng),并將其用于活體檢測和眼底成像,取得了較好的效果。2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2.1全反射鏡+高速光譜三維OCT系統(tǒng)基于高速頻域OCT系統(tǒng)。圖1為搭建的基于光纖的頻域OCT系統(tǒng)。SLD光源(λ0=830nm,Δλ=42nm)發(fā)出的弱相干光經(jīng)四端光纖耦合器50:50分束,分別入射到參考鏡和樣品組織。一路經(jīng)透鏡擴(kuò)束投射在全反射鏡上發(fā)生反射作為參考光,另一路由透鏡共焦系統(tǒng)聚焦在樣品上,成為信號光。由全反射鏡反射回來的參考光與樣品背向散射的信號光經(jīng)光纖耦合器匯合產(chǎn)生干涉信號。干涉信號從耦合器另一端出射進(jìn)入高速光譜儀模塊,獲得譜信息。經(jīng)過信號解調(diào)處理,就可以得到樣品不同深度散射光的強(qiáng)度。2.2高分辨率光譜高速光譜儀模塊與商用光譜儀有一定差異。它們的相似之處在于都是獲取光譜信息的器件,光路結(jié)構(gòu)也類似。不同之處在于,高速光譜儀模塊側(cè)重于追求高速和高光譜分辨率,不需要很寬的譜線探測范圍。商用光譜儀一般每秒可以采集數(shù)十條到上千條譜線,分辨率一般在0.1～1nm之間。光譜解調(diào)裝置則需要做到每秒采集上萬條線,分辨率要在0.07nm以上(對應(yīng)探測深度約2mm)。因此,需要自行搭建適合頻域OCT系統(tǒng)的光譜儀。這種高速光譜儀由擴(kuò)束鏡(f1=75mm)、光柵(1200line/mm)、會(huì)聚鏡(f2=200mm)和CCD組成。由于帶寬不大,所以一般使用透鏡系統(tǒng)不會(huì)造成嚴(yán)重色差。CCD則使用高速線陣CCD(2048pixel,14μm×14μm,27×103line/s)。CCD的掃描速度決定著系統(tǒng)的掃描速度,隨著光電成像器件技術(shù)的不斷發(fā)展,高速的CCD不斷推出,相應(yīng)OCT成像速率也可隨之提高。2.3系統(tǒng)分辨率的確定完成硬件搭建之后,要對從線陣CCD獲得的光譜信號進(jìn)行定標(biāo)。定標(biāo)燈采用美國海洋光學(xué)儀器公司生產(chǎn)的用于UV-VIS-NIR光譜系統(tǒng)的波長校準(zhǔn)光源HG-1汞燈。在780～870nm范圍內(nèi)譜線有7條,主要是Ar的一級譜線。光譜譜線隨CCD像元位置分布的函數(shù)稱為定標(biāo)曲線。一般來說,定標(biāo)曲線不是線性的,它可以按照泰勒展開到二階、三階甚至更高。但是對于本系統(tǒng),由于譜線有限,擬合的階數(shù)和精度不可兼得。因此需要研究按照幾階曲線擬合才能不影響信號還原的效果。系統(tǒng)高速光譜儀結(jié)構(gòu)如圖2所示,理論上的CCD位置n和譜線λn的函數(shù)關(guān)系為λn=d{sini+sin{θ0-arctan[(1024-n)Lpixelf2]}},n=1,2,?,2048(1)λn=d{sini+sin{θ0?arctan[(1024?n)Lpixelf2]}},n=1,2,?,2048(1)其中d=833.3nm,i=θ0=30°,Lpixel=14μm,f2=200mm。將(1)式展開到三階λn=781+0.05221n-6.5×10-6n2-1.23×10-10n3.n=1,2,??2048(2)在OCT模擬程序中,用一個(gè)理想的光譜儀和一個(gè)陣元數(shù)為2048的CCD組成系統(tǒng)的探測部分。設(shè)定光譜儀上分布的光波長范圍為780～870nm,因此光譜儀有效分辨率約為0.045nm。分別對CCD獲得的定標(biāo)曲線取一階展開、二階展開和三階展開,然后各自作為定標(biāo)曲線。這對應(yīng)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中對定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行線性擬合、二階擬合和三階擬合,不同擬合情況下的分辨率分布如圖3所示。模擬程序中光源中心為830nm,帶寬40nm,由計(jì)算得到系統(tǒng)理論空間分辨率為7.6μm。從圖中對比可以發(fā)現(xiàn),線性擬合和二階擬合都會(huì)影響分辨率,只有三階擬合才會(huì)達(dá)到和理論一致的結(jié)果。因此,只有精確擬合到三階,才能忽略定標(biāo)對于圖像分辨率的影響。但是由于在此波段內(nèi)定標(biāo)燈譜線數(shù)量是有限的,高階擬合會(huì)導(dǎo)致擬合的不確定度增加。因此,還需要用多次實(shí)驗(yàn)取平均來提高精度。圖4對比了在實(shí)驗(yàn)中分別使用線性擬合、二階擬合和三階擬合后的圖像。可見三階擬合的圖像銳化度相對線性擬合和二階擬合都有所增加,獲得了能體現(xiàn)更多結(jié)構(gòu)信息的較高分辨率。2.4維光學(xué)相干層析圖像定標(biāo)完成后,得到光譜強(qiáng)度曲線S(λ),接下來經(jīng)過k變換、插值,得到S(k)。對S(k)進(jìn)行快速逆傅里葉變換,得到時(shí)域信號,將時(shí)域坐標(biāo)根據(jù)深度定標(biāo),就得到樣品的“深度-散射信號強(qiáng)度”圖像。每條光譜可得到樣品上一點(diǎn)的縱向OCT圖像。在樣品臂由掃描頻率一快一慢的兩個(gè)振鏡組成二維振鏡組,控制光斑在樣品平面上的運(yùn)動(dòng),如圖5所示。其中以頻率f1振動(dòng)的快速振鏡控制光斑在X方向掃描,慢速振鏡則使光斑以f2的頻率在與X方向和A-scan方向正交的Y方向移動(dòng)。若以鋸齒波驅(qū)動(dòng)振鏡,那么在快速振鏡的一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)得到的是一個(gè)二維圖像;而在慢速振鏡的一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi),得到f2/f1組二維圖像?？焖僬耒R的一個(gè)頻率內(nèi)就可以得到整個(gè)面的層析結(jié)構(gòu)圖,即三維光學(xué)相干層析圖像。在實(shí)際成像過程中,需要合理選擇兩個(gè)振鏡頻率之間的關(guān)系,才能在X方向和Y方向得到大致相同的橫向。三維OCT圖像通過二維OCT圖像的三維重建而得到。本系統(tǒng)采用三維成像中的體繪制技術(shù)。它的中心思想是為每一個(gè)體素指定一個(gè)不透明度(Opacity),并考慮每一個(gè)體素對光線的透射、發(fā)射和反射作用。體繪制的優(yōu)點(diǎn)是無需進(jìn)行分割和提取等值面即可直接進(jìn)行繪制,能更準(zhǔn)確地表現(xiàn)數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)。體繪制實(shí)際上是模仿了光在生物組織中穿行的特點(diǎn),因此其成像結(jié)果與人眼見到的實(shí)際物體結(jié)果最為接近。具有代表性的體繪制算法有:光線透射算法(Raycasting)、足跡算法(Splatting)和錯(cuò)切-變形算法(Shear-warp)。此處使用光線透射算法。3結(jié)果3.1點(diǎn)擴(kuò)散方程曲線實(shí)驗(yàn)中信噪比常用的定義為RSΝ=20lg(Smaxσ),(3)其中Smax是信號最強(qiáng)值,σ為本底噪聲的均方差。圖6顯示了一個(gè)典型的點(diǎn)擴(kuò)散方程曲線,縱軸為強(qiáng)度的對數(shù)值表示。它測量的是兩個(gè)鍍金鏡面干涉的結(jié)果。曲線由500次測量結(jié)果平均而成,以減少噪聲本底波動(dòng)造成的影響并使信號中的有用信息顯示得更清晰。干涉鏡面位于一個(gè)產(chǎn)生1.6mm光程差的位置,經(jīng)測量此時(shí)樣品臂返回光強(qiáng)為760nW。此時(shí)系統(tǒng)的信噪比為51dB。3.2不同光程差的信號比較根據(jù)探測深度范圍和解調(diào)裝置光譜分辨率關(guān)系Ζmax=λ204δλ,(4)其中λ0為SLD中心波長,δλ為光譜儀分辨率。根據(jù)(4)式,當(dāng)δλ=0.05nm時(shí),探測深度范圍可以達(dá)到3.4mm,在組織中約為2.5mm,已經(jīng)遠(yuǎn)大于光能在一般生物組織中的穿透深度(1～2mm),因此可以滿足OCT系統(tǒng)檢測大部分生物組織的需要。在探測深度之外信號不會(huì)突然消失,而是以較快速度衰減。如圖7,對于不同光程差的鏡面信號的信號強(qiáng)度隨光程差的增大會(huì)逐漸衰減。可見在探測深度為2mm處比0.5mm處約衰減了6dB。而在探測深度極限4mm處大致衰減25dB?？梢姽獬滩钤叫〉玫降男旁氡仍礁?同時(shí)考慮到830nm的紅外光在人體組織內(nèi)的衰減現(xiàn)象,應(yīng)將探測區(qū)域放置在較小光程差的范圍內(nèi)。3.3深度、分辨率測量在不考慮其他因素前提下,OCT系統(tǒng)分辨率由光源帶寬決定,其表達(dá)式為lc=2(ln2)λ20πΔλ?(5)代入λ0=830nm,Δλ=40nm,得到理論分辨率為7.6μm。實(shí)際測量得分辨率隨深度的變化如圖8所示,在2mm以下,分辨率約為8.5μm,與理論值接近。2mm之后漸漸變差,在5mm處約為12μm。實(shí)驗(yàn)值與理論值存在差距主要原因是由于光譜擬合系數(shù)的不確度較大,定標(biāo)存在一定誤差,從而影響了縱向分辨率。3.4深刻反應(yīng)與正演成像在慢掃描狀態(tài)下,將系統(tǒng)所成像與之前時(shí)域系統(tǒng)所成眼底黃斑圖像進(jìn)行對比。圖9中(a)圖為時(shí)域OCT圖像,橫向4mm,400line,掃描時(shí)間1s;(b)圖為系統(tǒng)所成頻域OCT圖像,橫向4mm,1000line,掃描時(shí)間0.1s。兩個(gè)系統(tǒng)所用光源均為40nm帶寬的SLD,圖像顏色不同只是由于色彩映射不同。兩個(gè)系統(tǒng)都是在調(diào)節(jié)較好的狀態(tài)下進(jìn)行測量的。對比可以看出,視網(wǎng)膜內(nèi)皮層部分,(a)圖只顯示一層,而(b)圖可以分辨出光感受器內(nèi)外段膜盤連接層(IS/OS)和視網(wǎng)膜色素上皮層(RPE)兩層,甚至三層結(jié)構(gòu)。此外,在RPE層下,頻域圖像還可以看到脈絡(luò)膜內(nèi)部結(jié)構(gòu),而時(shí)域圖像在此處信號較模糊。這說明頻域OCT系統(tǒng)可以更快地獲得分辨率更高的圖像。最后分別使用三維OCT對活體進(jìn)行成像。圖10為老鼠眼前節(jié)成像結(jié)果。其中XZ平面為二維頻域圖像,YZ和XY平面圖像為三維重組后切片得到。X和Y方向掃描共40000line,在4s內(nèi)完成。考慮到掃描區(qū)域?yàn)?mm×2mm的正方形區(qū)域,分別設(shè)置樣品臂振鏡組中快速振鏡掃描頻率和慢速振鏡掃描頻率為200Hz和0.25Hz,以使橫向分辨率在各個(gè)方向達(dá)到一致。相比于二維小鼠眼前節(jié)圖像,三維圖像可以全面觀察到小鼠角膜、虹膜以及前房的狀態(tài),獲得更詳盡和直觀的信息。由于三維成像是基于二維成像的拼接與擬合技術(shù),對于人體或者生物樣品的活體檢測時(shí),因不能避免掃描樣品的移動(dòng),因此需要快速的掃描速度來減少移動(dòng)對三維成像造成的影響。而較短CCD的積分時(shí)間將對應(yīng)較差的信噪比,過快的掃描速度將影響成像質(zhì)量。目前在實(shí)驗(yàn)中基于830nm波段光譜儀的譜域OCT的B-scan速度為30kHz左右,而若要得到高信噪比的圖像,則需要更長的時(shí)間。對于一定的區(qū)域,獲取像素密度為200pixel×100pixel×1024pixel的三維圖形所需的時(shí)間為積分時(shí)間的20000倍。考慮實(shí)驗(yàn)者的眼睛能夠在2s之內(nèi)保持基本不動(dòng),選擇10kHz的點(diǎn)掃描速度,以獲得更豐富的眼底信息。圖11為對人眼眼底成像結(jié)果。在眼科探頭中,使用了LED對眼底進(jìn)行照明并用面陣CCD進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測該照明區(qū)域,以確定OCT系統(tǒng)在眼底掃描的位置。X和Y方向掃描共20000line,在2s內(nèi)完成。同樣,為考慮橫向分辨率的最優(yōu)化問題,設(shè)置振鏡組兩個(gè)振鏡頻率分別為100Hz和0.5Hz,并適當(dāng)調(diào)節(jié)振鏡振幅以調(diào)節(jié)掃描區(qū)域恰好和眼底照明區(qū)域重合?？梢钥吹?其在XY平面的投影清晰顯示了眼底血管和神經(jīng)的分布。特別是血管交叉(如圖11中A點(diǎn))及分叉處(如圖11中B點(diǎn)),是視網(wǎng)膜血管類疾病的高發(fā)地。例如高血壓視網(wǎng)膜病變(hypertensiveretinopathy),會(huì)形成動(dòng)靜脈的交叉壓迫。1953年開始國際上已將高血壓視網(wǎng)膜病變和視網(wǎng)膜動(dòng)脈硬化進(jìn)行分級,分級依據(jù)里就有動(dòng)脈管徑形狀和反光特性。而測量管徑和對比反光特性正