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光学相干断层扫描

发表时间:2022-10-11  |  点击率:158

光学相干断层扫描

光学相干断层扫描(Oct)是一种非侵入性、高分辨率的光学成像技术,其根据从被研究对象和局部参考接收的干涉信号来创建横截面图像。Oct通常用于医学领域,用于疾病诊断和治疗监测,以获得特定器官的实时图像,用于组织结构的直接可视化。Oct系统的轴向深度分辨率在5-10µm范围内,可提供生物组织的活体“光学活检"(图1)。与共焦显微镜相比,光学相干断层扫描(Oct)的轴向分辨率高100倍,并为体内诊断提供了一种无标记方法。虽然可以使用多种光源,但使用宽带光源进行光学相干断层扫描(Oct)可以为系统开发提供一种具有成本效益的选择,并为生物组织提供安全的能量水平。

图1:光学成像分辨率比较

工作原理

Oct的主要思想是将深度信息编码在从样品反射的光中。深度信息可以通过Oct以几种方法中的任何一种来提取。

这些方法属于下面描述的两大类中的一类。迈克尔逊型干涉仪用作任何Oct系统的基础(图2)。Oct的第一个实现称为时域Oct(TD-Oct)。

TD-Oct的基本原理依赖于来自宽带光源的光被分束器分成两条路径。在通过分束器之后,一束光束被引导到样品,另一束光束被引导到移动参考镜。

来自参考臂的光在其移动时将行进特定的光程,并且由于光源的低相干长度,将仅与在样品臂中行进相同光程的光形成干涉图案。

反射镜移动时的干涉强度提供了深度分布图(“ A扫描")。通过光栅化A扫描的位置,干涉图案可以产生体内组织的二维(2D)和三维(3D)图像。

傅里叶域Oct(FD-Oct)是从迈克尔逊干涉仪中产生的干涉中提取深度分布的另一种方法。

像时域Oct一样,它利用来自参考镜的反射和来自样品的反射,但在这种情况下,参考镜是静止的。

通过例如使用光栅将光谱扩展到阵列检测器上来获取重组光的光谱。深度信息被编码在干涉信号的频谱中。

一旦从干涉信号中收集了光谱信息,就通过傅里叶变换计算A扫描(深度分布)以产生高分辨率图像。

图2:TD-Oct光学图

自光学相干断层扫描首/次推出以来,已经开发了许多增强功能。改进这项技术的努力一直持续到今天。

一个特别有前途的增强是使用自适应光学来提高Oct图像的清晰度。如图1所示,自适应光学相干断层扫描(AO-Oct)

通过利用校正光波前的自适应技术来提高系统性能。例如,在AO-Oct系统中使用可变形反射镜代替标准光学反射镜,以减少当前的像差,并产生2-5µm量级的更高轴向分辨率。

光路描述

Oct系统可以由如下所述的离散光学部件或者由它们的光纤等效物构成。

1、光源:根据Oct的经典原理,采用相干长度较短的宽带光源进行成像。发射光的短相干长度决定了Oct成像的轴向分辨率。

然而,诸如波长扫描激光器的替代源可用于优化给定样品的频率相关反射率,以获得比使用TD-Oct可能的图像质量更好的图像质量。

根据样品的不同,也可以使用特定的波长范围,例如可见光或红外光来减少光散射。根据样品选择合适的光源可以优化Oct系统的性能。

2、分束器:在Oct中可以使用平板或立方体分束器将光分成两个不同的路径:参考光束和样品光束。

分束器允许参考光束被反射到参考镜,同时使用光学透镜将样本光束聚焦到样本中。

3、介质光学反射镜:该反射镜用于将参考光束反射到已知路径长度,并返回到干涉系统中。

TD-Oct系统中安装的参考镜将具有受控平移,以允许对样品进行轴向扫描。

在FD-Oct中,反射镜是固定的。这些镜子具有电介质涂层,这对于反射应用是理想的,因为镜子具有大于99%的反射。

4、光学透镜:标准平凸透镜(PCX)可用于将分离的光束路径聚焦到样品和探测器中。

为了减少潜在的球面像差和色差,可以使用非球面或消色差透镜。这些透镜将以较小的光斑尺寸将光聚焦到样品中,并减少像差,从而使Oct系统更加精确。

5、检测器:在TD-Oct和某些类型的FD-Oct的情况下,检测器可以是单个光电二极管的形式,或者对于传统FD-Oct,

检测器可以是对从样品和参考光束返回的辐射敏感的电荷耦合器件(CCD)或CMOS阵列。

6、变形镜:AO-Oct专用。可变形反射镜是一种自适应光学器件,用于减少像差并提高图像质量,以获得更高的分辨率。

反射镜的形状由外部信号控制,以校正波前,从而增强系统性能。

图像外观

探测器记录的输出信号是深度扫描或通常称为A扫描或1D扫描(图3)。A扫描描述了系统的轴向分辨率,它由光源的带宽或相干长度定义。

当光源的带宽减小时,轴向分辨率增加,从而增加系统的分辨能力。在收集A扫描之后,光束横向移动穿过样品以收集B扫描。

B扫描提供横截面结构信息,该信息将基于干涉光信号的幅度、相位、频移和偏振产生2D图像。

通过收集每个B扫描的多个A扫描和每个3D体积的多个B扫描来形成3D或体积图像。在轴向和横向方向上收集的强度信息允许在后处理中形成3D图像。

图3:Oct图像采集

Oct系统产生的图像可用于观察样品中的多层结构,例如眼睛的层(图4)。例如,下图显示了右侧视网膜的Oct图像与左侧2D数字视网膜图像的对比。

Oct图像更好地定义了视网膜组织密度的差异以及颜色强度的变化,例如,可以看到疤痕组织的形成。图像中产生的色标是样品内部结构反射率差异的结果。

图4:Oct视网膜图像

Oct的应用

应用1:眼科

光学相干断层扫描使临床医生能够更好地诊断眼科疾病,如导致视力模糊的年龄相关性黄斑变性(AMD)(图5)。

AMD的两个原因是由于组织变薄导致的视网膜退化(干性AMD)或视网膜下渗漏血管的形成(湿性AMD)。

与以前仅提供定性数据的程序相比,Oct技术使医生能够定量表征视网膜组织形态的变化。

例如,光学相干断层扫描(Oct)可提供分辨率为5-7µm的视网膜图像,以跟踪生物标记物,如渗漏血管的形成。

还可使用光学相干断层扫描(Oct)通过量化视网膜厚度和生物标记物来跟踪治疗的有效性,以确定疾病是否正在进展。

图5:老年黄斑变性

应用2:心脏病学

Oct适用的另一个领域是心脏病学,用于诊断心脏病发作的可能性。心脏病发作的主要原因之一是动脉粥样硬化,当脂肪斑块破裂,钙在动脉壁内层积聚,

阻塞血流时,就会发生动脉粥样硬化。临床医生已转向利用Oct技术在破裂前检测易损斑块。

光学相干断层扫描(Oct)使医生能够以5-7µm的图像分辨率观察动脉壁中的斑块,以确定斑块的大小、形状和位置。

与血管造影术和血管内超声等其他诊断方法相比,光学相干断层扫描(Oct)的高灵敏度可更好地进行轴向穿透,以观察破裂前的斑块,从而实现早期诊断。

Edmund Optics®的光学相干层析成像

Edmund Optics®为Oct系统提供广泛的光学器件。随着Oct技术的进步,Edmund Optics®将继续扩大我们的产品选择和技术支持。

值得注意的Oct技术趋势包括系统便携性、可访问性和小型化。多模式Oct将显微镜或内窥镜等辅助技术与Oct、AO-Oct和基于微型Oct芯片的系统相结合,

是未来最/流行的Oct技术。这些先进的Oct技术将继续推动生物医学、材料加工和其他工业应用领域的创新,Edmund Optics®将继续支持这一应用领域。

可见和近红外平板分束器

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