实时超高分辨率频域光学相干层析成像系统的研究

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摘要 提出了实时超高分辨率频域光学相干层析成像系统的研究思路，论述了本系统的优势，以及在医学、材料科学、机械科学、力学等方面的应用前景。

关键词 实时；频域光学相干层析成像；超高分辨率

中图分类号O6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）77-0113-02

0引言

光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography， OCT）是由美国麻省理工学院的 Dr. Huang 等人于1991年发表在Science杂志上的一种医学成像技术。这种技术是用低相干光源作为探测光，基于Michelson干涉仪或Mach-Zehnder干涉仪。在干涉仪中，样品臂返射回的样品光和参考臂返回的参考光相干，形成干涉光，被光电转换元件转成电信号，电信号进一步被计算机采集成数字信号，然后由采集到的数字信号重建样品图像。这种成像技术具有非入侵，非接触，无损伤，高分辨率，深度解析成像等优点。这些优点致使这种成像技术自从出现就吸引了世界上众多科学研究人员的眼球。其最初也是最成功的应用是在眼科医学成像方面，后来逐渐渗透到包括消化系统，癌症，血流，血管造影，材料应力检测，艺术品检测，珠宝鉴定等众多领域。经过研究者们十几年的共同努力，OCT技术得到飞速发展。它已由原来的时域光学相干层析成像（TD-OCT）发展到目前频域光学相干层析成像（FD-OCT）。相对于TD-OCT， FD-OCT 具有成像速度快，成像动态范围高等优点。FD-OCT 也是目前主要研究领域。

1本系统的优势

和已有的其它成像技术比起来，OCT技术的分辨率高。通过采用宽带光源，OCT的分辨率可以低于1?m，CT， ECT， MRI和超声的成像分辨率一般高于1mm，显微镜的分辨率可以达到1?m，但是它不能成深度图像。OCT的探测深度又与光源的光能、成像形式（频域还是时域）、探测元件等等有关，一般情况下探测深度小于3mm，共焦显微镜的成像分辨率很高，但是成像深度只限于几个微米，超声成像的深度与分辨率基本成反比，随着深度增加它的成像分辨率降低。

OCT是非入侵、无创伤成像技术，OCT将光通过物镜聚焦于样品内部，样品的后向散射光又通过物镜耦合到干涉仪，无需任何元件接触样品。此外，OCT的光源功率一般都在毫瓦量级，经分光后再经过各种器件，最后聚焦的样品上的光功率一般都在毫瓦以下，对人体组织不会造成伤害。而X射线对人体有害，在长时间X射线曝光下，致癌的几率明显增加。核素成像利用放射元素照射组织，其发出的γ射线，对人体也有伤害，超声成像对人体无害，但它是接触测量，会影响测量结果。OCT的成本低廉，它的最贵的部件就是光源和相机部分，构建整套快速OCT成本在四、五万美元左右，而CT、MRI、ECT等属于大型医疗设备，价格昂贵。

高速，我们这里预期定在每秒30幅图像。高速虽然没有严格定义，但目前来看，成像速度的追求带来的不仅仅是节省时间的问题，另外因为OCT系统比较敏感，分辨率高，所以样品的微小移动会引起图像质量下降。从而给医生诊断带来困难。所以提高成像速度是势在必行的，速度越高越好。

超高分辨率成像是光学相干层析成像技术应用于实际眼科疾病检测的前提。图像的分辨率越高，提供给人们的信息就越多，对研究人员来讲，越有利于做图像处理、分析，以便提取信息，对医生来讲，也越利于医生诊断疾病。

2 OCT技术的国内外发展现状、水平

经过国际上众多研究人员的不懈努力，目前，OCT研究向着两个方向发展：第一个是成像系统的性能方面，包括成像速度、纵向分辨率、成像系统的动态范围。在TD-OCT时代，由于成像受到参考臂扫描元件的影响，成像速度很低，系统的敏感度相比FD-OCT也很低，再加上TD-OCT是有专利权的，所以当FD-OCT出现后，几乎所有的研究小组都转向FD-OCT研究。Fujimoto是研究高速成像最早的小组，近来，Tilman Schmoll 等人报道了每秒采集200，000线的视网膜血流成像。Sucbei moon等人报导了采集速度高达500，000的系统，据了解，目前OCT成像速度最高的是Donghak Choi[7]等人报导的系统，达每秒60，000，000线的采集速度。成像的分辨率从十几微米到几个微米，甚至小于微米量级。成像的高分辨率为医学人员检测疾病带来了极大的方便。第二个发展包括应用研究方面。一方面系统形式多样化，比如多普勒光学层析成像（Doppler OCT），血管造影术用来探测血流，流体等。偏振敏感光学层析成像（Polarization Sensitive OCT）技术不仅可以探测样品的强度信息，而且还可以用来探测样品的双折射信息，另外还有光谱学光学相干层析技术用来研究样品的光谱吸收性能，光弹光学层析技术用来研究样品的内应力。值得一提的是光弹光学层析技术，多普勒光学层析成像技术都是基于高速成像的技术。由于层析成像技术在眼科成像领域发展较早，应用较广，所以我们不得不单独谈目前它在眼科医学成像方面的发展现状和趋势。FD-OCT高分辨率成像首先在眼科成像领域展开，最初只限制在结构的研究，后来渐渐发展到眼睛组织的双折射敏感成像，视网膜血流的成像、探测。三维成像技术也在眼科领域展开。这些都为医生探测疾病提供了更多有用信息。

目前，我国的OCT技术尚处在起步阶段。国内也有一些研究小组，比如天津大学特聘教授王瑞康领导的课题组，由马振鹤主持做过频域双相位OCT技术和高速OCT的研究，其成像速度可以达到每秒1，000线，范传茂在该实验室于2007年提出并研制成偏振敏感FDOCT. 清华大学深圳研究院何永红曾在英国Crandfield大学做OCT方面研究，后在清华大学深圳研究院做过OCT方面的肌肉组织相关研究，清华大学薛平领导的研究小组曾报道过兔子眼睛的成像，但是成像速度和成像分辨率远未达到能真正应用到实际眼科医学成像检测中。

3 光学相干层析成像系统的建设

3.1光学相干层析成像系统平台的建设

SLD 发出的宽带低相干光通过光隔离元件耦合到2×2的耦合光纤。50%的光入射到参考臂，50%的光聚焦入射到样品。参考臂的反射光和样品臂的样品反射光相干，干涉信号通过光谱仪接收，样品光在样品上的扫描和CCD 上干涉信号的采集是通过图像采集卡和数据采集卡同步的。当样品光遍历样品上所有的点时，信号采集就完成了。样品光的大小决定图像的横向分辨率，即由物镜的焦长和入射光束的光斑大小决定，分辨率一般在10微米～30微米左右。而图像的纵向分辨率由光源决定，我们的系统要求纵向分辨率在1微米`2微米左右。由于成像分辨率很高，扫描稳定性要求高，整个系统非常精密。所以整个系统要架构在光学平台上。

扫描镜和相机信号采集同步是通过信号采集卡和图像采集卡实现。图像采集卡的时钟信号为母信号，用它触发控制扫描镜的模拟信号和图像采集卡每一列光谱信号的采集。

另外整个系统的控制是基于Labview 软件的。Labview 软件是非常适合在实验研究中使用的，它给研究人员提供了基于图形的编程语言，非常灵活。

3.2 超高分辨率图像的重建软件的研发

系统采集到的是干涉光谱矩阵，每一线干涉光谱编码了样品的每一点上对应的整个深度的信息。采集到的光谱是以波长均匀展开的数列，将光谱插值到K（波数）空间，然后进行富里叶变换，就得到整个深度信息。依此，将所有采集到的光谱进行同样的变换，取富里叶变换后的幅度，再组成矩阵，就得到样品的图像。示意图如下：

在图像重建过程中，A为采集到的干涉光谱，将干涉光谱插值到K空间，也就是频率空间，再做富里叶变换就得到B中信号的强度信息，实际上图B是当样品为镜面时的强度。如果对样品进行扫描，如图C，则每一扫描位置对应C中左边样品光反射强度信号。组合起来就得到二维灰度图像，如果再对样品进行另一个方向扫描，则可以重建三维图像，如图D。

由于要实现超高分辨率的成像，系统用的是宽带光源，超高分辨率图像的重建就会受到色散的影响，因为在眼体成像中，探测光要穿前房、晶状体、玻璃体，其中玻璃体的厚度达到2cm，这会引起很大的色散，从而影响成像纵向分辨率。消除色散办法主要分为两类：在系统中加入色散补偿元件，第二类方法是用软件做色散补偿。我们把两种方法结合使用，预期将会得到质量更好的图像。

4 结论

光学相干层析成像技术是一种新兴的成像技术，实时超高分辨率频域光学相干层析成像则克服了时域光学相干层析成像技术的缺点，具有成像速度快，分辨率高等优点，整套系统比照目前主流成像设备具有成本低廉，性能优良，对机体无损伤等优点，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]唐镇生.CT 原理和医学应用.上海：科学技术文献出版社，1987，3.

[2]周永昌，郭万学.超声医学.北京：科学技术文献出版社，2003，6.

[3]赵喜平.磁共振成像系统的原理及其应用.北京：科学出版社，2000，12.