光學相幹斷層掃描

光學相幹斷層掃描

光學相幹斷層掃描（Oct）是一種非侵入性、高分辨率的光學成像技術，其根據從(cong) 被研究對象和局部參考接收的幹涉信號來創建橫截麵圖像。Oct通常用於(yu) 醫學領域，用於(yu) 疾病診斷和治療監測，以獲得特定器官的實時圖像，用於(yu) 組織結構的直接可視化。Oct係統的軸向深度分辨率在5-10µm範圍內(nei) ，可提供生物組織的活體(ti) “光學活檢"（圖1）。與(yu) 共焦顯微鏡相比，光學相幹斷層掃描（Oct）的軸向分辨率高100倍，並為(wei) 體(ti) 內(nei) 診斷提供了一種無標記方法。雖然可以使用多種光源，但使用寬帶光源進行光學相幹斷層掃描（Oct）可以為(wei) 係統開發提供一種具有成本效益的選擇，並為(wei) 生物組織提供安全的能量水平。

圖1：光學成像分辨率比較

工作原理

Oct的主要思想是將深度信息編碼在從(cong) 樣品反射的光中。深度信息可以通過Oct以幾種方法中的任何一種來提取。

這些方法屬於(yu) 下麵描述的兩(liang) 大類中的一類。邁克爾遜型幹涉儀(yi) 用作任何Oct係統的基礎（圖2）。Oct的第一個(ge) 實現稱為(wei) 時域Oct（TD-Oct）。

TD-Oct的基本原理依賴於(yu) 來自寬帶光源的光被分束器分成兩(liang) 條路徑。在通過分束器之後，一束光束被引導到樣品，另一束光束被引導到移動參考鏡。

來自參考臂的光在其移動時將行進特定的光程，並且由於(yu) 光源的低相幹長度，將僅(jin) 與(yu) 在樣品臂中行進相同光程的光形成幹涉圖案。

反射鏡移動時的幹涉強度提供了深度分布圖（“ A掃描"）。通過光柵化A掃描的位置，幹涉圖案可以產(chan) 生體(ti) 內(nei) 組織的二維（2D）和三維（3D）圖像。

傅裏葉域Oct（FD-Oct）是從(cong) 邁克爾遜幹涉儀(yi) 中產(chan) 生的幹涉中提取深度分布的另一種方法。

像時域Oct一樣，它利用來自參考鏡的反射和來自樣品的反射，但在這種情況下，參考鏡是靜止的。

通過例如使用光柵將光譜擴展到陣列檢測器上來獲取重組光的光譜。深度信息被編碼在幹涉信號的頻譜中。

一旦從(cong) 幹涉信號中收集了光譜信息，就通過傅裏葉變換計算A掃描（深度分布）以產(chan) 生高分辨率圖像。

圖2：TD-Oct光學圖

自光學相幹斷層掃描首/次推出以來，已經開發了許多增強功能。改進這項技術的努力一直持續到今天。

一個(ge) 特別有前途的增強是使用自適應光學來提高Oct圖像的清晰度。如圖1所示，自適應光學相幹斷層掃描（AO-Oct）

通過利用校正光波前的自適應技術來提高係統性能。例如，在AO-Oct係統中使用可變形反射鏡代替標準光學反射鏡，以減少當前的像差，並產(chan) 生2-5µm量級的更高軸向分辨率。

光路描述

Oct係統可以由如下所述的離散光學部件或者由它們(men) 的光纖等效物構成。

1、光源：根據Oct的經典原理，采用相幹長度較短的寬帶光源進行成像。發射光的短相幹長度決(jue) 定了Oct成像的軸向分辨率。

然而，諸如波長掃描激光器的替代源可用於(yu) 優(you) 化給定樣品的頻率相關(guan) 反射率，以獲得比使用TD-Oct可能的圖像質量更好的圖像質量。

根據樣品的不同，也可以使用特定的波長範圍，例如可見光或紅外光來減少光散射。根據樣品選擇合適的光源可以優(you) 化Oct係統的性能。

2、分束器：在Oct中可以使用平板或立方體(ti) 分束器將光分成兩(liang) 個(ge) 不同的路徑：參考光束和樣品光束。

分束器允許參考光束被反射到參考鏡，同時使用光學透鏡將樣本光束聚焦到樣本中。

3、介質光學反射鏡：該反射鏡用於(yu) 將參考光束反射到已知路徑長度，並返回到幹涉係統中。

TD-Oct係統中安裝的參考鏡將具有受控平移，以允許對樣品進行軸向掃描。

在FD-Oct中，反射鏡是固定的。這些鏡子具有電介質塗層，這對於(yu) 反射應用是理想的，因為(wei) 鏡子具有大於(yu) 99%的反射。

4、光學透鏡：標準平凸透鏡（PCX）可用於(yu) 將分離的光束路徑聚焦到樣品和探測器中。

為(wei) 了減少潛在的球麵像差和色差，可以使用非球麵或消色差透鏡。這些透鏡將以較小的光斑尺寸將光聚焦到樣品中，並減少像差，從(cong) 而使Oct係統更加精確。

5、檢測器：在TD-Oct和某些類型的FD-Oct的情況下，檢測器可以是單個(ge) 光電二極管的形式，或者對於(yu) 傳(chuan) 統FD-Oct，

檢測器可以是對從(cong) 樣品和參考光束返回的輻射敏感的電荷耦合器件（CCD）或CMOS陣列。

6、變形鏡：AO-Oct專(zhuan) 用。可變形反射鏡是一種自適應光學器件，用於(yu) 減少像差並提高圖像質量，以獲得更高的分辨率。

反射鏡的形狀由外部信號控製，以校正波前，從(cong) 而增強係統性能。

圖像外觀

探測器記錄的輸出信號是深度掃描或通常稱為(wei) A掃描或1D掃描（圖3）。A掃描描述了係統的軸向分辨率，它由光源的帶寬或相幹長度定義(yi) 。

當光源的帶寬減小時，軸向分辨率增加，從(cong) 而增加係統的分辨能力。在收集A掃描之後，光束橫向移動穿過樣品以收集B掃描。

B掃描提供橫截麵結構信息，該信息將基於(yu) 幹涉光信號的幅度、相位、頻移和偏振產(chan) 生2D圖像。

通過收集每個(ge) B掃描的多個(ge) A掃描和每個(ge) 3D體(ti) 積的多個(ge) B掃描來形成3D或體(ti) 積圖像。在軸向和橫向方向上收集的強度信息允許在後處理中形成3D圖像。

圖3：Oct圖像采集

Oct係統產(chan) 生的圖像可用於(yu) 觀察樣品中的多層結構，例如眼睛的層（圖4）。例如，下圖顯示了右側(ce) 視網膜的Oct圖像與(yu) 左側(ce) 2D數字視網膜圖像的對比。

Oct圖像更好地定義(yi) 了視網膜組織密度的差異以及顏色強度的變化，例如，可以看到疤痕組織的形成。圖像中產(chan) 生的色標是樣品內(nei) 部結構反射率差異的結果。

圖4：Oct視網膜圖像

Oct的應用

應用1：眼科

光學相幹斷層掃描使臨(lin) 床醫生能夠更好地診斷眼科疾病，如導致視力模糊的年齡相關(guan) 性黃斑變性（AMD）（圖5）。

AMD的兩(liang) 個(ge) 原因是由於(yu) 組織變薄導致的視網膜退化（幹性AMD）或視網膜下滲漏血管的形成（濕性AMD）。

與(yu) 以前僅(jin) 提供定性數據的程序相比，Oct技術使醫生能夠定量表征視網膜組織形態的變化。

例如，光學相幹斷層掃描（Oct）可提供分辨率為(wei) 5-7µm的視網膜圖像，以跟蹤生物標記物，如滲漏血管的形成。

還可使用光學相幹斷層掃描（Oct）通過量化視網膜厚度和生物標記物來跟蹤治療的有效性，以確定疾病是否正在進展。

圖5：老年黃斑變性

應用2：心髒病學

Oct適用的另一個(ge) 領域是心髒病學，用於(yu) 診斷心髒病發作的可能性。心髒病發作的主要原因之一是動脈粥樣硬化，當脂肪斑塊破裂，鈣在動脈壁內(nei) 層積聚，

阻塞血流時，就會(hui) 發生動脈粥樣硬化。臨(lin) 床醫生已轉向利用Oct技術在破裂前檢測易損斑塊。

光學相幹斷層掃描（Oct）使醫生能夠以5-7µm的圖像分辨率觀察動脈壁中的斑塊，以確定斑塊的大小、形狀和位置。

與(yu) 血管造影術和血管內(nei) 超聲等其他診斷方法相比，光學相幹斷層掃描（Oct）的高靈敏度可更好地進行軸向穿透，以觀察破裂前的斑塊，從(cong) 而實現早期診斷。

Edmund Optics®的光學相幹層析成像

Edmund Optics®為(wei) Oct係統提供廣泛的光學器件。隨著Oct技術的進步，Edmund Optics®將繼續擴大我們(men) 的產(chan) 品選擇和技術支持。

值得注意的Oct技術趨勢包括係統便攜性、可訪問性和小型化。多模式Oct將顯微鏡或內(nei) 窺鏡等輔助技術與(yu) Oct、AO-Oct和基於(yu) 微型Oct芯片的係統相結合，

是未來最/流行的Oct技術。這些先進的Oct技術將繼續推動生物醫學、材料加工和其他工業(ye) 應用領域的創新，Edmund Optics®將繼續支持這一應用領域。

可見和近紅外平板分束器

反射率在400-700nm或700-1100nm時≤1%，以減少背向反射

與(yu) 金屬塗層相比，寬帶電介質塗層具有最小的能量損失

50/50反射/透射比

適用於(yu) 低功率激光束

寬帶非偏振立方體(ti) 分束器

低偏振依賴性：|TS-TP|<6%

50/50反射/透射比

BBAR塗層表麵，實現最高/效率

/最小吸收損耗

寬帶介質λ/10反射鏡

在寬波長範圍內(nei) 的反射率大於(yu) 99%

能量損失極小，是波束控製的理想選擇

高度耐用的熔融石英基板

平凸（PCX）透鏡

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設計用於(yu) 0°入射角

光收集和聚焦應用的理想選擇

Lumedica Oct成像係統

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生物樣品成像、樣品表征和Oct教育的理想選擇

緊湊的台式設計