Chapter 2 Theory of Optical Coherence Tomography 2.1 Introduction Question 1 The coupler is assumed to split the incident optical power evenly into sample and reference arms, although many practical OCT system designs take advantage of unbalanced power splitting, as has been described both theoretically and experimentally. Two references are cited here. [1] Rollins, A. […]

Chapter 1. The development of Optical Coherence Tomography 为什么1300 nm的OCT系统是最常用的？ Why Ophthamology and Cardiovascular OCT are two most commercial applications? OCT技术的发展与激光器技术的发展有什么关联？ SS-OCT相较于SD-OCT的优缺点是什么？更适用于什么应用？眼科？心血管？ How cardiovascular OCT is performed in the surgery room? 心血管OCT的市场发展历程、未来展望是怎么样的？

光学相干断层扫描技术（Optical Coherence Tomography, OCT）最早出现在20世纪90年代，起初主要是用于眼科成像。之后OCT很快便与光纤技术相结合，并应用在内窥成像中。OCT系统本质上就是一个迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometry），光源发出的光经过分光棱镜，分为了两束；其中一束进入参考臂，遇到一个反射镜，被逆向反射；另一束则入射到样品上，假设样品为单层组织，光束也被逆向反射。两束逆向反射的光重新被分光棱镜合束，其干涉信号也在探测器处被记录下来。有一个经典的图，就解释了迈克尔逊干涉仪的原理（图1.1）。 图1.1 迈克尔逊干涉仪的原理图. 这其实就很好解释了以下这句话的后面半句[1]： OCT performs high-resolution,cross-sectional, and three-dimensional volumetric imaging of the internal microstructure in biological tissues by measuring echoes of backscattered light. 一个多层组织会将入射的光子逆向散射回去，与参考臂中被逆向反射的光在探测器处发生干涉，所得的光谱会被记录下来。OCT的一个特性是高分辨率，其轴向分辨率（Axial Resolution）一般在1微米到15微米。这里所说的“高分辨率”，其实是和超声成像（几百微米）相比的，这两种成像模式非常类似，有机会可以再写一下。 大家都知道超声成像，却少有人知道OCT，要是有人问你OCT和ultrasound imaging的区别，你会怎么回答呢？ OCT的轴向分辨率主要是由光源的中心波长和光谱带宽决定的，现有的OCT系统根据波长，可以主要分为可见光OCT，800nm OCT，1300nm OCT，其轴向分辨率逐渐由好变差，但可见光OCT的成像深度更浅（小于1mm），其色散问题也会更加严重。 回到分辨率的问题，OCT的横向分辨率（Lateral or Transversal Resolution）是与轴向分辨率相独立的，同样会受到衍射极限的限制，其实也就是艾里斑（Airy disk）的大小。 假如光束是高斯的，那OCT的横向分辨率公式是怎样的，受到哪些因素的影响呢？ 接下来要说的就是OCT的信号表示方式，OCT的轴向扫描能获得一维信号，称为A-line或者A-scan，OCT的二维扫描（比如内窥系统中将OCT探针沿圆周360度旋转），得到B-scan；进一步，若是OCT探针在旋转的同时，将其沿纵向从前往后推进，就能得到三维图像（见图1.2）。 在OCT中，C-scan是什么？M-scan又是什么？ 图1.2 OCT生成一维、二维和三维信号以及内窥式OCT的样品臂示意图. 参考资料 [1] D. Huang, E.A. Swanson, C.P. Lin, J.S. Schuman, […]

首先，为什么要做这个专题呢？ 我发现国内的知识平台上好少做光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography，OCT）的详细介绍,在知乎上搜一搜，有一些和行业有关的市场报告，还有少许的文章分享，但也是很粗略的那种。我知道作为一个研究生，阅读英文文献是必备的技能，外文资料库中关于OCT的介绍必然很详尽。但对于刚接触OCT的人来说，最直接、最快速的方式还是通过母语搜索获得所需信息。我想起当初自己刚入门的时候，也是在知乎上搜索，想找找有关OCT的严谨的基础理论推导，确实不好找。现在自己在这个领域也待了两年，有一点工程上的经验，也想进一步理清曾经学习过的理论知识，所以就想花点时间写一下这个专题，既能帮助自己夯实理论基础，同时也希望能对刚入门或者想进入OCT这个充满前景的领域的同学们。 所以，这个专题也不能算是完全的科普，主要针对我自己和有志于进入OCT这个领域的朋友。另外，我的研究领域主要是内窥式光学相干断层扫描(Endoscopic OCT)，所以之后的深入介绍也会在这个方向。 说句题外话，之前在本科的学习阶段，作为一个光电专业的学生，我就体会到了光学工程这个行业的封闭性，像光行天下、光学社区这类的论坛网站都是非常小众的，里面的各种帖子、附件都需要刷经验才能读取。最近几年，ZEMAX官方开了一个论坛，还是挺好的，里面的知识库对大众都是开放的，并且注册用户可以在论坛提问，上传附件寻求解决方案，一般一周之内就会有官方技术人员做出回复。 再进一步，说说OCT这个领域，它就是一个更加小众的方向。当然，我这么说并不代表它没有市场。在某一个小的领域，只要做的精，也是完全能站得住脚的。作为一个小众的领域，它就天然具有封闭性，并且OCT本身的原理十分明了，绝大多数工作都集中于如何提高它的性能。这其中的确存在技术上的创新，可以在各种文献中学习；但更多的还是工程性的问题，要有一个好的OCT系统，非常需要动手的经验，而我们几乎不可能从文章中学到这种经验。遇到这种情况，要不请教导师，要不就是买一个现成的系统。 最后，回到主题。对于这个专题的开始阶段，我准备从基本的OCT介绍开始，然后推导OCT的基本公式，包括相干长度（coherence length）、轴向分辨率（axial resolution）和横向分辨率（transversal resolution）等等，然后进入我主要做的内窥式OCT领域。也许中间会穿插分享一些OCT早期的文章，但还没想好。 对于基础知识部分，主要的参考书: [1] Optical Coherence Tomography_ Technology and Applications – Wolfgang Drexler & James G. Fujimoto [2] Biomedical Optics_ Principles and Imaging – Lihong V. Wang & Hsin-i Wu 一些链接： 光学社区：http://www.optzmx.com/ 光行天下：http://www.opticsky.cn/ Zemax knowledge: https://support.zemax.com/hc/en-us Zemax Community: https://community.zemax.com/