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/