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“光学相干断层扫描技术”专题:1. OCT介绍

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, […]

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, W.G. Stinson, W. Chang, M.R. Hee,T. Flotte, K. Gregory, C.A. Puliafito, J.G. Fujimoto, Optical coherence tomography. Science 254, 1178–1181 (1991)

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