一种高速的光学相干层析成像系统

　　1　引　　言

　　光学相干层析成像技术(Optical Coherence To-mography,简称OCT)是在光学相干域反射测量技术[1]的基础上发展起来的。它利用宽带光的低相干特性,对生物组织的内部微结构进行高分辨率断层成像[2]及其多种光学性质的测量。与传统的光学显微镜相比,OCT采用弱相干性来抑制背景能量,可获得比传统的超声波成像高1～2个数量级的分辨率(μm级),且具有完全的非接触性与非侵入性,可在自然条件下进行实时在体测量。OCT系统不但能对透明组织进行成像,还可以获得高散射样品的层析图像,如皮肤等。但对于不停进行新陈代谢的活体组织,如果不能在短时间内成像,细胞生命活动、毛细管脉动等带来的微小位移会导致OCT的图像模糊、失真,因此若想实现对生物组织的实时探测,提高系统的成像速度就成为必要。传统光学相干层析术系统多采用机械点扫描方式来获取二维图像(成像时间为秒以上),限制了系统的成像速度。基于以上原因,为了进一步提高成像速度,我们设计了一种线扫描方式的OCT成像系统。

　　2　传统光学相干层析术系统工作原理

　　光学相干层析系统的核心是一个光纤迈克耳逊干涉仪,待测生物组织取代一个反射镜,如图1所示,低相干光源(如超幅射发光二极管SLD)发出的弱相干光经四端光纤耦合器(50/50分束)分成两路,一路经过共焦透镜系统聚焦在样品上,组成了样品臂;另一路经透镜准直到平面反射镜上,组成参考臂。由相干条件可知,当从参考臂返回的参考光与信号的反向散射光的光程差在光源的相干长度之内时[3],发生干涉,干涉信号的强度反映着样品的散(反)射系数,被探测器探测。

　　3　线扫描的实现

　　对生物和医学诊断来讲,高的成像速度是十分必要的。因为生物体是移动的,其测量速度应足够快,才可以达到实时在体测量。由上述分析可看出,样品臂的成像系统在理想情况下是点成像,对任意点(x,y)需进行二维扫描才可以得到二维图像,这必将限制了成像速度。如果可以改变成像方式,将点成像变为线成像,使二维图像的获得只需进行一维扫描,降低扫描维数,则可以使成像速度大大提高。如图2所示,我们利用柱面镜的成像特性设计了一种高速的OCT成像系统。系统中采用一块半透半反镜来进行分束,光源发出的弱相干光通过成像系统,经分束器分别进入样品臂和参考臂,在生物组织上成的像为z方向延展的像面,以线成像代替了点成像。通过对物体的纵向(y方向)的扫描就可得到二维图像。匀速移动参考镜得到轴向扫描,实现三维测量,信号经适当处理,可得到断层图像。这种结构与传统结构相比的主要优点是,采用一维扫描方式直接获得二维图像,从而大大提高了成像速度,若对于一幅像素点为100×100的图像,用线扫描方式,可使扫描速度提高两个数量级,可对组织实现快速、实时的光学断层成像。