光学相干层析技术中横向扫描系统综述

　　1　引　言

　　光学相干层析技术[1~3](optical coherence tomography, OCT)是近十年来继超声成像,X射线,CT,MRI之后迅速发展起来的一种成像技术。它利用宽带光源的低相干特性,根据干涉测量原理,采用高精度,高速扫描驱动机构,通过检测生物组织不同深度层面的背向反射或散射信号,获得生物组织二维或三维结构[4]。由于OCT系统主体功能是获取深度方向的层析信息,在实际应用中,一个点的层析信息远远不能满足需求,从而产生了各式各样横向扫描方式,形成二维层析图像,甚至三维层析图像,使其广泛应用于众多医学领域,主要由以下几种形式出现: (1)光纤谐振扫描; (2)微机电系统(MEMS); (3)微马达旋转扫描。以下将对这几种形式进行详细的介绍,并且通过对比其优劣性的分析比较,在实际的应用系统中,选择最佳的方法实现横向扫描。

　　2　横向扫描方式

　　2.1　光纤谐振扫描

　　光纤的谐振扫描主要是利用压电双晶片的逆压电效应,将电能转化为机械能,通过施加方波(或正弦波)电压,利用双晶片的固有频率,实现共振,达到位移的最大值。最初Boppart S A[5]等采用在压电双晶片上安装带有尾纤的自聚焦透镜。当给压电双晶片施加一定频率的电压,随着压电双晶片的在厚度方向上的振动,带动自聚焦透镜实现了横向的扫描。如图1所示。

　　该方法存在的问题是自聚焦透镜的焦距是一定的,且它的重量也影响了压电双晶片的振动速度。因此采用透镜组来代替自聚焦透镜[5],并将透镜组分离于压电双晶片。这样共振频率就是压电双晶片自身的固有频率,极大地提高了振动速度。而且通过透镜组L1和L2可以改变工作距离。显然,这两种方法都只实现了OCT一个方向上的横向扫描。

　　Li X D[6]等利用压电陶瓷管,实现横向上两个正交方向的扫描。如图2所示。该探头的压电陶瓷管外层分成四个区域,形成两对电极(X和Y)。当给其中一对电极施加正弦电压,压电陶瓷管就会在这个方向发生形变,从而带动光纤弯曲。同理,对Y轴也可施加正弦电压,便可得到Y方向上的光纤弯曲。

　　从而实现了横向正交方向的扫描。这样就可以完成三维图形的构建。由于压电陶瓷管的共振频率较大,因此可以实现快速扫描,为实时成像提供了有利条件。图3是由压电陶瓷管驱动获得的人手指指端的在体成像。

　　由于压电陶瓷管的X轴和Y轴都需要加上驱动,且位移量较压电双晶片要小很多,最多达到100μm,黄刚[7]等采用单驱动,同样实现压电双晶片的二维扫描。该探头也是利用光纤悬臂的共振特性,但结合了光纤悬臂的结构不对称性,使光纤悬臂在正交方向具有不同的共振频率。通过对压电双晶片施加接近于上述两种共振频率的混频信号,同时激发光纤悬臂两正交方向上的振动,实现光纤悬臂的单驱动二维扫描。如图4所示,由于刚性支撑物与压电双晶片表面成一定角度,使得悬臂结构不对称,当外加电压频率和BC段或者AC段的固有频率接近时,悬臂都将产生共振。当采用混频信号时,可实现如图5所示的二维扫描。图5中是对硬币表面某特定区域横断面所成的图像。