基于旋转扫描探头的OCT内窥成像系统设计

　　0　引言

　　光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种无损伤、非侵入、高分辨率生物医学成像技术[1].OCT成像的基本原理类似于超声成像[2],探测反射或散射回来的信号获得物体的断层图像,不同的是OCT技术利用的是光波而不是声波信号.OCT技术通过飞行时间法来对样品不同反射层的超短时间延迟进行测量,其核心是迈克尔逊低相干干涉仪,它利用参考光和样品的信号光脉冲序列间的干涉现象,来探测不同深度层(z方向)的样品结构,然后通过探头或样品平移台在X-Y方向上实现扫描,并将得到的信号经计算机处理,从而得到样品的断层图像[2-3].OCT技术的纵向分辨率与横向分辨率相互独立,可以达到十几μm,相比目前临床成像的手段其分辨率要高出一个数量级[4].建立基于OCT技术的内窥系统,分析系统信噪比与干涉仪分光比之间的关系,在样品臂设计内窥镜前端探头实现旋转扫描成像.

　　1　OCT成像原理

　　OCT技术建立在低相干干涉基础上,利用OCT技术获取组织信息主要有时域OCT法和频域OCT法[1-2].时域OCT中,样品的深度信息是通过改变参考臂光程逐点采集获得层析图像,成像的过程中需要参考臂的纵向扫描,限制了成像速度.而频域OCT技术,深度扫描信息由背向散射光谱的反傅里叶变换获得,简化了轴向扫描过程,大大提高成像速度.

　　频域OCT利用位于干涉仪出口处的光谱仪,记录下干涉信号的光谱,经过计算得到样品深度信息[5].光源发出的光分成两束部分相干光,一束沿深度方向穿透物体,并由某一散射层中心背向散射,另一束光由参考镜反射.

　　两束光在干涉仪探测臂汇合,由光谱仪记录得到干涉图样的光谱,干涉信号可以记录为一频率函数

　　为干涉臂探测得到的光强,Is、Ir分别为样品散射光(信号光)和参考光强,Δl为信号光和参考光的光程差.

　　式(1)中,Is、Ir表现为光电探测器的直流电平,作为背景信号会降低图像的对比度,(k·Δl)是参考光与样品背向散射光之间的干涉,可以通过反傅里叶变换得到样品深度信息Δl.频域OCT的测量范围主要取决于光谱仪的分辨率.由式(2)决定,δλ即表示为光谱仪的分辨率大小.

　　OCT图像的纵向和横向分辨率是相互独立的.横向分辨率由扫描光束的聚焦点大小决定.纵向分辨率由光源的带宽决定,对于高斯型谱分布的光源表示为：

　　干涉信号的强度和两臂的反射率及分光比有关系,进入样品臂的光传播函数为

　　ls为传播的光程,ξ为迈克尔逊干涉仪的分光比(这里指参考光的耦合效率),α为衰减系数,附加相位差为π/2.得到探测光强度为