基于谱分析的高分辨率白光OCT的研究

　　1　引言

　　光学相干层析术(OCT)是一种新发展起来的基于低相干的成像技术,它结合了超灵敏探测、精密自动控制和计算机图像处理等多项技术,能够实现对散射物快速、非侵入性的断层成像,具有微米级的空间分辨率和大的动态范围,由于在生物医学领域有强大的应用价值,因此近年来发展迅速[1]。OCT的纵向分辨率是由光源的相干长度决定的,随着这一技术的不断深入发展,如何有效提高纵向分辨率成为一个重点,高的成像分辨率能够提高实际探测的灵敏度和成像质量,有助于医疗诊断。本文提出基于谱分析的白光OCT,实现了高分辨率的探测。

　　2　OCT的工作原理

　　光学相干层析成像系统的工作原理类似于超声成像,只是用光波而不是声波,并结合了低相干干涉和共焦显微测量的特点。图1是通常用的OCT系统结构图,采用迈克尔逊光纤干涉仪系统,选用的光源为宽带光源,常用的是超辐射发光二极管(SLD),发出的光经2×2耦合器分别通过样品臂和参考臂照射到样品和反射镜,样品的反射光与参考臂端反射镜的反射光在耦合器中汇合,而两臂光程差只有在一个相干长度内才能发生干涉。由于干涉仪的样品臂是一个共焦显微镜系统,所以可以排除焦点外的样品散射光的影响。干涉信号输出到探测器,信号的强度对应样品的反射强度,经过解调电路处理最后由A/D卡采集到计算机进行灰度成像[2]。

　　一般光源采用高斯函数分布的光谱,所以纵向分辨率的表达式为

　　式中:Lc为相干长度,λ为光源的中心波长,Δλ为具有高斯光谱光源的半高全宽。从式中可以看出,光源波长越短、带宽越宽,那么相干长度越短,系统的纵向分辨率越高。

　　3　基于谱分析的白光OCT工作原理

　　根据纵向分辨率的表达式,提出了基于谱分析的白光OCT测量方法,测量系统的结构如图2所示。基于一个白光迈克尔逊干涉仪结构,采用6.5W卤素灯作为白光光源,从光源出射的光耦合进多模光纤(400μm芯径),然后准直成平行光束通过分束棱镜分别传输到样品和参考平面镜处,样品的反射光与参考臂端的反射镜反射回来的光在分束棱镜汇合,当两束光发生干涉,其干涉信号被光谱仪接收并测量其反射光谱[3]。

　　频谱仪由分光光度计、A/D转换电路和计算机组成。本实验使用的是美国Oceanoptics公司的光谱仪,用2048单元的CCD来接收信号,整个系统的光学分辨率小于0.7 nm。

　　白光源的光谱经过谱形的调整为近高斯型,如图3,白光光源的光谱宽度较SLD光源大的多,其相干长度很短,因此光源的自相关函数很尖锐,能够实现更高的纵向分辨率。中心波长λ为670 nm,Δλ约为198 nm,所以计算得到的相干长度约为1μm。对光源功率谱作傅里叶变换,得到其自相关函数如图4,从自相关函数曲线可以得到实际的相干长度约为1.5μm,即纵向分辨率约为1.5μm,这是因为白光的光谱只是近似高斯型,加上色散造成的影响,实际测得的相干长度值比理论值稍大。