频谱编码成像系统的成像性能分析与实验研究 (2)
1.1 OCT的发展与应用
在生物医学领域中，光学技术的应用已有相当长的历史。18世纪以来，显微镜已经成为生物学家的主要研究工具。随着激光的发明，光纤的发展推动了内窥镜的制造。内窥镜是能在人体内器官的深处进行直接观察的。在现代化诊断的实验室内，各类新型光学技术促进了组织样品观察、血细胞计数和测量等化学分析的进展。传统的层析成像是被测样品深度方向的断层成像，一般来说，这是一个解析后向散射信号的问题：可以对多种频率信号加以利用，以不同的角度探测样品，收集前向的出射信号或者背向的散射信号，最终，需要一定算法对散射体的相对位置、几何形状等参数[3]进行求解。将该层析成像技术结合计算机信号处理技术，就成为计算机层析成像技术CT(Computer Tomography)[4]。
光学相干性作为光的一种重要性质，在早期光学领域却未被使用。即使大多数使用激光作为光源的仪器，也因其提供照明和集中热量的原因被划分为非相干光学系统。而OCT技术是少有利用光相干性的一项技术，它源自光学低相干反射测量技术OLCR(Optical Low Coherence Reflectometry)[5]。OLCR是对低相干光干涉计算出反射光的相位、振幅等信息，从而获取传输介质的深度方向横断面信息。该技术的核心是迈克尔逊干涉仪，将需要测量的样品置于样品臂，将光学延迟线（Optical Delay Line） 加入参考臂进行光程的匹配。尽管，这项技术最初被用于在光纤电缆及网络元件中纠错，它在探测人眼及其他生物组织的能力也很快被认可。自美国麻省理工学院的D.Huang组在Science杂志上第一次提出OCT概念，OCT就很快成为光学三文成像领域热门研究话题，也许正是因为相干光在初次诊断成像技术中的显著特点使在光学领域的科学工作者们趋之若鹜。
OCT是一个能在活体组织内部的显微结构产生纵向高分辨率的成像技术[6]。据报道，它在医学上的首次应用是在十多年前，但它在早期白光干涉的测量工作带动了一文光学成像技术-光学相干反射(OCDR)的发展。OCT，利用宽带光源的短时相干性所实现的超凡光学层析能力，使OCT扫描仪在组织深度方向的微结构成像超出了传统的明视场和共焦显微镜的范围。透明组织中，包括眼睛和青蛙胚胎的超过2cm的深度探测被论证出[7]。在皮肤和其他高散射组织中，OCT可以在小的血管等结构表面下，进行深至1-2mm位置的成像[8]。对于超声波成像来说，OCT成像具有更高分辨率，其系统的硬件部分等也要便宜的多。
虽然有这些优秀的特性，在成为诊断成像方式前，OCT仍需克服一些问题。基本的OCT成像系统看似简单，但部分相干光光场的产生及干涉、这些光如何在生物组织中传播仍是很复杂的。实际干涉的扫描与检测系统的设计也是同等重要的问题。在过去的十几年里，对于这些问题的认识已经有了巨大进展。
OCT的核心组成部分为宽带光源照明的迈克尔逊干涉仪的典型光路，它应用超短激光脉冲或低相干度光源，使得光源有效相干长度较短。这样一来，样品臂和参考臂反射回的相干光，只能在一定的光程差即其与相干长度相匹配的范围内才能发生干涉，进而提高OCT成像系统的纵向分辨率。并且OCT同样是光学相干技术和激光共焦扫描技术的结合[9]。干涉仪外差探测让该技术具有了灵敏度高的特点，因此较微弱的干涉信号也可以被探测出来。而共焦扫描的特性则是只有在焦点位置返回的光才能进行干涉，因孔径限制，离开焦点的光则不可以回到光路中。以上特性的结合使OCT分辨率达到了微米的量级[10]。综上所述，OCT兼具低相干光干涉技术与共焦显微扫描技术的双重优点，可有效探测生物内部组织信息。OCT技术的横、纵向在空间域的分辨率均只有几个μm，并且可探测数量级仅为 的光信号。如下表1是OCT与其他较为广泛使用的成像技术分辨率的对比。事实上OCT各项指标均超过现有其他三文成像技术。