基于频谱域OCT的血流速度成像技术研究(2)
现代科技的突飞猛进带动了医学成像技术的不断进步。诸如伦琴射线成像、超声成像和光学成像等技术，能够被用以获悉生物组织或器官的形态学特征、结构组成及生理功能等信息，为生物研究和临床医学诊断提供了极大的帮助[1]。光学成像技术深远地影响了神经影像领域，并被广泛应用于研究脑部细胞和血管生理机能。光学相干层析术[2,3]（Optical Coherence Tomography，OCT）是其中一种光学成像技术，用于实现对生物组织在体非侵入性地微观结构高分辨断层成像，其主要应用领域包括眼科视网膜疾病诊断和监控、癌症细胞分析、动脉疾病研究与临床治疗等。本章首先对OCT技术作了总体的概述，其次针对研究课题方向详细介绍了OCT技术在血流测量方面的功能性拓展，最后列出了本论文的主要研究工作内容。
1.1 OCT技术概述
OCT技术是自从上世纪90年代以后逐步发展而成的主要应用于生物医学的一种新型断层成像技术。其具有非侵入性、非接触性、高成像分辨率和高探测灵敏度等优点[2]。OCT基于低相干干涉理论[2]，系统采用宽带光源，以迈克尔逊干涉仪为主要构造，并结合特定的机械扫描装置提取样品深度方向的信息。参考臂中的镜面反射光和样品臂中由被测样品后向散射的光发生干涉。由光电探测器采集到的干涉信号，经计算机处理后，能够重构出样品内部的结构图。OCT 系统的分辨率包含横向分辨率（也叫径向分辨率）和纵向分辨率（也叫轴向分辨率）。前者取决于所用光源和探测光束经样品臂准直物镜后在样品面上的聚焦态，分别由中心波长λ0和物镜的数值孔径NA（Numerical Aperture）确定。则横向分辨率δx可表示为[4]：
(1.1)
横向分辨率的数值在通常情况下处于μm量级；而后者取决于所使用的光源的相干长度lc。一般采用高斯线型的激光光源，那么纵向分辨率δz可表示成[4]：
(1.2)
其中：λ0是高斯线型光源的中心波长，Δλ是光源谱宽。OCT的纵向分辨率通常为1~10μm。
最早的第一代OCT系统是时域OCT（Time Domain-OCT，TD-OCT），如图1.1所示。其采用低相干宽带激光光源，激光器输出的光进过分束器后被分成参考光束和样品光束。当参考光束和样品光束满足相干条件时，就会产生干涉信号，由单点探测器探测到并记录。在参考臂中，通过机械装置进行轴向扫描，即所谓的A扫[26]。通过参考臂的A扫，便得到时间序列的A扫干涉信号，从中能够提取样品的深度信息。要获取样品的二文或三文图像，只需在样品臂中引入更复杂一些的正交扫描装置便可。
图1.1 TD-OCT示意图
自从1995年Fercher等[5]提出了可利用背向散射光干涉的光谱信号获取样品深度方向的信息的方法之后，一些研究小组致力于开发第二代OCT系统。几年后，出现了新型的傅里叶域OCT（Fourier Domain-OCT，FD-OCT），该系统的灵敏度较TD-OCT提高了50至100倍[6]。FD-OCT系统被分成两种类型：谱域OCT（Spectral Domain-OCT，SD-OCT）和扫频源OCT（Swept Source-OCT，SS-OCT）。如图1.2所示，在SD-OCT中，采用和TD-OCT一样的宽带低相干光源，然而其参考臂固定不动。参考臂返回的光和样品深度方向各位置背向散射回的光干涉之后的信号，通过光谱仪色散后由线阵探测器（如CCD等）同时探测到。所探得的干涉信号先通过波长-波数（λ-k）映射转换，再由傅里叶逆变换得到样品深度方向的信息。