OCT光譜儀是常見(jiàn)的光學(xué)成像儀器之一，主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，小編系統(tǒng)整理了關(guān)于它的“一切”供大家學(xué)習(xí)。

您點(diǎn)進(jìn)來(lái)證明您需要OCT知識(shí)點(diǎn)，本文純干貨，今天將為您帶來(lái)關(guān)于OCT的四大知識(shí)點(diǎn)。

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OCT的工作原理

什么是OCT？
光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種3D成像技術(shù)，可以在散射介質(zhì)中提供高分辨率成像，非破壞性且無(wú)需接觸或耦合介質(zhì)。橫向成像分辨率可達(dá)幾微米，深度可達(dá)數(shù)毫米。OCT能夠提供表面輪廓以及關(guān)于亞表面結(jié)構(gòu)和均勻性的信息，使其能夠?qū)崟r(shí)提供準(zhǔn)確的信息，用于診斷、監(jiān)測(cè)和原位過(guò)程反饋。因此，它已在眼科、皮膚科、血管造影和其他類(lèi)型的生物成像中得到應(yīng)用。它也是超聲波材料檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)的高效替代方案，可提供高達(dá)每秒30幀圖像的視頻速率采集。

OCT如何工作？

OCT依靠來(lái)自樣品不同區(qū)域的背向散射光來(lái)生成3D圖像。它使用不同的定位技術(shù)來(lái)獲取軸向（沿光束方向，z軸）和橫向（垂直于光束或穿過(guò)樣品的平面，x-y軸）的信息。軸向信息是通過(guò)評(píng)估從樣品中的結(jié)構(gòu)或?qū)臃瓷涔獾臅r(shí)間延遲獲得的。這種技術(shù)類(lèi)似于用于生成超聲波圖像的技術(shù)，使用光而不是聲音。鑒于光速較高，要直接測(cè)量背向散射光的時(shí)間延遲并不容易。相反，OCT系統(tǒng)使用所謂的低相干干涉測(cè)量法，間接測(cè)量時(shí)間延遲。

從干涉測(cè)量到圖像
在低相干干涉儀中，使用寬帶光源進(jìn)行照射（見(jiàn)圖1）。從光源發(fā)出的光被分束器分成兩束，稱(chēng)為干涉儀的參考臂和采樣臂。來(lái)自每個(gè)臂的光被反射回來(lái)并在探測(cè)器上合束。只有當(dāng)光在參考臂和采樣臂中傳播的時(shí)間幾乎相等時(shí)，才會(huì)在檢測(cè)器上看到干涉效應(yīng)（強(qiáng)度的快速調(diào)制）。因此，干涉的存在可以作為光傳播距離的相對(duì)量度。

光學(xué)相干斷層掃描利用這一概念，用待成像的樣品替換采樣臂中的反射鏡（圖2）。然后以受控方式掃描參考臂，并將產(chǎn)生的光強(qiáng)度記錄在檢測(cè)器上。當(dāng)參考臂反射鏡與樣品中的某一個(gè)反射結(jié)構(gòu)幾乎等距時(shí)，就會(huì)發(fā)生快速調(diào)制干涉圖，并且可以進(jìn)行處理以記錄該結(jié)構(gòu)的存在。發(fā)生干涉的兩個(gè)反射鏡位置之間的距離，對(duì)應(yīng)于光束路徑中樣品的兩個(gè)反射結(jié)構(gòu)之間的光學(xué)距離。即使光束穿過(guò)樣品中的不同結(jié)構(gòu)，上述低相干干涉測(cè)量也有助于區(qū)分光束路徑中每個(gè)獨(dú)特結(jié)構(gòu)的反射量。在這樣做的過(guò)程中，可以測(cè)量材料散射以及結(jié)構(gòu)作為深度的函數(shù)。

探索樣品結(jié)構(gòu)的橫向或x-y定位更簡(jiǎn)單。OCT中使用的寬帶光源光束聚焦到一個(gè)小點(diǎn)（大約幾微米）并在樣品上掃描。通過(guò)使用掃描臂在x和y中映射樣品，同時(shí)使用干涉測(cè)量收集深度信息，可以構(gòu)建樣品的完整3D圖像。

傅里葉OCT

傅里葉OCT（FD-OCT）提供了一種更有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述低相干干涉測(cè)量。不是記錄參考鏡不同位置的強(qiáng)度，而是將強(qiáng)度記錄為光的波長(zhǎng)或頻率的函數(shù)。作為頻率函數(shù)測(cè)量的強(qiáng)度調(diào)制稱(chēng)為頻譜干涉。不同頻率的強(qiáng)度變化率表示樣品中不同反射層的位置?？梢宰C明，光譜干涉數(shù)據(jù)的傅里葉變換提供的信息與移動(dòng)參考鏡獲得的信息相同。

測(cè)量OCT中的光譜干涉有兩種常用方法：寬帶光源和掃頻光源。在寬帶光源OCT（SD-OCT）中，寬帶光源向樣品提供許多波長(zhǎng)，并且使用光譜儀作為檢測(cè)器同時(shí)測(cè)量所有波長(zhǎng)。在掃頻光源OCT（SS-OCT）中，光源掃過(guò)一系列波長(zhǎng)，探測(cè)器的時(shí)域輸出被轉(zhuǎn)換為光譜干涉。

傅里葉OCT（FD-OCT）比干涉儀中掃描樣品臂反射鏡能更快地成像，因?yàn)闃悠返乃斜诚蚍瓷涠际峭瑫r(shí)測(cè)量的。傅里葉OCT（FD-OCT）的高速特性為該技術(shù)開(kāi)辟了一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。使用商業(yè)系統(tǒng)，可以輕松獲得實(shí)時(shí)視頻、體內(nèi)OCT成像，使其可用于過(guò)程監(jiān)控和引導(dǎo)手術(shù)。

OCT的關(guān)鍵參數(shù)

分辨率

OCT系統(tǒng)的軸向和橫向分辨率是獨(dú)立的。軸向（深度）分辨率與光源的帶寬或相干長(zhǎng)度有關(guān)。對(duì)于高斯光譜，軸向分辨率（λc）由下式給出：

其中λ是中心波長(zhǎng)，Δλ是光源的帶寬。應(yīng)該注意的是，這是在探測(cè)器上測(cè)量的光譜，由于光學(xué)元件和探測(cè)器本身的響應(yīng)，可能與光源的光譜不同。上述方程僅適用于高斯光譜。對(duì)于任意形狀的光譜，應(yīng)估計(jì)軸向擴(kuò)散函數(shù)，以了解可實(shí)現(xiàn)的分辨率和旁瓣偽影。圖5為三種不同中心波長(zhǎng)的軸向分辨率方程曲線圖，顯示了在近紅外波段中，不同的常見(jiàn)工作頻段的源帶寬如何影響軸向分辨率。

成像深度

OCT的成像深度主要受限于光源在樣品中的穿透深度。此外，在傅里葉OCT（FD-OCT）中，深度受到光譜儀的有限像素?cái)?shù)量和光學(xué)分辨率的限制。如前所述，傅里葉OCT（FD-OCT）中的圖像是對(duì)光譜干涉數(shù)據(jù)的傅里葉變換獲得的。傅里葉變換后的總長(zhǎng)度或深度受光譜數(shù)據(jù)的采樣率所限制，并受奈奎斯特定理的支配。N個(gè)像素采樣的總帶寬（Δλ）為我們提供了δλ=Δλ/N的波長(zhǎng)采樣率。由于傅里葉變換將頻率與時(shí)間相關(guān)聯(lián)，我們可以將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為頻率，δν=c*Δλ/λ2。奈奎斯特定理表明傅里葉變換數(shù)據(jù)中的最大時(shí)間延遲將為t.max= 1/2*δν，數(shù)據(jù)中的最大深度將為z.max=c*t.max。通過(guò)結(jié)合這些，傅里葉OCT（FD-OCT）中可實(shí)現(xiàn)的最大成像深度為：

靈敏度隨深度的增加而下降
在傅里葉OCT（FD-OCT）中，靈敏度理論上取決于反射的位置。最大靈敏度發(fā)生在零延遲差點(diǎn)附近，并隨著我們遠(yuǎn)離零延遲點(diǎn)而降低。這種損耗是由光譜儀有限的像素尺寸和有限的光學(xué)分辨率所決定的。可以通過(guò)以下方式證明靈敏度與深度相關(guān)：

其中w等于δλ/Δλ，取決于光譜儀元件的光學(xué)分辨率。第一項(xiàng)中的正弦函數(shù)表示方程左側(cè)是光譜儀中有限像素的結(jié)果。第二項(xiàng)與光譜儀的有限光學(xué)分辨率相關(guān)，該分辨率導(dǎo)致給定波長(zhǎng)“泄漏”到多個(gè)像素中。

信噪比 （SNR）
信噪比通常定義為信號(hào)功率與噪聲電平或功率的比值。作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，噪聲功率由其方差定義。OCT的噪聲源主要有三種：
1.探測(cè)器噪聲主要由電子設(shè)備熱噪聲引起
2.檢測(cè)探測(cè)器上的散粒噪聲
3.光源的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）

理想的系統(tǒng)并在散粒噪聲域中工作時(shí)，具有最小的檢測(cè)器和強(qiáng)度噪聲。這種系統(tǒng)的性能受到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)量所限制。

OCT的靈敏度

OCT中的靈敏度是指系統(tǒng)從被觀察樣品中檢測(cè)出最微弱的背向反射的能力。從數(shù)字上講，它是信號(hào)衰減導(dǎo)致信噪比（SNR）為1（即信號(hào)電平等于系統(tǒng)固有噪聲的點(diǎn)）。

以分貝為單位的測(cè)量
信噪比或靈敏度通常以分貝（dB）為單位定義。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)物理量的dB單位對(duì)應(yīng)于10*log（Pa/Pb)。在進(jìn)行光學(xué)測(cè)量時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮所討論的功率。光功率(P)與光電探測(cè)器輸出的電流(I)成正比，但電功率與I2成正比，因此，考慮光功率時(shí)，OCT中的信噪比和靈敏度測(cè)量值由20*log（Pa/Pb)。一般來(lái)說(shuō)，在以dB表示值時(shí)，應(yīng)明確區(qū)分是光功率還是電功率。

掃描速度

OCT系統(tǒng)的掃描速度取決于多個(gè)因素。首先是探測(cè)器上接收到的光量。速度與系統(tǒng)需要積累足夠光子以獲得良好信噪比的時(shí)間直接相關(guān)。速度的其他限制是系統(tǒng)參數(shù)本身。對(duì)于基于光譜儀的寬帶光源OCT（SD-OCT）系統(tǒng)，相機(jī)傳感器和電子設(shè)備的速度通常是限制因素。對(duì)于掃頻光源傅里葉OCT（FD-OCT），掃頻光源激光器的速度通常是極限速度。雖然掃頻光源OCT（SS-OCT）經(jīng)常因其速度而被選中，但近年來(lái)相機(jī)速度的不斷提升已經(jīng)開(kāi)始縮小這一差距。

其他資源

如果您想更多地了解有關(guān)OCT技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用，建議您更詳細(xì)地了解下面文章信息。也歡迎您訪問(wèn)Wasatch Photonics公司的OCT圖像庫(kù)，看看OCT可能帶來(lái)的驚人圖像。如果您認(rèn)為OCT可能適合您的研究、臨床或工業(yè)應(yīng)用，我們很樂(lè)意與您討論更多的可能性。

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