【博采众议】当“OCT”遇上“偏振”
发布时间:2021-01-22 00:00:00 编辑:特约撰稿:北京理工大学 陈博士 编辑:麓帮主 阅读次数:85

前言

      
OCT(Optical Coherence Tomography)技术是一种非侵入、非接触和无损伤的光学成像技术,能够对生物组织和其他非均匀光学散射介质内部的微观结构进行高分辨率的横断面层析成像。OCT技术主要应用于生物医学领域,近年来随着科学技术的发展,其应用已拓展至其他光学散射介质成像和无损检测等领域。由于OCT技术与其他成像技术的成像原理不同,因此其分辨率和成像深度也不相同,几种常见成像技术的分辨率和成像深度对比如图1所示。
   

图1.几种常见成像技术的分辨率和成像深度对比。

人们对OCT技术的研究开始于20世纪90年代初,在1990年举办的生命科学中的光学国际会议上,奥地利维也纳大学的Fercher等根据白光干涉深度扫描原理,首次利用双光束低相干干涉技术对人眼球底部进行成像(活体),获得了视网膜色素上皮细胞的二维层析成像。OCT技术的出现,引起了广大科研工作者和医学工作者的广泛关注。1991年,Fujimoto和合作者首次报道了利用迈克尔逊干涉仪的时域OCT系统,并首次获得了人眼视网膜层析图像,该系统如图2所示。在时域OCT系统中,要获得样品的一幅二维横截面层析图像,需要执行横向和轴向两个基本的扫描过程,轴向扫描一般通过改变参考镜的位置实现,而横向扫描可以通过移动样品或对照射到样品的光束来实现。

  

图2.时域OCT系统。

1997年,Chinn等利用波长可调谐的干涉仪合成了样品的OCT图像;1998年,Hausler和Lindner等利用频谱干涉仪生成了样品的OCT图像。傅里叶域OCT技术与时域OCT技术对深度信息的获取过程不同,傅里叶域OCT技术利用频谱干涉技术或波长调谐技术获取样品的背向散射光强度,通过对干涉光谱信号进行傅里叶逆变换获取样品的深度信息。如图3所示。

    

图3.傅里叶域OCT系统。

傅里叶域OCT技术属于新一代的OCT技术,其灵敏度、信噪比和成像速度均优于传统的时域OCT,是一种极具有发展潜力的成像技术。

传统的基于强度的OCT的缺点之一是缺乏组织特异性的对比,这常常很难直接区分组织。1992年,Hee等提出了PS-OCT(Polarization Sensitive-Optical Coherence Tomography)技术的概念。PS-OCT技术是在传统OCT技术的基础上加入偏振光的调制,除了可以实现对组织微观结构成像外,还可以检测组织的双折射现象。

    

 

 

 

PS-OCT的偏振调制方法

 

     

PS-OCT系统利用样品对后向散射光双折射的大小成像,而不像传统OCT系统那样直接对后向散射光强成像。对于具有明显双折射效应的生物组织来说,PS-OCT系统能够获得重要的组织结构信息。例如牙齿表面的釉质主要成分为钙盐,具有较强的双折射效应,若釉质受损后该效应减弱,因此可以利用PS-OCT系统对龋齿病进行检查,并对其治疗过程进行检测。

一般来说,现有两种主要类型的PS-OCT系统。第一种是输入单一偏振态的PS-OCT系统。第二种是输入多个偏振态的PS-OCT系统。单输入偏振态的PS-OCT系统虽然算法和方案简单,但所获得的偏振信息是从样品表面累积到测量深度的。因此,无法准确获取局部偏振信息。所以,越来越多的研究是采用双输入偏振态的PS-OCT系统,而现有五种流行的偏振态调制方法。

    

>>  交替A-scan编码(Alternate A-scan encoding)  <<

 

即同一个横向位置,采用不同的偏振光(通常情况下是两垂直的偏振光),连续采集两次深度信息。2004年Zhang J利用偏振调制器,实现了交替A-scan编码的光纤式PS-OCT系统,如图4所示。

     

图4.交替A-scan编码的PS-OCT原理图。

其中,光源的扫描频率是500Hz,偏振调制器(pol.mod)的调制频率为250Hz,并且可以输出45°线偏振光和右旋圆偏振光。通过两个正交探测通道,计算得到两组斯托克斯矢量,从而得到样品的偏振信息,如图5所示。该系统采用了有源器件——偏振调制器,增加了系统内信号同步的复杂性;由于连续采集信号,增加了一倍的采集时间。此外,连续A扫描之间的时间间隔内样品的移动对测量结果影响很大。

     

图5.兔肌腱的斯托克斯矢量图。

 

>>  频率复用(Frequency multiplexing)  <<

 

由于傅里叶域OCT得到的频谱干涉信号的频率反映着深度信息,故可在不同的偏振态上预加载不同的频率,从而实现信号在深度方向上的分离。2008年,Oh.W.Y通过在参考臂放置了50 MHz的频移器,对样品臂的两垂直线偏振态分别加载了25 MHz和0 MHz,实现了对两种偏振态不同频率加载,如图6所示。每个偏振态分别在以25 MHz和 75 MHz为中心的50 MHz频段内获得。利用两个探测器分别得到正交偏振下的轴向剖面,计算得到样品的斯托克斯矢量图。

    

图6.频率复用的PS-OCT原理图。

该方法解决了交替A-scan编码成像速度减半的问题,但牺牲了一半的成像范围。另外,频移器引起的相位变化影响了稳定、准确的相位测量。

 

>>  深度编码(Depth encoding)  <<

 

受频率复用方法的启发,预先在两个垂直的线偏振态上加载不同的光程差,反映在频谱干涉信号上,同样具有不同的振动频率,从而实现了信号在深度方向上的分离。2012年,Baumann.B通过设计的偏振延迟单元结构,即通过一个PBS产生两个正交偏振光,经45°线偏振片,平面反射镜后再次通过同一个PBS耦合进光纤。由于两路空间长度的不同,产生约为普通OCT成像深度的一半光程差。在干涉光谱中表现为不同的载波频率,实现了信息在深度方向上的分离,如图7所示。

  

图7.深度编码的PS-OCT系统原理图。

该方法避免了有源器件带来的影响,但同样牺牲了一半的成像深度。

 

>>  交叉抽样(Interleaved sampling)  <<

 

以上两种方法,分别对光波的时间、频率进行了调制,而该方法利用光频梳的原理对光波的光谱进行了调制。2015年,Lian在样品臂上使用正交偏振光频率梳(OFC)。这两个OFCs在光谱域被调谐为交错,允许在接近零路径长度延迟位置的同一空间区域内同时测量两个偏振态,如图8所示。

     

图8.交叉抽样法的PS-OCT原理图。

与深度编码相比,因为两偏振光成像在同一个深度,故信噪比高。但因采用FPE的角色散输出的光频梳,减少了扫频激光器的采样点,故牺牲了一半或四分之一的深度像。

 

>>  并行探测法(Parallel detection)  <<

由于以上方法,无论是在成像深度、成像速度和信噪比上都存在着问题,于是2019年Masahiro提出了并行探测的方法,既保证了成像深度,也不牺牲成像速度。在深度编码方法的基础上,同样对参考臂进行了分割,并且对两垂直线偏振光采用与样品臂相同的光程差,如图9所示。

     

图9.并行探测法的PS-OCT图。

虽然该方法既没有牺牲成像速度,也没有牺牲成像范围,但系统结构复杂,且引入的保偏光纤带来了很大的偏振模式色散,严重影响着相位延迟的精度。测量结果如图10所示。

     

图10 前眼段图像。(a)强度图;(b)局部双折射图;(c)熵图像。

 

 

总结

 

 

随着技术的进一步发展,PS-OCT将变得更加可靠和容易实施,因此在不久的将来也必将出现更多的临床应用。我们期待着PS-OCT在未来有令人兴奋的新技术发展,也期待其在生物医学成像领域甚至其他新的领域有新的突破。

 

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