光学相干层析成像的图像重建
*教育部/2110工程、清华大学单原子分子测控中心和国家自然科学基金(69908004)的资助。
收稿日期:1998-11-09;收到修改稿日期:1999-10-22
第20卷 第8期
2000年8月光 学 学 报ACTA OP TICA SINICA Vol.20,No.8August,2000
光学相干层析成像的图像重建
*
孙 非 薛 平 高湔松 袁 韬 陈瓞延(清华大学物理系单原子分子测控教育部重点实验室,北京100084)
摘 要 层析成像技术光学相干层析术是基于光学低相干反射测量发展而来的。介绍了用图
像恢复的基本原理在光学相干层析术图像增强方面的工作。通过实验测量得到了解卷积所必需的
点扩展函数。重建后的膜层结构图像的深度分辨率提高了一个数量级,图像也取得了更好的锐
化、去噪的效果。
关键词 光学相干层析术, 去卷积, 图像重建。
1 引 言
光学相干层析以低相干测量为原理,将新兴的半导体激光、超快光学技术和超灵敏探测、电子学、计算机控制和图像处理技术结合在同一系统之中,形成一种新型的成像技术[1]
。它具有区别于传统光学成像方法的特殊优点可以获得高散射样品(如生物组织)的层析图像。光学相干层析术的分辨率取决于低相干光源的相干长度,但由于目前的低相干光源(如超快激光器,超辐射发光二极管等)的相干长度较长(230L m 左右),因而光学相干层析术图像分辨率受到了限制[2]。为了进一步提高图像分辨率,利用现有的扫描图像获取更丰富的信息。本文使用图像重组中的去卷积等一些方法,对由光学相干层析术系统获得的有机介质薄膜的层析图像进行了图像处理工作,使实测的膜层结构图像的深度分辨率提高了一个数量级,并且取得了很好的去噪、
锐化图像的效果。 Fig.1The Schematic of optical coherence tomogra -phy (OC T)
2 光学相干层析术系统工作原理
如图1所示,光学相干层析术系统的主要结
构是一个光纤迈克耳孙干涉仪。低相干光源(超
辐射发光二极管或超快飞秒激光器)分别进入放
有反射镜的参考端和放有被测样品的信号端。反
射镜反射回来的光(参考光)与样品的背向散射光
(信号光),经光纤耦合器汇合产生干涉信号,被探测器探测,信号的强度反映样品的散(反)射强
度。光学相干层析术利用相干长度极短的光源获得层析分辨[3]。对应参考臂某一位置,只有来自样品某一特定深度(方向x )的散射信号才能与参考光发生干涉[4]。扫描参考臂,便可获得层析图像。可以看出,层析分辨率直接由光源的相干长度确定[5]。
3 图像反演的基本原理
光电探测器所接收到的光强是信号光由样品调制所得[6]。调制方程可以写成
Q p (w ,q )f (q )d q =d(w ),(1)
其中p (w ,q )可以看成在调制系统在任一q 点对应f (q )的调制系数,即点扩展函数,f (q )为q (w ,q )调制前的原始数据,d (w )为获得的测量数据,w 为相关的其它参量。由于是为了提高光学相干层析术图像的纵向分辨率,故只考虑上述方程的一维情况:
Q p (x c ,x )f (x )d x =p o *f =d (x c ).(2)
若点扩展函数具空间不变性,即满足p (x c ,x )=p (x c -x ),在这种情况下,上述公式可进一步改写成卷积公式:
Q p (x c -x )f (x )d x =p o *f =d(x c ).(3)
对非连续的情况(M 组测量数据),假设空间离散化为N 时,有一组卷积方程:
E N i=1p i j f (i)=d(j ), (j =1,,,M).(4)
这样求解原始光强分布的工作化成了求解f (i)的大小。比较简单的解法是利用高斯-赛德尔公式[7]对f (i)进行迭代。其初始值可以设定为f (i)=d(i)。第k 次的迭代公式可以是下面两个公式中的任意一个。
f k i =w (d i -
E i-1j=1p ij f k j -E N j =i+1p i j f k -1j +(1-p ii f k-1i )+(1-w)f k-1i ,(5)f k i =w p ii (d i -E i-1
j=1p i j f k j -E N j=i+1p ij f k-1j )+(1-w )f k -1j , i =1,,,N
(6)其中0 由于p i j 就是单一点对应在成像系统中获得的数据,即点扩展函数。 我们就利用平面镜作 Fi g.2Point spread function 为被测物,相当在x 方向上的D 函数。固定参考臂,在 垂直平面镜的方向移动样品臂,得到了一组一维干涉光 强分布(如图2),也就是光学相干层析术在x 方向的点 扩展函数[7]。将其数值化后,拟合成高斯函数。在迭代 过程中按照不同测量数据的间隔从拟合函数上取点,作 为p (k ,i)。由于目前影响光学相干层析术图像分辨率 的主要因素是因为光源的相干长度过长,从而影响对样 品的精细结构测量。所以在点扩展函数中主要考虑光源 的相干函数,从反演结果(图5、图6)可以看出膜层界 1044光 学 学 报20卷 面变锐利和清晰了,效果良好。当然,更细致的工作,还应考虑其他因素,如样品的散射和吸收等影响。 4 对油漆层析图像的重建 我们首先对一组在z 轴方向上测量得到的一维数据(1000个点,如图3)进行解卷积,结果如图4所示。发现以前重叠在一起的两个无法分清的峰值被锐化后分开了。说明此解卷积 法在一定程度上能够提高系统的分辨率。 Fig.3Original op tical coherence tomography signal Fig.4Deconvoluted signal 再接下来对二维图像进行恢复。由于油漆层析图像只具有本文关心的x 方向的分辨率,所以反演图像是先单独在x 方向上进行去卷积的工作,再沿x 方向拼接而成。发现即使原始数据在x 方向上只有80个点,依然可以取得很好的反演效果。图像重建前后结果如图5、图6 所示。 Fig.5Original image Fig.6Deconvoluted i mage 分辨率由原始图像中的25L m,达到了反演图像中的与步长相当的分辨率2L m 。由此可以看出,经过处理的图像分辨率提高了一个数量级。 实际处理过程中,根据已知结构的油漆层析图像的实验数据分析出各个峰值所代表的意义,也由此确定了噪声本底的上限。为了获得清晰的图像,将所有小于此值的数据赋零,在一定程度上提高了图像的清晰度。 图像恢复算法的迭代收敛速度很快,处理一次1000个点的数据,迭代100次后达到稳定,需要的时间约15秒。对油漆纵向的80个点,仅用60次迭代就可以得到很满意的结果。反演一组40@80的数据,只需不到5秒钟。这为以后的实时成像提供了很好的技术支持。 由于本文只关心图形纵向分辨率的提高,所以只进行了x 方向上的去卷积的工作,这对层状膜样品已经足够了。如果对一般样品,除了要提高层析图像的纵向分辨率,还必须同时10458期孙 非等: 光学相干层析成像的图像重建 1046光学学报20卷 提高层析图像的横向分辨率,则必须在现有工作基础上,进一步加入样品横向y-z平面的反演算法,也就是通常的光学成像的处理方法,这样才可以获得令人满意的结果。 总结为了进一步提高光学相干层析术的图像分辨率,根据图像恢复技术中的一些基本原理,利用平面镜作为纵向的D函数,实测了光学相干层析术系统深度方向的点扩展函数,对获得的有机介质薄膜(油漆涂层)的层析图像进行了去卷积等图像处理工作,使图像的分辨率由接近光源的相干长度(25L m)提高到与步长相当(2L m)的程度,并且取得了很好的去噪、锐化图像的效果。这一方法对于提高光学相干层析术生物医学和材料成像的分辨率,是非常有意义的。 作者感谢与中科院高能所李惕培院士的有益讨论和清华大学物理系李家明院士的帮助。 参考文献 [1]Huang D,Swanson E A,Lin C P et al..Optical coherence tomography.Science,1991,254(5035)B11781181 [2]Kulkarni M D,Thomas C W,Izatt J A.Image enhancement in OC T using deconvolu tion.Electron.Lett.,1997,33 (16)B13651367 [3]Yuan T,Xue P,Chen Y et al..The theoretical simulation and experimental research on op tical coherence tomogra- phy(OC T).Proc.SPIE,1998,3548B142147 [4]谌礻韦,薛平,袁韬等.激光相干层析成像的光散射模拟计算.光学学报,1999,19(4)B486490 [5]袁韬,薛平,谌礻韦等.光学相干层析成像系统的实验研究.光学学报,1999,19(10)B13861389 [6]Li T,Wu M.A direct restoration method for spectral and image analysis.A strop hys.Space Sci.,1993,206(4)B 91102 [7]Stoer J,Bulirsch R.Introduction to N umerical Analysis.New York:Springer-Verlag,1980.179200 The Reconstruction of Optical Coherence Tomography Image Sun Fei Xue Ping Gao Jianshong Yuan Tao Chen Dieyan (Department o f Physics,Laboratory for Molecular and Nano Sciences,Tsinghua University,Beijing100084) (Received9November1998;revised22October1999) Abstract The development of tomographic imaging technique-optical coherence tomogra-phy(OCT)is based on the low interference reflectometry.The study on imaging enhance-ment with some basic technologies of image reconstruction is presented.The poin-t spread function,which was necessary for the deconvolution,was obtained in our experimental mea-surement.The depth resolution of reconstructed image was enhanced by one order of magn-i tude and the image became sharper and cleaner. Key words optical coherence tomography,deconvolution,image reconstruction. 激光与光电子学进展2009.01 特别报道／生物光子学 人 体健康状态的无创实时监测与疾病的早期诊断是提高全民健康水平和控制医疗成本的根本保证，也是现代医学技术发展的内在要求和必然趋势。研究行之有效的实时监测与早期诊断方法，发展高分辨无创光学成像技术，以用于常见病、多发病、慢性病和重大疾病的定期筛查与早期诊断，具有非常重要的现实意义， 也必将产生深远的社会效益。光学方法不仅可以实现对活体组织的无损伤、非侵入、非电离辐射及实时的探测和成像，而且可用于活体生物组织的显微结构分析、特性参数测量，在生命科学的基础研究和临床应用中具有极大应用前景，倍受瞩目。如光学相干层析成像术(OCT)、 共聚焦光学显微术、扩散光层析成像术，以及基于荧光和拉曼光谱的成像术或光谱分析术等[1~4]， 这些光学方法均可通过内窥方式检测人体脏器，与常规的医学影像学方法相比，具有更高的灵敏度与分辨率。尤其是OCT 技术，已成为医学诊断技术的国际发展前沿，能实现疾病的筛查与早期诊断、过程监视和手术介导等多种医学功能，并已 图1OCT 成像原理与显微光学活检图像 究的重要内容，而用光学方法来记录生物电活动也是研究热点。但该技术存在如荧光基线漂移、细胞收缩引起的运动伪迹和膜电位绝对值的测量等国际公认的技术难点，限制了其应用范围。对此，可以构建多通路荧光细胞膜电位记录系统。在国家自然科学基金 (60378018) 的资助和博士点基金资助项目 (200806980024)下，我们成功开发了用于心脏电生理 研究的光学标测系统。 该系统利用图像匹配、多波长多探测器测量校正和比值法计算膜电位绝对值等手段，以期能较好地克服以上问题。利用该系统能实现实时检测细胞膜电位，动态显示电兴奋的传导过程，为人体生理、病理研究提供新的技术手段并提高我国基础电生理研究的技术水平，为临床诊断的进一步应用奠定了基础。 1Grinvald A.,Hildesheim R..VSDI:a new era in functional imaging of cortical dynamics[J].Nature Reviews Neuroscience ，2004，11(5):874~885 2Petersen C.,Ferezou I.,Bolea S..Visualizing the cortical representation of whisker touch:voltage-sensitive dye imaging in freely moving mice[J].Neuron ,2006,50(4):617~6293张镇西等编，生物医学光子学新技术及应用[M]，北京:科学出版社，2008 参考文献 从光学相干层析成像到光学频域成像丁志华教授吴彤孟婕王凯杨亚良 王玲吴兰刘旭 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州３１００２７Ｅ－Ｍａｉｌ：ｚｈ＿ｄｉｎｇ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 16 光学相干层析成像技术的发展应用综述 2020年4月 光学相干层析成像技术的发展应用综述本文关键词：层析，成像，相干，光学，综述 光学相干层析成像技术的发展应用综述本文简介：光学相干层析成像技术（OpticalCoherenceTomo-graphy,OCT）是一种非侵入、非接触和无损伤的光学成像技术，它将低相干干涉仪与共焦扫描显微术结合在一起，利用高灵敏度的外差探测技术，能够对生物组织或其他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[1].OCT技术的研究始于 光学相干层析成像技术的发展应用综述本文内容： 光学相干层析成像技术（Optical Coherence Tomo-graphy,OCT）是一种非侵入、非接触和无损伤的光学成像技术，它将低相干干涉仪与共焦扫描显微术结合在一起，利用高灵敏度的外差探测技术，能够对生物组织或其他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[1].OCT 技术的研究始于20 世纪90 年代初，作为一种新型的生物医学成像技术，它的出现极大地丰富了光学检测手段在医疗和病理诊断方面的应用，成为医学临床的研究热点。 在此后的二十多年里，OCT 的技术水平迅速提高，并广泛应用于生命科学基础研究、临床医学应用及非均匀散射材料检测等方面[1-4]. 1 OCT 技术概述 OCT 利用低相干干涉（Low Coherence Interferom-etry,LCI）的基本原理和宽带光源的低相干特性产生组织内部微观结构的高分辨率二维层析图像[2],结构如图 1 所示。宽带光源发出的低相干光经过迈克尔逊干涉仪的分束镜分成两部分，一束进入参考臂经参考镜反射，另一束进入样品臂经样品发生后向散射。参考镜反射光和样品后向散射光经分束镜重新回合后发生干涉，由于样品后向散射光中含有样品的微观结构信息，因此可以根据干涉信号重构样品的一维深度图像，并由一系列横向位置临近的一维深度图像合成样品的二维横断面层析图像和三维表面形貌图像。 传统的医学成像技术有计算机断层扫描（CT）、超声波成像（US）、核磁共振成像（NMRI）等，而光学成像技术有光学相干层析成像术（OCT）、共聚焦光学显微术、扩散光层析成像术等；这些成像技术的原理不同，因而分辨率、穿透深度和适应对象也不相同[2].超声技术可 本技术公开一种便携式光学相干层析成像仪，包括可发出具有不同波长的单束光的宽带光源、使单束光通过后形成线性光束的狭缝、将该线性光束分离成参考光束与测量光束的分束镜，参考光束与测量光束分别经参考反射镜、物镜反射或散射后在分束镜上形成干涉光束，该干涉光束经光栅后被色散形成具有不同波长的出射光，出射光经便携式或可穿戴的智能设备后即可得到待测对象的二维断层图。该成像仪采用了便携式或可穿戴的智能设备代替了现有的光谱仪，其可实现随身携带、随时诊断、操作方便且及价格便宜，有利于广泛使用，且易于实现远程医疗和大数据分析。 技术要求 1.一种便携式光学相干层析成像仪，其特征在于，包括： 宽带光源，可发出具有不同波长的单束光； 狭缝，位于所述宽带光源出光路径上，所述单束光经所述狭缝后形成线性光束； 分束镜，位于所述线性光束出光路径上，将所述线性光束分离成被导向参考反射镜的参 考光束、被导向待测对象的测量光束； 准直透镜，位于所述狭缝与所述分束镜间，使经所述狭缝后形成的所述线性光束准直； 物镜，位于所述分束镜与所述待测对象间，使所述测量光束准直地集中在所述待测对象上； 光栅，所述参考光束、所述测量光束分别经所述参考反射镜、所述物镜反射或散射后在所述分束镜中合光形成干涉光束，所述光栅位于所述干涉光束的出光路径上，所述干涉光束经所述光栅后发生色散，形成具有不同波长的出射光； 便携式或可穿戴的智能设备，所述智能设备包括相机透镜、相机、摄像头，所述出射光入射通过所述相机透镜聚焦后分别到达所述相机的光敏面上形成不同的线焦点，所述摄像头探测到所述相机输出的不同像素信号后经傅里叶变换得到所述待测对象的二维断层图。 2.根据权利要求1所述的便携式光学相干层析成像仪，其特征在于：所述光源为LED宽带光源。 3.根据权利要求1所述的便携式光学相干层析成像仪，其特征在于：所述的智能设备为手机或平板电脑。 4.根据权利要求1至3任一所述的便携式光学相干层析成像仪，其特征在于：所述出射光中具有与所述宽带光源波长相同的中心波长光束，所述相机透镜、所述相机的中心点均位于所述出射光的出光路径上，通过计算所述光栅出射光的出射角来调整所述相机、所述相机透镜与所述光栅间的位置，所述光栅出射光的出射角满足： 关系式：nλ=d(sinθ+sinθ’)； 其中λ是所述中心波长光束的波长，即为所述宽带光源的中心波长；n是光栅衍射级；d是光栅常数；θ是光栅入射角，即为所述干涉光束与所述光栅法线间的夹角；θ’是光栅出射角，即为所述出射光与所述光栅法线间的夹角。 说明书 一种便携式光学相干层析成像仪 2019年2月光学相干层析成像原理和在医学领域的应用李恒（南京市第二十九中学（高中部），江苏省南京市210000） 【摘要】光学相干层析成像是一种基于低相干干涉原理对样品进行断层成像的技术，凭借着无损伤、非侵入、高分辨、操作简单、便携等优点，在生物医学领域得到了广泛的应用。本文综述了光学相干层析成像技术的发展历程；解释了光学相干层析成像技术的基本原理；分析了时域和频域两种不同结构的光学相干层析光路原理；比较了光学相干层析成像和其它显微成像技术的优缺点。对光学相干层析成像在生物医学领域的应用进行了详细的介绍；分析目前技术发展的瓶颈，并对光学相干层析成像技术的发展和未来进行展望。 【关键词】光学相干层析；OCT；断层成像；生物医学 【中图分类号】R-39【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2019）02-0210-02 1引言 生物医学和生命科学等领域对图像的清晰获取提出了越来越高的要求。目前,大部分常用的医学影像技术[1]如X射线,核磁共振,超声扫描等技术在分辨率方面可以达到毫米和微米量级,可以满足了大部分需求,但是在眼部,皮肤表层组织等易受损组织器官,上述方法并不十分适用。 光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography, OCT)[2]是一种基于低相干光干涉原理,结合光学、电子学、计 算机、图像处理等一门综合的新型成像技术。OCT技术凭借着无损伤、高分辨、非侵入、操作简单、便携等优点在生物医学、光学检测、工业检测、科研研究等领域得到了广泛的应用。1991年,麻省理工学院首次提出了光学相干层析技术[3],获得了人眼视网膜黄斑附近的微细结构的层析图像。1994年,由ZEISS公司开发并投入商业使用,2004年,澳大利亚维也纳大学R.A.Leitgeb等人搭建了高分辨率(2.5um),快速扫描频域OCT系统[4]。随后,光学相干层析成像技术发展的越来越迅速,在眼科,牙科,皮肤表层组织观测等生物医学领域得到了越来越广泛的应用[5]。 本文综述了光学相干层析成像技术的基本原理和光路结构,分析了光学相干层析技术和其它显微成像技术的优缺点对比。详细分析了光学相干层析技术在眼科,牙科和皮肤表层组织观测等生物医学领域的发展和应用。最后分析了目前光学相干层析技术在实际应用过程中遇到的问题,并对光学相干层析技术发展进行一定程度上的展望。 2正文 与其它显微技术相比,光学相干层析技术是基于低相干光干涉原理,整体光路结构采用迈克尔逊干涉光路。通过对观测物体的层析扫描,记录散射物光波和参考光波干涉得到图像,实现物光波信息三维再现。整体上按照光路结构的不同,又可以分为时域OCT和频域OCT两种OCT结构。2.1时域OCT 时域OCT是最初出现的光学相干层析结构[6],系统结构图如下所示。低相干光源发出的光进入光纤,在光纤耦合器作用下分成两束光。一束光照射测量样品作为物光波,另一束光照射参考平面镜作为参考光波,参考平面镜反射的参考光和照射样本散射回来的物光在光纤耦合器发生干涉,光电探测器采集信号并传到计算机里,经过计算机处理后可以获得物体三维信息。在时域OCT下,实现对物体不同深度的扫描靠的是参考镜进行前后移动,纵向扫描。因此时域OCT的成像速度受参考臂机械扫描结构影响很大,影响了成像速度。观测同一深度下的物体不同深度的信息是通过在物光路对物体进行横向扫描来实现的。 2.2频域OCT 频域OCT[7]是在时域OCT基础上进行的进一步改进,考虑到时域OCT在进行层析的过程中,要通过参考臂反射镜进行前后移动,机械结构的不稳定性会带来误差,而且大大减慢了成像速度,对实时性造成影响。频域OCT结构上主要包括光源、迈克尔逊干涉仪、光谱仪三部分。频域OCT在时域结构的基础上,用光谱仪来代替光电探测机,可以直接获取干涉图样的频谱信息,不需要参考镜进行移动就可以获取不同深度的物体信息。因此频域OCT具有更高的稳定性和更快的扫描速度。 2.3OCT技术优劣势 目前医学影像领域广泛使用的成像方法有X射线断层扫描、超声波成像、核磁共振成像等。但是这些技术也存在一些相应问题。X射线断层扫描(CT):会产生少量辐射,并不适合孕妇等特殊人群。超声波成像:适用范围广,无损伤,但是一种接触性的检查,并不是很方便。核磁共振成像:检测组织中的化学成分和反应,设备具有强磁场,因此并不适合急诊或者体 图1时域OCT光路 示意图 图2频域OCT光路 示意图 论述210 文章编号:025827025(2008)0420635206 光学相干层析系统的信噪比分析及优化 李 鹏 高万荣 (南京理工大学电光学院光学工程系,江苏南京210094) 摘要 为提高光学相干层析(OCT )系统的信噪比(SNR ),改进系统的探测灵敏度,保证系统的成像质量,从理论上详细分析了光学相干层析成像系统中的主要噪声源,建立了系统噪声的理论模型,分析了光学相干层析成像系统中的各个组成单元对系统信噪比的影响.建立了一套实用型的光学相干层析成像系统,对该探测系统中的噪声进行了测量,得到系统噪声的实验模型.然后对理论分析的结果进行一定的修正,并对实验系统进行优化,得到了 16μm 的纵向分辨率,-90dB 的探测灵敏度. 关键词 医用光学;光学相干层析;噪声分析;灵敏度;动态范围;信噪比中图分类号 R 318.51 文献标识码 A Signal 2to 2Noise R atio Analysis and Optimization of Optical Coherence Tomographic Imaging System Li Peng Gao Wanrong (De partment of O ptical Engineering ,School of Elect ronics and O ptics ,N anj ing Universit y of S cience and Technology ,N anj ing ,J iangsu 210094,China ) Abstract In order to increase the signal 2to 2noise ratio (SNR )and improve the detection sensitivity of the optical coherence tomographic (OCT )system ,the main noise sources in the OCT system are analyzed in detail.A theoretical noise model is then proposed which may be used to analyze the effect of different parts of OCT system.Based on the theoretical results ,the performance of an OCT imaging system is analyzed.Through measuring the noise level of the system ,the experimental model of the system noise is obtained ,and then it is used to correct the theoretical analysis results.Based on the above analysis ,the imaging performance of the OCT device is optimized.The axial resolution of 16μm ,and the detection sensitivity of -90dB have been obtained. K ey w ords medical optics ;optical coherence tomography ;noise analysis ;sensitivity ;dynamic range ;signal 2to 2noise ratio 收稿日期:2007208228;收到修改稿日期:2007211207 基金项目:江苏省六大人才项目基金(062B 2041)、江苏省高校青蓝工程基金、江苏省“333"工程基金、南京理工大学青年学者基金(Njust200302)、教育部留学回国人员基金和苏州大学重点实验室基金(K J S01002)资助课题. 作者简介:李 鹏(1984—),男,江苏人,博士研究生,研究方向为生物医学成像.E 2mail :leepeng.95@https://www.360docs.net/doc/6f16928933.html, 导师简介:高万荣(1961— ),男,陕西人,教授,博士生导师,研究领域为生物医学光学.E 2mail :gaowangrong @https://www.360docs.net/doc/6f16928933.html, 1 引 言 光学相干层析术(OC T )主要是基于低相干干涉以及外差探测技术,具有非侵入性、高深度分辨率(1～15μm )、高动态范围(>100dB )等特点[1～3].光学相干层析根据生物组织折射率、吸收系数、散射系数、双折射等光学特性,可以对组织的结构或者功能实现二维或三维成像.对于人眼等透明组织,其探测深度可以达到2cm ,而对于皮肤等高散射性组织,其探测深度可以达到2～3mm [2].该技术可为临床医学所应用,为生物组织(人体)的在体、实时研究提 供一种新的高速、高分辨率、非侵入式的探测手 段[4～6].在光学相干层析系统中,从生物组织中反射回来的背向散射光是极其微弱的,同时在后续电路中会受到各种噪声的干扰.一般情况下,一个系统的信噪比(SNR )近似地与入射光功率成正比,与系统的带宽成反比[7,8].但是,由于光学相干层析系统中低相干光源引发的额外噪声的影响[9,10],随着入射到样品表面的光功率的增大,系统信噪比会趋于某一极限值.同时,入射到生物组织样品上的光功率的大小受到光源的最大发光功率以及生物组织所能承 第35卷 第4期2008年4月 中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol.35,No.4 April ,2008 基金资助项目及批准号 国家自然科学基金（60378041、60478040）、浙江省自然科学基金（Z603003）、博士点基金(20030335099)、霍英东青年教师基金(91010)，光子技术福建省重点实验室开放课题（FP0404），教育部新世纪优秀人才培养计划 - 1 -光学相干层析分子成像研究现状分析 王玲 丁志华 刘旭 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州 310027 oxsp_0@https://www.360docs.net/doc/6f16928933.html, zhding@https://www.360docs.net/doc/6f16928933.html, 摘要：本文简要介绍了分子对比剂在光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,即OCT）技术中的研究现状，概述了迄今出现的几种不同的光学相干层析分子成像（molecular contrast OCT，简称为MCOCT）方法，并讨论了MCOCT 的几个重要的实际问题：对比剂的选择范围、激发光强的限制、各种方法灵敏度比较以及MCOCT 应用于临床及生物学领域需要考虑的问题。 关键词：OCT， Optical Coherence Tomography; MCOCT , Molecular Contrast Optical Coherence Tomography；灵敏度 1. 引言 光学相干层析成像（OCT ），凭借其独特的相干门技术和干涉测量优势，能无损伤地观察生物体表面以下的组织结构，并具备组织病理分析所需的高空间分辨率，有望成为体光学成像研究中的重要手段。继OCT 结构成像方法提出之后，OCT 功能成像方法也相继诞生。如多普勒OCT 将多普勒技术与OCT 相结合，提供生物组织内部高分辨血管分布和速度分布图像；偏振OCT 则利用光的矢量特性来探测生物组织内部的双折射分布信息。现行OCT 技术，依据弹性散射光所固有的振幅、位相和偏振等信息，来反映组织内部的结构形态特征与生理功能状况。然而，结构形态的变化作为预示性信息，只能作为间接定性的依据。而且，当疾病尚无临床症状时，往往只涉及分子层次上的改变，并不出现物理性状方面的后端变化。尽管功能成像和内部分子有一定的间接关联，但并不具备分子特异性。因此，如果能将现有的OCT 技术发展为具有特异性分子识别功能，在获取了高分辨结构和功能信息的同时，又能获取分子组成和分布信息，这无疑是OCT 技术和在体光学成像技术的一大飞跃。 事实上，OCT 分子成像研究已经成为国际OCT 领域的重要发展方向。至今已报到的OCT 分子成像方法，大体可分为三大类。第一类利用对比剂的吸收性质提取对比信息。这一类又可继续划分为两类：一类描绘对比剂分布的方法是改变注入到生物目标的特定分子对比剂的吸收光谱，通过采集变化前后的OCT 扫描图样获得的。两幅OCT 扫描图样的差别经过处理就 能得到对比剂的分布。另一类方法利用对比剂的吸收光谱曲线被动的描绘出对比剂的分布。https://www.360docs.net/doc/6f16928933.html, 光学相干层析成像技术 摘要： 光学相干层析成像技术（Optical Coherent Tomography, OCT）在生物组织的微观结构成像的研究中起着重要的作用，它是一种非接触的、无损伤的和高性能的成像技术。和传统的时域OCT（Time Domain-OCT）相比，频域OCT（Fourier Domain-OCT）能够提供了更高的分辨率，更高的动态范围，以及更高速的成像速度，被广泛的应用在了生物组织医学成像等方面。但不可否认的是，对于像跟腱，角膜，视网膜，骨头，牙齿，神经，肌肉等具有双折射特性的生物组织，FD-OCT 没有足够的能力来描述这些它们的分层结构和双折射的对比度。偏振OCT （Polarization Sensitive-OCT）的基础正是由于样品组织对于偏振光的敏感性而建立的。因此，PS-OCT是描述具有双折射特性组织的强有力的工具。偏振频域OCT（Polarization-sensitive Fourier-domain optical coherence tomography，PS-FD-OCT）是目前最优的OCT是PS-FD-OCT。它系统同时具备了偏振OCT 和频域OCT两种系统的优点。本文利用琼斯矢量法对其进行了描述。 正文： 1光学相干层析成像技术的发展和现状 1.1光学相干层析成像技术的发展 显微成像技术已经发展了很长时间了。为了观察生物组织、微生物组织和了解材料的结构，人们发展了多种成像技术，如：X光技术及层析技术、核磁共振技术、超声、正电子辐射层析技术及光学层析成像技术OT（Optical tomography）等。在OT技术中的光源主要采取红外或近红外光（700—1300nm），该波段光较容易透过某种生物类混沌介质，对生物活体无辐射伤害，而且通过分析光谱还可以获得组织的新城代谢功能等信息。因此OT技术正在生物医学界得到广泛的研究和应用。根据原理OT技术可以分为两类：散斑光学层析成像技术DOT （diffuseoptical tomography），和光学衍射层析成像技术ODT（optical diffractiontomography）。 OCT（Optical coherence tomography）技术是在ODT技术的技术之上发展起来的。由于OCT系统具有结构简单、设备造价低廉，并可以实现高精度的组织从光学相干层析成像到光学频域成像
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