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1、经过实验表明，生物医学光学(BiomedicaloPtics)是近年来受到 国际光学界和生物医学界广泛关注的研究热点，随着光学技术的发展, 生物医学光学将在多层次上对研究生物体组织特别是人体组织的结 构、功能和其他生命现象产生重要影响。医学光学成像技术作为生物 医学光学的一个分支，从理论上可分为扩散光学成像与相干域光学成 像。前者成像深度较深，理论基础是光子输运方程的扩散近似,被检测 的光学信号会在组织体内经历多次散射,如何建立散射信息与组织光 学特性参数变化间的关系和提取散射信息是其关键。光学相干层析成像技术(opticaleohereneetomography,oCT)是 属于后者一一相干
2、域光学成像的一种无损“光学活检”技术。基于扫 频光源的光学频域成像(opticalfrequeneydomainimaging,oFDI)或 称为扫频光学相干层析成像(swepts。 uree。 pticalcoherencetomography,55 oeT)是最新一代 OCT 技术。首先 介绍了 OCT发展的几代技术的比较;接着介绍了 OFDI的核心部分一一 扫频光源的研究现状及发展;最后介绍了本文的主要研究内容和创新 点。1.1OCT技术发展OCT将光纤技术、光电探测技术与计算机处理技术等有机结合， 无损获取组织内部的结构乃至功能信息1,是继x射线计算机断层 成像(xcT)和核磁共振成像
3、(MRI)技术之后的又一重要突破，实际上是 通过测量后向散射光的振幅和相移得到微米量级分辨的样品横切面 结构图像2,3。ocT基础理论来自组织光学中的光与组织的相互作 用,OCT技术只利用了光在组织中传输的最小部分的单次后向散射光 一一弹道光(ballisticlight),如何避免散射以及在强散射背景中提 取这部分有用的信息是OCT技术的重点。弹道光子在散射介质中传播 满足朗伯比尔指数衰减定律，理想弹道光子的探测由量子点噪声决定 穿透深度，因此弹道光子的探测深度有限，大约能穿透30个平均自由 程。光与生物组织的相互作用很复杂，与光波的特性、生物组织结构 及其物理化学生物特性均有关系。通过研究
4、光在生物组织中的传输规 律,得出近红外光(700 150onln)成像具有无损、非电离、吸收小、 散射小等优势成为“组织光窗”(tissueoptiealwindow),并且得出四 个最好的峰值，分别是850、1060、1300和15O0nm波段。因此，大部 分OCT技术的光源都是基于这四个波段。自1991年美国麻省理工学 院(MIT)Fujimot。小组研制出第一台OCT系统,并成功获取视网膜的高分辨层析图像以来l,至今20年，ocT系统从时域 ocT(timedomainoptiealeohereneetomography,To oeT)4,发展 到 谱 域 oeT(speetraldom
5、ainoptiealeohereneetomograPhy,Sn oeT)16,及扫频oeT系统OFDI(或称55 一 ocT)8-,0，技术上经历 了巨大的发展I 一,31,研究者也从当初主要集中在美国发展到遍及 全球各地。2007年美国物理学会scitation数据库收录的ocT论文 接近200篇。ocT从实验室学术研究到应用产品化的时间非常短，第 一台走向商品化的仪器是1996年美国卡尔蔡司公司 (earlzeissMeditee,Inc.)推出的OCT眼科成像仪。目前全球已有几 十家公司在研发OCT系统仪器与关键器件，并成功应用于眼科”， “、心脏和肿瘤等领域，充分展示了该技术的巨大需
6、求和应用前景。时域oCT是第一代OCT技术,利用低相干光源分别进入参考臂和样品 臂后探测干涉信号，通过扫描参考臂，利用相干门来得到样品的轴向 结构信息，如图1.1。reference nuiror (movable)I .一 I tphotodetector图1.1TD-QCT系统原理示意图ipeciJiLinFFTibeaiii-spliUc1.ihtudes弟配NeH衣1rcferencenurrcir (fixed)specl;i.urbFFTibeam gphitermpiiuiies尽管成像探头同时照明样品的整个成像深度范围，但只有样品臂与参to roa dband.-mt ar f
7、erine b spectra-眄 3 cnccding频域考臂的光程差小于光源的相干长度的后向散射光参与干涉成像，不同深度信息通过扫描参考臂而依次得到主日。怵优口如取Lw - k-(F出曲braadtiand-sourcedepth - rsflecu viLprofit Acaqdepth refleclivily profiJe A-scanbroadband inter ferenceyspectra tune encoding、/phalodetcctorOCT(frequeneydomaineohereneetomograPhy,FD OCT)不需要扫描参考臂，直接测量整个深度的干
8、涉光谱信号，干涉信号通过傅里叶变换得到轴向深度结构信息。所有成像深度范围内的后向散射光都同时 参与成像,并行探测深度信息。FD 一 OCT先后发展了两种形式，分别 是SD OCT和OFDI（或称55 一 OCT）。SD 一 OCT采用低相干宽带光 源用阵列探测器（CCD或CMOS）探测多通道光谱仪空间分辨的千涉光 谱信号，如图1.2。探测臂中的光谱仪探测到不同光谱分量对应的由 不同的光程差所调制的干涉信号。干涉光谱信号的调制周期与样品臂 回波信号的时延成反比，即不同的光程差对应不同的调制频率。OFDI 采用高速调谐连续扫频光源和单点探测器探测时间分辨的干涉光之 谱信号，如图1.3。光源的频率是
9、随时间变化的函数样品光和参考光 间存在一个频率差，当两路光发生干涉时，这个频率差使得干涉强度 产生调制或者拍频现象，因此不同的时延会产生不同的频率调制TD 一 OCT参考臂需要机械扫描，所以系统成像速度受限于参考臂机械扫 描的速度，目前最快达到IkHz左右,FD OCT的并行性探测大大提高 了速度,SD OCT由于高速线阵CCD,OFDI由于高速扫频光源,在成像 速度上比TD 一 OCT提高了两个数量级。SD 一 OCT在CCD的一次积分 时间内得到了所有成像深度范围内的信息,OFDI在一个扫频周期内得 到了所有成像深度范围内的信息，所以SD 一 OCT与OFDI比TD 一 OCT 的信噪比和
10、灵敏度提高了 50 一 100倍。FD 一 OCT由于信噪比不依赖 于光谱带宽，可以克服TD 一 OCT分辨率和信噪比权衡问题，同时得到 高分辨率和高信噪比。相比TD 一 OCT,FD 一 OCT在速度、信噪比和灵 敏度的提高使得三维OCT（3D 一 OCT）成像得到发展，在体生物医学得 到应用并使实时检查成为可能。3D 一 OCT体积数据的获取促使了很 多可视化与处理技术的发展，如减少散斑提高对比度的数据处理技 术、样品结构层析图像可视化下虚拟操作样品内部组织等。FD 一 OCT 也存在一些问题，由于轴向深度结构信息是探测的干涉信号通过傅里 叶变换得到的,所以直流项和自相关项的存在降低了灵敏
11、度以及复共 轨像的引入降低了成像深度。OFDI比SD 一 OCT更具优势的方面体现 在如下四点。第一,SD OCT的光谱仪结构会造成能量的损失,OFDI 的点探测器比ccD更加灵敏，从而使得OFDI可得到更高的成像灵敏 度。第二,SD OCT需要有高速的CCD来测量千涉信号的光谱色散信 号,CCD的速度限制了谱域OCT的成像速度，而高速的扫频光源发展使 得OFDI的成像速度更具优势。第三,SD OCT中有限像元的线阵CCD 为了探测更多的光谱分量在像面上(CCD感光面)不可避免的会出现严 重的场曲现象，同时色散现象存在，使得多通道光谱仪无法完全分开 各种色光而引入串扰(cross talk),使得光谱分辨率下降以及探测 信噪比下降，而OFDI由于超窄瞬时线宽扫频光源的使用可以避免这 些问题，从而得到更深的成像深度。第四，因为长波响应的CCD技术受 限,探测长波的InGaAsCCD灵敏度不高且价格非常昂贵，因此OFDI在 1060和1300nm波段有很大的优势。
