光學相干斷層掃描（OCT）是一種三維成像技術(shù)含末，可以在散射介質(zhì)中進行高分辨率成像，無需接觸樣品或使用任何耦合介質(zhì)即舌。OCT的橫向成像分辨率可達到幾微米佣盒，成像深度可達幾毫米。OCT能夠提供樣品表面輪廓和次表面結(jié)構(gòu)（即表面以下的結(jié)構(gòu)）及樣品均勻性的信息顽聂，從而實時提供準確的信息用于診斷肥惭、監(jiān)測和現(xiàn)場過程反饋。因此芜飘，OCT已經(jīng)在眼科务豺、皮膚科、血管造影等生物成像領(lǐng)域得到了應用嗦明，并且在材料檢測和無損檢測中作為超聲波的強大替代技術(shù)笼沥。
OCT：從原理到關(guān)鍵參數(shù)
一、什么是OCT娶牌？
光學相干斷層掃描（OCT）是一種三維成像技術(shù)奔浅，可以在散射介質(zhì)中進行高分辨率成像，無需接觸樣品或使用任何耦合介質(zhì)诗良。OCT的橫向成像分辨率可達到幾微米汹桦，成像深度可達幾毫米。OCT能夠提供樣品表面輪廓和次表面結(jié)構(gòu)（即表面以下的結(jié)構(gòu)）及樣品均勻性的信息鉴裹，從而實時提供準確的信息用于診斷舞骆、監(jiān)測和現(xiàn)場過程反饋钥弯。因此，OCT已經(jīng)在眼科督禽、皮膚科脆霎、血管造影等生物成像領(lǐng)域得到了應用，并且在材料檢測和無損檢測中作為超聲波的強大替代技術(shù)狈惫。
二睛蛛、OCT的工作原理
OCT依賴于樣品不同區(qū)域的背向散射光來生成3D圖像。它使用不同的定位技術(shù)來獲取軸向（沿光束方向或進入樣品的z軸）和橫向（垂直于光束的平面或樣品的x-y軸）信息胧谈。軸向信息是通過估計從樣品中的結(jié)構(gòu)或?qū)臃瓷涞墓獾臅r間延遲來獲得的忆肾。這種技術(shù)類似于生成超聲波圖像的技術(shù)，但使用的是光而不是聲音菱肖。由于光速極快客冈，直接測量反向散射光的時間延遲并不容易。因此蔑滓，OCT系統(tǒng)使用低相干干涉技術(shù)間接測量時間延遲郊酒。
1.移動參考臂實現(xiàn)OCT測量
在低相干干涉儀中，使用具有寬光譜帶寬的光源進行照明键袱。光源發(fā)出的光被分束器分成兩條路徑，稱為參考臂和樣品臂摹闽。來自每條臂的光被反射并在檢測器處結(jié)合蹄咖。只有當參考臂和樣品臂的光程幾乎相等時，檢測器上才會出現(xiàn)干涉效應付鹿。因此澜汤，干涉現(xiàn)象的出現(xiàn)可以被用來進行光程的相對測量。
光學相干斷層掃描就是將樣品臂中的鏡子替換為待成像的樣品舵匾。然后對參考臂進行掃描俊抵，并在檢測器上記錄得到的光強度。當鏡子幾乎與樣品中的某個反射結(jié)構(gòu)等距時坐梯，會出現(xiàn)一定的干涉圖案徽诲，從而獲得樣品對應位置的結(jié)構(gòu)信息。顯然在參考鏡移動的過程中吵血，兩次干涉發(fā)生對應的參考鏡位置之間的距離對應于測量光路中樣品兩個反射結(jié)構(gòu)之間的光學距離谎替。當光束穿過樣品時，不同的位置的獨特結(jié)構(gòu)會通過上述低相干干涉記錄的反射量被記錄下來蹋辅，從而得到測量樣品的散射信號和深度之間的函數(shù)關(guān)系钱贯。
把 OCT 中使用的寬帶光源光束聚焦到一個小點（約幾微米），并在樣品上進行x-y掃描侦另，同時使用干涉測量收集深度信息秩命，這樣可以構(gòu)建樣品的完整 3D 圖像尉共。
2.傅里葉域OCT
傅里葉域OCT（FD-OCT）提供了一種更高效的方法來實現(xiàn)上述低相干干涉。傅里葉域OCT（FD-OCT）并不是像上邊提到方法那樣在參考鏡的不同位置記錄強度弃锐，而是將強度記錄為光的波長（或頻率=光速/波長）的函數(shù)爸邢。不同頻率的光強度變化率反映樣品中不同反射層的位置信息∧美ⅲ可以證明杠河，光譜干涉數(shù)據(jù)的傅里葉變換提供的信息相當于移動參考鏡所獲得的信息。
3.傅里葉域OCT測量光譜干涉的兩種常用方法
光譜域光學相干斷層掃描（SD-OCT：Spectral Domain Optical coherence Tomography）：寬帶光源向樣品發(fā)出包含很多多波長成分的光譜管浇辜，并使用光譜儀同時測量所有波長券敌。
掃頻源光學相干斷層掃描（SS-OCT：Swept Source optical coherence tomography）：光源在一系列波長范圍內(nèi)進行掃頻，檢測器的時間輸出被轉(zhuǎn)換為光譜干涉柳洋。
傅里葉域OCT相對于干涉儀中樣品臂鏡的移動擁有更快的成像速度待诅，因為樣品的所有反射都被即時的同時測量出來的。傅里葉域OCT引入的速度提升為該技術(shù)開辟了全新的應用領(lǐng)域熊镣。通過商業(yè)化的設(shè)計卑雁，傅里葉域OCT可以輕松獲得實時視頻、面下OCT成像绪囱，使其廣泛用于用于諸如過程監(jiān)控和手術(shù)引導等對實時性要求比較高的領(lǐng)域之中测蹲。
三、OCT系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)
1.分辨率
OCT系統(tǒng)的軸向和橫向分辨率是獨立的鬼吵。
軸向（深度）分辨率與光源的帶寬（相干長度）有關(guān)扣甲。對于高斯形光譜，軸向分辨率 (λc) 由以下公式給出：
其中：λ是中心波長齿椅，Δλ 是光源的帶寬琉挖。
需要注意的是，這個光譜是指在探測器上測量到的光譜涣脚，可能與光源的發(fā)射光譜不同示辈，這是由光學元件和探測器本身的響應造成的影響所致。需要注意的是遣蚀，嚴格來講上述公式僅適用于高斯形光譜矾麻，對于其他光譜形狀僅可作為一個分辨率估算參考。對于任意已知形狀的光譜妙同，應估算軸向擴展函數(shù)以了解可實現(xiàn)的分辨率和可能的邊帶射富。下圖中的軸向分辨率方程的圖顯示了三個不同中心波長的情況，展示了光源帶寬對近紅外常用工作帶中的軸向分辨率的影響
2.成像深度
OCT（光學相干斷層成像）的成像深度主要受光源在樣品中的穿透深度限制粥帚。此外胰耗，在傅里葉域OCT中，深度還受到光譜儀有限像素數(shù)和光學分辨率的限制芒涡。如前所述柴灯，傅里葉域OCT中的圖像是在傅里葉變換光譜干涉數(shù)據(jù)后獲得的卖漫。傅里葉變換后的總長度或深度受光譜數(shù)據(jù)采樣率的限制，并遵循奈奎斯特定理赠群。
具體來說羊始，光譜數(shù)據(jù)采樣率（或采樣密度）指的是在給定的波長范圍內(nèi)，光譜儀所能分辨和記錄的波長點的數(shù)量查描。更高的采樣密度意味著在相同的波長范圍內(nèi)有更多的采樣點突委，從而可以獲得更高的分辨率和更大的成像深度。
由N個像素采樣的總帶寬（Δλ）給出了波長采樣率δλ = Δλ/N冬三。由于傅里葉變換將頻率與時間關(guān)聯(lián)起來匀油，我們可以將波長轉(zhuǎn)換為頻率，δν = cΔλ /λ2勾笆。奈奎斯特定理表明敌蚜，傅里葉變換數(shù)據(jù)中的max時間延遲將是tmax = 1/2 δν，而數(shù)據(jù)中的max深度將是zmax = c* tmax窝爪。通過結(jié)合這些弛车，傅里葉域OCT中可實現(xiàn)的max成像深度為：
3.靈敏度隨深度的變化關(guān)系
在傅里葉域OCT中，理論上靈敏度取決于反射目標的位置蒲每。max靈敏度出現(xiàn)在樣品光和參考光之間光程正好相等的點纷跛，即零延遲差點附近，并且隨著我們遠離零延遲點而減小啃勉。這種損失是由光譜儀的有限像素大小和有限光學分辨率導致的忽舟。可以證明淮阐，靈敏度與深度的關(guān)系如下：
其中
R(z)：隨深度變化的靈敏度。
z: 深度刁品，通常指光在樣品中傳播的距離泣特。
ρ: 一個與光譜儀分辨率和光源帶寬相關(guān)的常數(shù)，具體定義依賴于系統(tǒng)的設(shè)計挑随。
W=δλ/Δλ: 其中δλ是波長采樣率（光譜儀的分辨率）状您，Δλ是總帶寬
sin(ρz): 表示由于光譜儀有限像素引起的調(diào)制效應。
sin(ρz)/(ρz): 表示由于有限像素引起的調(diào)制效應的歸一化形
exp[-z^2/(wρ)] : 指數(shù)衰減項兜挨，表示由于光譜儀有限光學分辨率引起的衰減效應膏孟。
通過這個公式可以看出，OCT的靈敏度隨著分子深度z^2的增加而減小拌汇，這種減小是由光譜儀的有限像素和光學分辨率共同決定的柒桑。
4.信噪比
信噪比一般定義為信號功率與噪聲功率的比率，噪聲功率用其方差來定義噪舀。 OCT的主要噪聲來源有：
A魁淳，探測器噪聲飘诗，主要來自電子元件的熱波動。
B界逛，由于光子到達和探測器檢測的內(nèi)在方差產(chǎn)生的散粒噪聲昆稿。
C，光源的相對強度噪聲 (RIN)息拜。
理想的OCT系統(tǒng)溉潭，應該是其探測器和強度噪聲都被min化掉了，在散粒噪聲域內(nèi)工作少欺，其性能僅受限于到達探測器的光子數(shù)量喳瓣。
5.OCT的靈敏度
在光學相干斷層掃描 (OCT) 中，靈敏度指系統(tǒng)檢測樣本反射zui微弱信號的能力狈茉。數(shù)值上夫椭，靈敏度是使信號達到信噪比 (SNR) 為1時的信號衰減程度，即信號強度等于系統(tǒng)固有噪聲的點氯庆。
6.分貝 (dB) 單位的測量
信噪比或靈敏度常用分貝 (dB) 表示蹭秋。物理量的dB單位對應10log(Pa/Pb)。光學測量中堤撵，光功率 (P) 與光電探測器輸出電流 (I) 成正比仁讨，但電功率與I2成正比，因此考慮光功率時实昨，OCT的SNR和靈敏度測量用20log(Pa/Pb)洞豁。
7.速度
OCT系統(tǒng)的速度取決于到達探測器的光量。速度與系統(tǒng)積累足夠光子的時間直接相關(guān)荒给。其他限制因素包括各部件自身參數(shù)的限制丈挟，例如：基于光譜儀的光譜域OCT系統(tǒng)速度受相機傳感器和電子元件限制。對于掃頻光源傅里葉域OCT志电，掃頻激光源的速度常是限制因素曙咽。盡管SS-OCT常因速度被選擇，近年來相機速度的進步開始縮小這一差距挑辆。
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