谱域OCT教学系统

一、系统检测原理

光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）是20世纪90年代逐步发展而成的一种新的层析成像技术，具有高速、高分辨、高灵敏度的特点，可以非侵入地实现样品内部三维空间信息（X-Y-Z）的获取，目前已在眼科、心血管科、皮肤科、工业检测等领域广泛应用。

其中，谱域OCT（Spectral Domain OCT，SD-OCT）系统的基本原理如图1所示，系统整体基于迈克尔逊干涉仪，光源通常选择宽带光源，探测器一般选择光谱仪和高速线阵相机。OCT探测光束经光源出射，经过分束器之后分别进入参考臂与样品臂，参考臂光束入射至反射镜镜面后形成参考光返回，样品臂光束入射至样本表面后携带样本信息返回，两束光在分束器相遇后形成干涉信号，经光谱仪相机作为探测器接受，由计算机进行后续信号处理。对于宽带光源（k有一定宽度），每个光谱成分均会形成一个余弦函数的简谐振荡（干涉条纹），但是振荡频率各不相同，当且仅当光程差为零的位置附近，各个光谱成分的干涉条纹才会相长叠加，且干涉信号随光程差的增大迅速衰减。如图1所示，不同深度\( △ \) Z₁、\( △ \) Z₂、\( △ \) Z₃的干涉光谱条纹在频率域进行Fourier变换后，即可得到空间域的深度信息。

图1 基于弱相干干涉的谱域OCT探测示意图

        在XY平面中，引入两维的空间扫描机制（如一组XY二维扫描振镜实现），实现OCT三维成像。类似于超声技术的命名方式，如图2所示，深度Z方向的单次扫描一般称为A扫描（A-line），X方向的多个A-line构成一帧图像（B-frame），最后Y方向的多个B-frame完成一个三维成像。

图2 小鼠全眼OCT结构图像

二、系统硬件设计

图3 教学OCT成像与量化系统示意图

        如图3所示，谱域OCT教学系统（HF-OCT-SD840-20）采样中心波长840 nm波段的超辐射发光二极管（SLD）作为光源，光源输出的探测光经过光纤耦合器分成两路光。一路光进入样品臂后经准直器准直成平行光，平行光通过二维扫描振镜和聚焦透镜实现对样品的二维扫描，经过样品反射（或背向散射）后返回原光路；另一路光进入参考臂经过准直器、透镜和反射镜后原路返回。样品臂和参考臂的光在耦合器处汇合，其干涉光谱信号经光谱仪进行探测，最后经计算机完成图像重构。图4展示了利用谱域OCT对活体小鼠视网膜结构的三维成像，以及利用OCTA对视网膜不同深度的毛细血管丛以及脉络膜血流的造影结果。

图4 视网膜OCT结构与OCTA血流造影

(a)小鼠视网膜OCT三维结构重建；(b)小鼠视网膜深度编码伪彩色投影；红色虚线框内为视网膜三层微血管丛以及脉络膜血流

三、系统性能测试

四、系统组成

谱域OCT教学系统包括一个OCT引擎、一台高性能计算机、一个扫描系统以及一套预装的软件，如图5所示。

图5 教学OCT系统实物图