光學相干斷層掃描

光學相干斷層掃描（Optical coherence tomography，OCT）又稱光學相干層析術、光學同調斷層掃描，是一種獲取與處理光學信號的成像技術，其利用低相干光（如近紅外光）掃描，自光學散射介質（如生物組織）內部拍攝微米級解析度的二維和三維圖像；用於醫學成像和工業無損檢測。

光學相干斷層掃描技術利用光的干涉原理，通常選取波長較長的近紅外光拍照，可穿過一定深度的掃描介質。另一種類似的技術，共聚焦顯微鏡，穿過樣品的深度不如光學相干斷層掃描。

光學相干斷層掃描使用的光源包括超輻射發光二極體與超短脈衝雷射。根據光源性質的不同，這種掃描方式甚至可以達到亞微米級的解析度，這時需要光源的頻譜非常寬，波長的變化範圍在100納米左右。

光學相干斷層掃描技術是光學斷層掃描技術的一種。目前比較先進的一種光學相干斷層掃描技術為頻域光學相干斷層掃描，這種掃描方式的信噪比較高，獲得信號的速度也比較快。商用的光學相干斷層掃描系統有多種應用，包括藝術品保存和診斷設備，尤其是在眼科中，這種斷層掃描系統可以獲取視網膜的細節圖像。最近，這種技術也被用於心臟病學的研究，以對冠狀動脈的疾病進行診斷。

## 簡介

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在全世界範圍內，有數個研究組織從採用白光干涉對活體內人眼進行測量開始對人體組織，尤其是眼睛的成像進行研究。1990年的 ICO-15 SAT 會議上，首先展示了一張基於白光干涉深度掃描原理的對活體內人眼眼底沿眼水平子午線的二維圖像。1990年，丹野直弘對這個方案進行了進一步的研究，隨後日本山形大學的一位教授也對此展開了研究。這些研究使得光學相干斷層掃描技術擁有了微米級的解析度和毫米級的穿透深度，還擁有產生截面圖像的能力，因此它成為一種重要的生物組織成像技術。1993年，首次採用光學相干斷層掃描技術對活體內的視網膜結構成像。

光學相干斷層掃描也被應用於許多藝術品保護的項目中，它被用來分析繪畫作品的不同層次。與其他醫學圖像系統相比，光學相干斷層掃描有很大的優勢。醫用超聲成像和核磁共振成像由於解析度不夠，無法用於形態組織成像，而共聚焦顯微鏡則缺少毫米級的穿透能力。

光學相干斷層掃描是基於弱相干性理論發展的。在傳統的干涉學中需要使用相干長度很長的光源，因此通常選用雷射作為干涉光源，相干長度通常達到數米。而在光學相干斷層掃描技術中，由於使用了寬頻光源，相干長度被縮短到了幾個微米。寬頻光源通常可以使用超輻射發光二極體或超短脈衝的雷射（飛秒雷射器）來實現。白光也是一種功率較低的寬頻光源。

光學相干斷層掃描系統中的光束被分成兩部分：一部分稱為樣品光臂，照射在樣品上；一部分被稱為參考光臂，通常照在鏡子上。樣品產生的反射光和參考光臂產生的反射光會發生干涉，而僅僅當兩條光路的長度相同（差距小於相干長度）時，會產生穩定的干涉圖樣。通過調整參考光臂的鏡子，可以得到樣品的反射輪廓，這種技術被稱為時域光學相干斷層掃描。樣品反射能力較強的區域會產生較強的干涉，而超出干涉長度的反射光將不會產生干涉。這樣產生的反射輪廓被稱為A掃描，包含有我們觀察的樣品內部結構的空間大小與位置的資訊。截面斷層掃描B掃描可以通過結合不同深度的A掃描結果來重建。根據使用的成像引擎的能力，還可以實現在給定深度上的C掃描。

## 原理

光學相干斷層掃描可以獲得透明或者不透明物質的表面以及次表面圖像，圖像的解析度與小型顯微鏡相同。它可以認為是一種類似超聲成像的光學技術，通過組織對光線的反射來提供截面圖像。與其它成像技術相比，光學相干斷層掃描可以提供擁有微米級解析度的活體組織形態圖像，因此，在醫學界，它是一種非常具有吸引力的技術。

光學相干斷層掃描的主要優點是

- 對活體組織成像，解析度可達微米級
- 對組織形態迅速、直接的成像
- 不需要製備樣品
- 不需要離子輻射

由於光學相干斷層掃描採用了波長很短的光波作為探測手段，它可以達到很高的解析度。首先將一束光波照在組織上，一小部分光被樣品表面反射，然後被收集起來。大部分的光線被樣品散射掉了，這些散射光失去了遠視的方向信息，因此無法形成圖像，只能形成耀斑。散射光形成的耀斑會引起光學散射物質（如生物組織、蠟、特定種類的塑料等等）看起來不透明或者透明，儘管他們並不是強烈吸收光的材料。採用光學相干斷層掃描技術，散射光可以被濾除，因此可以消除耀斑的影響。即使僅僅有非常微小的反射光，也可以被採用顯微鏡的光學相干斷層掃描設備檢測到並形成圖像。

光學相干是濾除散射光的物理機制。反射光可以作為相干光，而由於散射光散射的位置不同，造成光路長度的差異，再加上光源的相干長度極短，使得散射光失去了相干的性質。在光學相干斷層掃描設備中，光學干涉儀被用來檢測相干光。從原理上說，干涉儀可以將散射光從反射光中濾除，以得到生成圖像的信號。在信號處理過程中，可以得到從某一次表面反射的反射光深度和強度。三維圖像可以通過類似聲納和雷達的掃描來構建。

在已經引入醫學研究的無創三維成像技術中，光學相干斷層掃描技術與超聲成像都採用了回波處理技術，因此他們的原理相似。其他的醫學成像技術如電腦斷層掃描、核磁共振成像以及正電子發射斷層掃描都沒有利用回聲定位的原理。

光學相干斷層掃描的局限性是僅能掃描生物組織表面下1-2毫米的深度。這是由於深度越大，光線無散射的射出表面的比例就越小，以至於無法檢測到。但是在檢測過程中不需要樣品製備過程，成像過程也不需要接觸被成像的組織。更重要的是，設備產生的雷射是對人眼安全的近紅外線，因此幾乎不會對組織造成傷害。

## 理論細節

光學相干斷層掃描的基礎理論是白光或低相干光的干涉。在這種技術中，光學設備包括一個干涉儀（在圖.1中，使用了典型的邁克耳孫干涉儀），和低相干的寬頻光源。光線被分成兩束，分別稱為參考光臂和樣品光臂，然後又將這兩束光合併以產生干涉圖樣。

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### 時域光學相干斷層掃描

在時域光學相干斷層掃描中，參考光臂的光路長度可以轉換為時間。低相干光源干涉的一個重要特徵是相干圖樣，也就是明暗相間的條紋，僅當光路的長度差小於光源的相干長度時才會發生。這種干涉稱為對稱干涉儀中的自相關（兩個光臂具有相同的反射性）。在光路長度差發生變化的時候，調製的包絡也發生改變，而包絡的峰值對應著光路的匹配。

兩束部分相干的光線的干涉可以用光強的變化來表達

$$I = k_1 I_S + k_2 I_S + 2 \sqrt { \left ( k_1 I_S \right ) \cdot \left ( k_2 I_S \right )} \cdot Re \left [\gamma \left ( \tau \right ) \right] \qquad (1)$$

其中，$I_S$代表光強，$k_1 + k_2 < 1$表示相干光線分離比例，$\gamma ( \tau )$被稱為相干度，這個函數是一個複數，它是依賴於參考光臂掃描（時間延遲$\tau$）的干涉的包絡與載波的比例。在光學相干斷層掃描中，主要的工作就是計算相干度的大小。由於相干的門控效應，相干度可以表示為一個高斯函數

$$\gamma \left ( \tau \right ) = \exp \left [- \left ( \frac{\pi\Delta\nu\tau}{2 \sqrt{\ln 2} } \right )^2 \right] \cdot \exp \left ( -j2\pi\nu_0\tau \right ) \qquad \quad (2)$$

其中，$\Delta\nu$表示光源的頻譜寬度，$\nu_0$是光源的中心頻率。在等式（2）中，高斯函數包絡是光載波調製後的幅度，包絡的峰值表示樣品被測試的微結構的位置，而幅度則依賴於樣品表面的反射性。光載波的頻率會受到掃描時干涉儀的光臂移動而產生都卜勒效應，其頻率可以由掃描的速度來控制。這樣，干涉儀臂的移動有兩個作用，通過改變光路長度來實現深度掃描和帶有都卜勒頻移的光載波。在光學相干斷層掃描中，都卜勒頻移可以表達為

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$$f_{Dopp} = \frac { 2 \cdot \nu_0 \cdot v_s } { c } \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \quad (3)$$

其中 $\nu_0$ 為光源的中心頻率，$v_s$為光路變化的掃描速度，而$c$ 代表光速。

光學干涉斷層掃描的軸向和側向解析度是彼此獨立的；前者是光源的相干長度，而後者是光學的函數。光源的相干長度，也就是斷層掃描的軸向解析度為

$\, {l_c}$｜$=\frac {2 \ln 2} {\pi} \cdot \frac {\lambda_0^2} {\Delta\lambda}\approx 0.44 \cdot \frac {\lambda_0^2} {\Delta\lambda}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (4)$

### 頻域光學相干斷層掃描

在頻域光學相干斷層掃描中，寬頻干涉的信號通過頻域分離的探測器來獲取，分離的方式可以通過使用可變頻率光源在不同時刻的頻率的時間編碼或者使用如光柵和線性探測器陣列的色散探測器。根據傅立葉變換中的維納-辛欽定理，信號的自相關函數與其功率譜密度互為傅立葉變換對，因此深度掃描可以通過對獲得的頻譜進行傅立葉變換立即得到，而不必移動參考光臂。這個特點可以極大提高成像的速度，而且可以增強信噪比。然而對多種波長的並行檢測限制了掃描的範圍，光源的頻譜寬度也限定了軸向的解析度。

#### 空間編碼頻域光學相干斷層掃描

空間編碼的頻域光學相干斷層掃描通過將不同光學頻率的光線分散透射在探測器陣列上來提取空間資訊（參見圖4）。這樣，僅僅通過一次照射就可完成一次對深度的掃描。雖然理論上空間編碼頻域掃描所獲取的信號信噪比較高，但由於探測器的動態範圍與光敏二極體相比較小，會造成信噪比的損失。在使用1300納米波長工作的時候，由於在這個波長區域動態範圍的問題並不嚴重，因此信噪比的損失尚可接受。

這種方法的缺點是信噪比會出現嚴重下降的情況，信噪比的下降和零延遲的距離成正比。由於探測器的波長受限，信噪比依賴於深度以sinc函數的形式衰減。這是由於一個像素其實探測到的是光學頻譜區域的一段，而不是單一的頻率，對其進行傅立葉變換就會產生sinc函數。另外，頻譜探測器中的色散元件一般也無法將光線依其頻率線性投射在探測器上，而通常是按照頻率的倒數投射，這種非線性效應會進一步的降低信號的質量。但是隨著具有更多像素的新一代的CCD元件或光敏二極體陣列，信噪比的下降並不是一個嚴重的問題。此外，光外差檢測可以作為解決這一問題的另一個手段，而不需要使用高色散的元件。

#### 時間編碼頻域光學相干斷層掃描

時間編碼頻域光學相干斷層掃描試圖將時域掃描和空間編碼頻域掃描的優點結合起來。在這種技術中，頻譜中的不同成分不是在空間上區分的而是在時間上區分。通過濾波或者調節生成波的頻率可以產生連續頻率的光波，而頻譜可以在進行傅立葉變換之前重建出來。通過使用掃頻光源（例如頻率掃描雷射），採用的光學設備會比空間編碼頻域掃描的方式更簡單，如圖3所示，而掃描的問題則由光源頻率的變化來解決。這種掃描方法的主要優勢是可以提供高信噪比的信號，而掃頻雷射光源的瞬時帶寬很小，通常只有20千赫-200千赫，它的缺點則是波長的非線性，這個問題在掃描頻率較高的時候尤其嚴重。在高頻率下的帶寬展寬會使其對掃描時的運動或樣品的運動高度敏感。

## 掃描方式

將光線聚集在待測樣品表面上，並將反射光與參考光混合會產生關於樣品資訊的干涉圖樣，這個干涉圖樣對應於簡單的A掃描，因為它僅僅掃描了Z軸。對樣品的掃描可以通過移動照射在樣品上的光線或者移動樣品來實現。線式掃描會產生一個二維的數據集，對應於樣品的一個截面（X-Z軸掃描），而面積掃描會得到三維數據集，對應於一個立體的圖像（X-Y-Z軸掃描），這也被稱為全場光學相干斷層掃描。

### 單點（共焦）光學相干斷層掃描

基於單點光學相干斷層掃描的系統必須對樣品從兩個維度進行掃描，然後使用掃描時通過參考光臂軸向掃描的相干門控效應所得到的深度資訊來重建三維圖像。二維的側面掃描通過使用電子機械手段移動樣品來實現。這種電子機械系統一般使用一個平移平台和一個微機電掃描系統。

### 並行（全場）光學相干斷層掃描

在並行光學相干斷層掃描系統中，樣品採用全場照明的方式，使用電荷耦合器件（CCD）照相機將樣品的像記錄下來，因此不必使用機電方式來進行側面掃描。通過移動參考鏡面來記錄連續的正面圖像，隨後可以重建出三維的圖像。這種利用照相機的三維光學相干斷層掃描曾經使用多種技術實現，包括相位步進技術、林尼克干涉儀測量幾何相位移動技術、雙照相機外差檢測技術、以及使用晶振參考鏡面和軸向平移平台的林尼克干涉儀等不同技術。這種並行掃描方式的核心必須使用非常快速的CCD照相機，或者採用高頻振動參考鏡面的方式來跟蹤斷層掃描載波的高頻變化。

#### 時域光學相干斷層掃描智能陣列探測器

有人曾經使用一個二維的智能探測器陣列來演示全場光學相干斷層掃描的技術。這個探測器陣列採用了2微米互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝。採用了這個探測器陣列的光學設備與圖3相似，相對來說比較簡單。這個智能探測器陣列中有58x58 個像素，每個像素都可以作為一個單獨的光敏二極體，包含了自己的硬體解調電路。

## 應用場合

光學相干斷層掃描是一種已經成熟的醫學成像技術。它被廣泛的應用於獲得視網膜和眼前段的高解析度圖像，可以提供直接評估多發性硬化中的軸突完整性的手段。研究人員還試圖尋找一種利用頻域光學相干斷層掃描技術來拍攝冠狀動脈的方法，以檢測脆弱的富脂斑塊。

光學相干斷層掃描也被廣泛的應用於工業界，如無損檢測、材料厚度測量、表面粗糙度測量、表面和截面成像 以及體積損耗測量。帶有反饋的光學相干斷層掃描系統可以用於控制製造過程。由於獲取速度高和其微米級的解析度，光學斷層掃描可以在線上或者離線運行。基於光纖的光學斷層掃描更加適用於工業環境。它們可以進入並掃描通常手段難於進入的空間內部，也可以在有害的環境中進行操作，例如放射性環境、低溫高溫環境等場合。