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光學(xué)相干層析成像(OCT)利用寬帶部分相干光的微米級(jí)相干長(zhǎng)度獲取生物組織或材料的高分辨率層析圖像。譜域和掃頻光源OCT在頻域成像探測(cè),受益于高速線陣相機(jī)和掃頻激光技術(shù)發(fā)展,成像速度和探測(cè)靈敏度大幅提升。2023年,其共同發(fā)明人因在眼底疾病診斷的臨床應(yīng)用*獲得拉斯克臨床醫(yī)學(xué)研究獎(jiǎng)。
OCT臨床應(yīng)用從眼科拓展到多科室,如經(jīng)皮介入的血管內(nèi)OCT用于冠狀動(dòng)脈和顱內(nèi)診療,在評(píng)估血管內(nèi)壁斑塊形態(tài)等方面發(fā)揮重要作用;在皮膚病變?cè)\斷、燒傷深度評(píng)估等方面有重要價(jià)值;還用于監(jiān)控心臟和食管射頻消融、結(jié)直腸癌病灶切除等治療過(guò)程。然而,現(xiàn)有OCT技術(shù)難以解析細(xì)胞及以下尺度結(jié)構(gòu)和對(duì)比度有限,需提升分辨率。
為解決這一問(wèn)題,研究人員提出多種焦深拓展策略,將詳細(xì)討論這些技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)方法、優(yōu)勢(shì)和局限性,并比較不同探測(cè)形式下各類方法的效果。
OCT焦深擴(kuò)展方法
1.原理特性
貝塞爾函數(shù)是亥姆霍茲方程解,貝塞爾光束具有無(wú)衍射性,保證細(xì)長(zhǎng)光束寬度在傳輸中穩(wěn)定;自愈性使其在傳播中被部分遮擋后能恢復(fù)原始形貌。這使其能深入生物組織,抵抗散射,提供高焦深增益和信噪比。
2.實(shí)現(xiàn)方式
錐透鏡在OCT領(lǐng)域常用,如將頂角為160°的錐透鏡整合到干涉儀樣品臂,實(shí)現(xiàn)至少6mm焦深,分辨率約10μm;用準(zhǔn)直高斯光束照射頂角170°微光學(xué)錐透鏡產(chǎn)生貝塞爾光束,獲8μm橫向分辨率和4mm焦深;搭建基于錐透鏡的OCT焦深擴(kuò)展成像系統(tǒng)用于體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能性皮膚成像。
針對(duì)錐透鏡體積大難以用于內(nèi)窺OCT的問(wèn)題,提出微型全光纖錐透鏡探頭,通過(guò)在單模光纖和無(wú)芯光纖間拼接梯度折射率光纖并對(duì)無(wú)芯光纖機(jī)械拋光制成,其中GRIN光纖充當(dāng)擴(kuò)束器拓展焦深。
隨著雙光子3D打印技術(shù)發(fā)展,在光纖端面上打印三段結(jié)構(gòu)產(chǎn)生貝塞爾光束,*段將高斯光轉(zhuǎn)換為環(huán)形光束輸入并補(bǔ)償端面不平整導(dǎo)致的偏移,第二段為分形逆錐形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)環(huán)形光束并保持包層平均有效折射率,產(chǎn)生高階貝塞爾光束時(shí)需在第二段出射面施加螺旋相位賦予軌道角動(dòng)量,第三段起聚焦微透鏡作用將環(huán)形光束轉(zhuǎn)換為貝塞爾光束。
3.優(yōu)勢(shì)局限
貝塞爾光束能實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展,但相干傳遞函數(shù)存在嚴(yán)重空間頻率分量損失,導(dǎo)致OCT圖像靈敏度下降和旁瓣偽影;旁瓣較強(qiáng)會(huì)干擾主峰信號(hào),降低信噪比。類貝塞爾光束由小頂角錐透鏡產(chǎn)生的環(huán)形光束聚焦到掃描振鏡再經(jīng)消色差透鏡聚焦產(chǎn)生,其自愈性可減少激光消融期間成像偽影。
基于相位掩模的波前調(diào)控
1.原理特性
通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)相位掩模結(jié)構(gòu)調(diào)控光場(chǎng),在預(yù)設(shè)光傳播區(qū)域產(chǎn)生期望光場(chǎng)分布,具有高度靈活性,其形式多樣,包括分區(qū)式、空間復(fù)用、級(jí)聯(lián)等,需根據(jù)掩模特征尺寸選擇波傳輸模型完成設(shè)計(jì)。
2.實(shí)現(xiàn)方式
Lorenser等提出兩種基于GRIN光纖的內(nèi)窺式探頭實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展,一是用兩段不同纖芯直徑 GRIN 光纖構(gòu)建軸向雙焦點(diǎn),二是利用球透鏡對(duì)GRIN光纖不同波前部分聚焦形成軸向雙焦點(diǎn),合理選取GRIN光纖長(zhǎng)度或球透鏡半徑改變聚焦位置實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦深會(huì)聚光場(chǎng)。
Yu等為解決貝塞爾光束焦深擴(kuò)展時(shí)旁瓣問(wèn)題,提出利用環(huán)形掩模濾波器構(gòu)建暗場(chǎng)OCT,在照明和檢測(cè)光路中施加環(huán)形光瞳濾波器,通過(guò)設(shè)計(jì)孔徑分布使照明臂點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)*旁瓣波峰與檢測(cè)臂*波谷重合,抑制旁瓣并擴(kuò)展焦深。
Kim等將可編碼二元空間相位濾波器結(jié)合到GRIN光纖遠(yuǎn)端,對(duì)入射光相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展,各環(huán)高度值由波傳輸理論數(shù)值優(yōu)化確定。
Zhao等提出空間復(fù)用相位板設(shè)計(jì)方法,與聚焦透鏡結(jié)合構(gòu)建軸向緊密排布多焦點(diǎn),先將相位板離散像素化,根據(jù)期望軸向焦點(diǎn)數(shù)確定子單元網(wǎng)格數(shù),對(duì)相同聚焦位置網(wǎng)格施加相同偏移相位構(gòu)建,放置在聚焦透鏡后焦面產(chǎn)生多焦點(diǎn)光場(chǎng)分布,還可用于構(gòu)建離散多焦面提升體成像速度并維持細(xì)胞量級(jí)分辨率。
Pahlevaninezhad等提出基于雙表面的入射光和搜集光路配置,在單個(gè)表面半徑弧上施加光線扭曲相位使光線聚焦形成連續(xù)焦線,搜集光線的表面也采用類似操作與入射光一一映射,實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展。
3.優(yōu)勢(shì)局限
該方法靈活性高,但相位掩模單元間相位突變或耦合會(huì)引入額外衍射噪聲,干擾主信號(hào),降低信噪比。
基于色散效應(yīng)
1.原理特性
介質(zhì)對(duì)光的折射率隨波長(zhǎng)變化產(chǎn)生色散,會(huì)聚波前中不同波長(zhǎng)光經(jīng)聚焦透鏡時(shí)聚焦位置軸向偏移。OCT使用寬光譜光源,利用此特性可等效實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展。
2.實(shí)現(xiàn)方式
Zhang等以周期面積內(nèi)透明與不透明面積之比為優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)分形波帶片,其產(chǎn)生軸向多焦點(diǎn)且焦距與波長(zhǎng)相關(guān),提升焦深增益。
Liu等利用棒鏡作為環(huán)形變跡器結(jié)合聚焦透鏡產(chǎn)生貝塞爾光束掃描樣品,因色散效應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)展焦深,用于人類冠狀動(dòng)脈粥樣硬化亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)成像。
Bian等發(fā)現(xiàn)菲涅耳透鏡有高色散能力,可將不同波長(zhǎng)光聚焦在不同深度位置,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)于傳統(tǒng)聚焦透鏡的焦深,但軸向分辨率受影響。
Romodina等應(yīng)用硒化鋅透鏡完成焦深擴(kuò)展的高分辨率體積OCT成像,但因生物相容性和近紅外區(qū)域透射率問(wèn)題未商用。
Li等提出光譜復(fù)用OCT系統(tǒng),結(jié)合樣品臂和參考臂共路設(shè)計(jì),利用連續(xù)譜源兩段頻譜聚焦到樣品不同深度實(shí)現(xiàn)兩倍焦深擴(kuò)展,有望與其他技術(shù)結(jié)合提高聚焦性能,但增加光學(xué)曝光劑量和系統(tǒng)復(fù)雜性。
Pahlevaninezhad等針對(duì)內(nèi)窺OCT中保護(hù)套管效應(yīng),利用射線追跡設(shè)計(jì)透鏡,考慮其高色散提升OCT成像系統(tǒng)焦深增益。
3.優(yōu)勢(shì)局限
利用色散效應(yīng)可在保持高橫向分辨率下擴(kuò)展焦深,但色散與軸向分辨率固有矛盾,常需對(duì)OCT圖像進(jìn)行數(shù)值色散補(bǔ)償或使用快速掃描延遲線設(shè)備。
基于合成孔徑
1.原理特性
深度編碼合成孔徑方法通過(guò)在樣品臂光路插入環(huán)形相位板,產(chǎn)生三條不同光學(xué)路徑,對(duì)應(yīng)三幅不同深度編碼圖像,經(jīng)深度解碼和相位補(bǔ)償相干疊加實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展,且能保持橫向分辨率與物鏡焦平面處一致。
2.實(shí)現(xiàn)方式
Mo等提出該方法,如在樣品臂光路中環(huán)形相位板插入聚焦透鏡后焦平面,造成三條路徑,對(duì)應(yīng)三幅圖像,處理后重建合成孔徑圖像。后續(xù)采用相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)光源驗(yàn)證其在厚生物組織成像潛力。
Bo等將環(huán)形相位板更換為圓形相位間隔器獲得高橫向分辨率數(shù)字重聚焦圖像,后又提出多孔徑合成方法,利用壓電換能器使微柱面透鏡橫向移動(dòng)獲取不同角度掃描線,合成一條掃描線增大有效光學(xué)孔徑,提升焦深擴(kuò)展能力。
3.優(yōu)勢(shì)局限
該方法可擴(kuò)展焦深,但存在光纖孔數(shù)值孔徑與環(huán)形相位板劃分波前孔徑失配問(wèn)題導(dǎo)致信號(hào)耦合損失;額外光學(xué)元件引入會(huì)降低光強(qiáng)度和信號(hào)強(qiáng)度,圖像合成過(guò)程中噪聲疊加降低信噪比。
基于計(jì)算重建
1.原理特性
利用干涉合成孔徑顯微鏡技術(shù)計(jì)算重建與焦平面分辨率相同的三維體積圖像,通過(guò)考慮光束在樣本中傳播等物理過(guò)程建模,可采取與X-ray計(jì)算斷層類似數(shù)值處理方案進(jìn)行數(shù)據(jù)插值實(shí)現(xiàn)空間不變分辨率。
2.實(shí)現(xiàn)方式
Ralston等建模計(jì)算重建數(shù)學(xué)模型,將信號(hào)二維傅里葉變換與樣本散射勢(shì)三維傅里葉變換聯(lián)系,通過(guò)數(shù)據(jù)插值實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展。后續(xù)Sheppard等以相干傳遞函數(shù)理論為基礎(chǔ)分析相關(guān)技術(shù)相似性和差異,奠定干涉合成孔徑技術(shù)理論基礎(chǔ)。Coquoz等將干涉合成孔徑技術(shù)與錐透鏡產(chǎn)生貝塞爾光束照明相結(jié)合獲得焦深擴(kuò)展高分辨率圖像。
3.優(yōu)勢(shì)局限
該方法能實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展,但需去除互相關(guān)干涉中的延遲擾動(dòng)獲得*相位穩(wěn)定,且重聚焦模型中球面波前與實(shí)際受樣本干擾形成的波前差異大,限制分辨率提升。
基于多模干涉
1.原理特性
基于多模干涉原理的光纖濾波器探頭可擴(kuò)展內(nèi)窺OCT有限焦深,多模干涉探頭包含過(guò)渡光纖和大纖芯光纖,過(guò)渡光纖提高光傳輸效率并控制大纖芯光纖激發(fā)模式,調(diào)整大纖芯光纖長(zhǎng)度改變激發(fā)模式相位差,從而在出射端獲得可控光場(chǎng)分布。
2.實(shí)現(xiàn)方式
Qiu等通過(guò)優(yōu)化漸變型多模光纖GIF1和大纖芯光纖LCF長(zhǎng)度,使光在LCF中發(fā)生線性偏振模式干涉,在LCF-NCF端面形成多模干涉場(chǎng),經(jīng)NCF傳播放大后通過(guò)GIF2光纖聚焦實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展。后又在LCF-NCF端面額外插入GIF2光纖,使P1和P2互為成像共軛面,放大多模干涉場(chǎng)后聚焦實(shí)現(xiàn)焦深擴(kuò)展。
Yin等在單模光纖熔接多模光纖,產(chǎn)生的0階模式近似高斯光束提供高斯聚焦區(qū)域,高階模式經(jīng)GRIN光纖聚焦后形成偽貝塞爾聚焦區(qū)域,兩者構(gòu)成焦深擴(kuò)展區(qū)域,后續(xù)通過(guò)亞毫米直徑柔性導(dǎo)管獲得人體冠狀動(dòng)脈細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖像。
3.優(yōu)勢(shì)局限
該方法在內(nèi)窺OCT中有潛力,但多模光纖中模式間耦合和損耗會(huì)導(dǎo)致光能量損失,降低圖像信噪比。
基于動(dòng)態(tài)聚焦
1.原理特性
焦深擴(kuò)展需求主要在譜域OCT系統(tǒng),時(shí)域OCT通常以動(dòng)態(tài)聚焦并同步光程差方式實(shí)現(xiàn)。OCT軸向分辨率由光源相干門和探測(cè)光束聚焦條件共同決定,動(dòng)態(tài)聚焦可調(diào)整焦點(diǎn)位置,保持相干性可提高軸向分辨率。
2.實(shí)現(xiàn)方式
Lexer等在時(shí)域OCT樣品臂光路引入振蕩鏡使光束焦點(diǎn)振蕩,經(jīng)縱向放大率透鏡組放大焦點(diǎn)偏移后聚焦到樣品實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦,需合理選擇縱向放大率使參考臂與樣品臂光程差與光源相干長(zhǎng)度匹配。
Qi等提出基于微機(jī)電鏡的深度聚焦控制系統(tǒng),微機(jī)電鏡含鍍金氮化硅膜和特殊電鏡驅(qū)動(dòng)電極,通過(guò)調(diào)整電壓控制球面像差實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)掃描,樣品臂監(jiān)控信號(hào)觸發(fā)焦點(diǎn)跟蹤實(shí)現(xiàn)與參考臂掃描同步。
Divetia等制造可液體填充的聚合物透鏡,連接水管控制液壓使透鏡變形改變焦距實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦。
3.優(yōu)勢(shì)局限
動(dòng)態(tài)聚焦可實(shí)現(xiàn)焦深實(shí)時(shí)擴(kuò)展,但存在焦點(diǎn)掃描與參考臂掃描同步困難問(wèn)題,且制備特定聚合物透鏡有一定難度。
OCT焦深擴(kuò)展效果與應(yīng)用
01自由空間 OCT
自由空間OCT數(shù)值孔徑大,焦深和工作距離提升顯著,可擴(kuò)展至1mm以上,工作距離與樣品臂聚焦物鏡焦距相關(guān)。例如,采用空間復(fù)用相位板與聚焦物鏡組合的方法能實(shí)現(xiàn)167倍瑞利長(zhǎng)度焦深擴(kuò)展,但聚焦效率相對(duì)較低;利用特制的高色散硒化鋅透鏡可極大增加工作距離,然而透鏡的生物相容性和近紅外區(qū)域透射率問(wèn)題阻礙其商業(yè)化。
1.皮膚成像
在皮膚成像中,可清晰獲得不平坦皮膚表面外部特征,對(duì)于惡性皮膚腫瘤邊界辨別有重要意義,長(zhǎng)焦深有助于分辨深層交界。例如,在相關(guān)皮膚成像示例中,能夠清晰展示皮膚結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
2.細(xì)胞成像
利用全玻璃透鏡與聚焦透鏡組合產(chǎn)生軸向多焦點(diǎn),可解析大深度范圍細(xì)胞分辨率圖像,提升體成像速度,如在人鼻部皮膚細(xì)胞成像中得到應(yīng)用。
3.氣管結(jié)構(gòu)成像
對(duì)豬肺氣管結(jié)構(gòu)成像,長(zhǎng)焦深OCT可在較大深度范圍內(nèi)可視化支氣管組織微結(jié)構(gòu),凸顯炎癥浸潤(rùn),傳統(tǒng)高斯掃描難以實(shí)現(xiàn),如對(duì)比成像示例所示。
4.內(nèi)皮細(xì)胞成像
高分辨率焦深擴(kuò)展OCT可對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞原位可視化,如對(duì)培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞成像能清晰顯示細(xì)胞輪廓。
5.激光截骨術(shù)應(yīng)用
長(zhǎng)焦深OCT用于激光截骨術(shù),可為手術(shù)提供實(shí)時(shí)視覺(jué)反饋,類貝塞爾光束的自愈性還可減少激光消融期間成像偽影。
自由空間OCT焦深擴(kuò)展成像示例。(a)皮膚3D成像;(b)皮下的交界位置成像;(c)人鼻部皮膚的細(xì)胞成像;(d)豬肺氣管結(jié)構(gòu);(e)培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞成像
內(nèi)窺式OCT入射光孔徑小,現(xiàn)有焦深擴(kuò)展方案橫向分辨率多在5μm以下,焦深在200-300μm區(qū)間,工作距離短(500μm以下)。多模干涉探頭方案主要應(yīng)用于內(nèi)窺OCT,如利用多模光纖不同模式聚焦產(chǎn)生焦深擴(kuò)展區(qū)域,但犧牲軸向光場(chǎng)均勻性。部分文獻(xiàn)在某一參數(shù)指標(biāo)提升時(shí)需額外探頭或系統(tǒng)改進(jìn)輔助,如共路探頭設(shè)計(jì)改善工作距離但增加光學(xué)曝光劑量和系統(tǒng)復(fù)雜性,液壓控制動(dòng)態(tài)聚焦需制備特定聚合物透鏡,階梯式排布光纖陣列加工要求高且增加探頭尺寸。
1.氣道成像
納米光學(xué)內(nèi)窺探頭對(duì)豬氣道成像,相比球透鏡產(chǎn)生的高斯光,能更清晰顯示氣道壁層結(jié)構(gòu)和微小腺體結(jié)構(gòu),還可對(duì)活體羊支氣管成像,清晰展示肺組織多種結(jié)構(gòu)特征。
2.冠狀動(dòng)脈成像
可對(duì)人體冠狀動(dòng)脈橫截面成像,清晰辨認(rèn)平滑肌細(xì)胞等結(jié)構(gòu),其大小和形狀與組織學(xué)圖像一致,傳統(tǒng)血管內(nèi)OCT圖像難以清晰辨認(rèn),還可對(duì)兔主動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)行3D重建,展示斑塊區(qū)域等詳細(xì)信息。
內(nèi)窺OCT焦深擴(kuò)展成像示例。(a)豬氣道成像;(b)肺組織的結(jié)構(gòu)成像;(c)人體冠狀動(dòng)脈的橫截面成像;(d)兔主動(dòng)脈粥樣硬化的3D重建和橫截面圖像
結(jié)與展望
當(dāng)前焦深擴(kuò)展技術(shù)雖有進(jìn)展,但各有局限。貝塞爾光束存在相干傳遞函數(shù)和旁瓣問(wèn)題影響圖像質(zhì)量;相位掩模設(shè)計(jì)制造復(fù)雜,對(duì)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)和校準(zhǔn)要求高;合成孔徑和計(jì)算成像技術(shù)受限于相位穩(wěn)定和波前差異,分辨率提升受限;多模干涉技術(shù)工作距離擴(kuò)展和模式控制性有待提高;動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)在焦點(diǎn)同步和透鏡制備方面存在問(wèn)題。
優(yōu)化圖像重建算法,建立OCT信號(hào)物理過(guò)程與統(tǒng)計(jì)光學(xué)聯(lián)系,從失焦圖像重建高分辨圖像實(shí)現(xiàn)等效焦深擴(kuò)展,獲取功能成像圖像并彌補(bǔ)現(xiàn)有計(jì)算重建方法不足。
創(chuàng)新光學(xué)設(shè)計(jì),隨著表面領(lǐng)域興起,矢量光場(chǎng)調(diào)控從理論走向應(yīng)用,控制偏振態(tài)(如徑向偏振)在高數(shù)值孔徑緊聚焦中至關(guān)重要,提升軸向偏振分量占比可獲分辨率焦深擴(kuò)展針形光束,結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)提升系統(tǒng)成像深度和分辨率。
解決色差校正問(wèn)題,不同波長(zhǎng)光聚焦到相同位置需不同相位,單一元件相位色散難以實(shí)現(xiàn)大帶寬色散校正,表面的共振相位原子和幾何相位原子有望解決此難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)在焦深擴(kuò)展前提下同時(shí)校正色差。之OCT焦深擴(kuò)展技術(shù)發(fā)展需多學(xué)科綜合創(chuàng)新,以提升其在醫(yī)學(xué)診斷和生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用價(jià)值。
聲明:本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來(lái)源于:谷成富, 張浩然, 蘭琦, 張偉逸, 劉暢, 楊建龍. 光學(xué)相干層析成像焦深拓展方法研究進(jìn)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2024, 61(20): 2011018.
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