光學(xué)相干層析成像的背向散射光和入射光的關(guān)系

光學(xué)相干層析成像的背向散射光和入射光的關(guān)系

1背向散射光對apec成像的影響光學(xué)干色成像（obs-ton）是20世紀(jì)近10年發(fā)展起來的一種新型醫(yī)學(xué)成像技術(shù)?，F(xiàn)在，該算法在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并且具有高分辨率成像的特點。由于其無輻射、非感染、高分辨率和高測量靈敏度，因此在各種生物組織的成像中應(yīng)用了分辨率成像。它的第一次和一系列成熟應(yīng)用建于整形外科領(lǐng)域。光學(xué)相干層析成像可以進(jìn)行生物組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率橫斷面層析成像,圖像分辨率可達(dá)幾個微米量級,是現(xiàn)有層析成像診斷技術(shù)的十倍。當(dāng)前,OCT的研究重點主要集中在如何提高系統(tǒng)的成像速度和成像質(zhì)量,并使之成為一種實用化的醫(yī)療診斷工具。對于OCT系統(tǒng)而言,并非所有的背向散射光都能轉(zhuǎn)換成精確的OCT信號,有很大一部分是影響OCT清晰成像的雜散光,那么對OCT成像有正面影響的背向散射光在總的背向散射光中所占的比率是多少,在以往的文獻(xiàn)中,一直沒有明確的定論。為此,本文將利用基于共焦模式的OCT蒙特卡羅仿真模型對此問題做一些分析,通過對高散射生物組織的漫反射率分析,生物組織的背向散射光也非常的弱,通常只有入射光強(qiáng)的10-6～10-8。在OCT相干條件下,只有部分背向散射光與參考光相干,形成對OCT成像有實際意義的干涉信號,這部分背向散射光是入射光的10-8～10-10。在OCT系統(tǒng)中,如此微弱的信號光通過與參考光的相干作用,達(dá)到光電探測器所能檢測的范圍。頻域OCT普遍使用CCD探測陣列,由于其固有的時間積分操作,無法實現(xiàn)交流混合探測及鎖模探測。缺少交流模式使得系統(tǒng)容易受到各種1/f噪聲的干擾,而缺少窄帶外差解調(diào)技術(shù)使得帶寬依賴噪聲的干擾加劇,例如散粒噪聲和過量噪聲。因此,CCD探測陣列必須具備極高的探測靈敏度和極低的噪聲等效功率。根據(jù)以上分析,為了提高OCT系統(tǒng)的探測靈敏度、信噪比、成像速度和圖像對比度等性能,必須要盡可能提高生物組織的入射光強(qiáng),并減少背向散射光的損失。然而,在通常情況下,為了使探測器接收背向散射光的效率最佳,分束器的透射率為50%的這種結(jié)構(gòu)并不能使生物組織的入射光強(qiáng)最大化,此外,本來就非常微弱的背向散射光還會因分束器的反射損失一半以上。因此本文設(shè)計了一種帶有特殊鍍膜的干涉儀結(jié)構(gòu),來提高背向散射光的利用效率,進(jìn)而提高OCT系統(tǒng)的探測靈敏度、信噪比、圖像對比度等性能,此外,只有提高背向散射光的利用效率,才能降低光電探測器對信號光的響應(yīng)時間,達(dá)到OCT快速實時成像的目的。2入射光束-能量密度法點蒙特卡羅方法是一種統(tǒng)計模擬隨機(jī)抽樣方法,可用于模擬在任意形狀和結(jié)構(gòu)的散射介質(zhì)中光的傳播過程。Yao和Wang提出了傳統(tǒng)的基于蒙特卡羅方法的OCT模型,模擬OCT系統(tǒng)中光的多次散射對OCT信號的影響。該模型將背向散射相干光分為兩種類型,并在仿真模型里引入與參考鏡位置相對應(yīng)的相干層。與其它OCT仿真模型相比,它不但適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物組織,而且突出了OCT系統(tǒng)的相干特性,從而使仿真結(jié)果更接近OCT系統(tǒng)的實驗結(jié)果。在傳統(tǒng)的OCT蒙特卡羅仿真模型中,入射光束被視為理想的無限窄細(xì)光束,從坐標(biāo)原點上垂直入射到組織內(nèi)部。對于有限直徑大小的圓光束,可以通過無限窄細(xì)光束的光分布與實際光束輪廓的卷積來獲得其在組織內(nèi)部的光分布。然而,在OCT系統(tǒng)中普遍采用共焦掃描方式(如圖1所示),入射光束是聚焦的高斯光束。由于光子經(jīng)過透鏡之后,沿著確定方向的直線入射到組織表面,因此每個光子包(或光子)在生物組織內(nèi)傳播的初始方向都是固定的,并且與光子入射位置密切相關(guān)。對于這種特殊的幾何結(jié)構(gòu),無法繼續(xù)應(yīng)用常規(guī)的卷積方法來獲取總的光分布。因此,為了使蒙特卡羅仿真模型與實際情況相符合,作者引入共焦顯微鏡結(jié)構(gòu)和聚焦高斯光束的定義,此外還針對傳統(tǒng)仿真模型在光子分類上的缺陷,做了必要的調(diào)整。3點淺表組織仿真模型利用上述模型,本文通過研究OCT相干條件和非相干條件下的漫反射率來研究生物組織對光的背向散射情況。漫反射率定義為光子在徑向位置上單位面積的漫反射概率分布。假設(shè)入射光束為高斯光束,入射光子總量為108。樣本透鏡的數(shù)值孔徑NA=0.4,光源的中心波長λ0=633nm,線寬Δλ=10nm。仿真對象為皮膚淺表組織,探測深度分別為10μm、200μm、300μm、400μm。圖2顯示利用OCT蒙特卡羅仿真模型獲得的徑向分布漫反射率。圖2(a)是不考慮OCT相干條件的漫反射率Rd(r),對于不同的探測深度,漫反射率Rd(r)在160μm的半徑內(nèi)有明顯的區(qū)別,在更大的半徑上相差不大。如圖所示,OCT系統(tǒng)的探測深度越大,漫反射率Rs(r)的衰減越劇烈。在光軸中心部分,背向散射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的10-6～10-7。圖2(b)是考慮OCT相干條件下的漫反射率Rd′(r),對于不同的探測深度,它們的差異很大,探測深度越淺,符合OCT相干條件的背向散射光越集中,越有利于OCT系統(tǒng)探測接收。隨著探測深度增大,符合OCT相干條件的背向散射光沿半徑向外擴(kuò)散。如果只關(guān)心光軸中心部分的漫反射率,由圖2觀察可知,滿足OCT相干條件的背向散射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的10-8～10-10。為此,一方面OCT系統(tǒng)必須選擇靈敏度高、動態(tài)范圍大的光電探測器;另一方面還必須對傳統(tǒng)的干涉儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新的設(shè)計,改進(jìn)背向散射光的利用效率。4光學(xué)測試中的干涉對比根據(jù)以上對生物組織背向散射光反射率的分析,在OCT相干條件下,只有部分背向散射光與參考光相干,形成對OCT成像有實際意義的干涉信號,這部分背向散射光比一般條件下的背向散射光還要小2～3個數(shù)量級。在OCT系統(tǒng)中,這樣微弱的信號光通過參考光的放大作用,達(dá)到光電探測器所能檢測的范圍。此外,為了提高OCT系統(tǒng)的探測靈敏度,必須盡可能提高生物組織的入射光強(qiáng),并減少背向散射光的損失。然而,在通常情況下,為了使探測器接收背向散射光的效率最佳,分束器的透射率Ts為50%,這種結(jié)構(gòu)并不能使生物組織的入射光強(qiáng)最大化,本來就非常微弱的背向散射光還會因分束器的反射損失一半以上。從干涉對比度的角度分析,也必須盡量縮小參考光與信號光之間的差距。由OCT干涉原理可知,假設(shè)入射光波的電場振幅為A,在干涉儀的輸出端光電探測器接收到的總強(qiáng)度如公式(1)所示:Ip=Is′+Ir+2Is′Ir????√|γsr(τ)|cos(2πv0τ)=A2T2TrRs+A2TsTrRr+2ATsTrRrRs?????√?|γsr(τ)|cos(2πv0τ),(1)Ιp=Ιs′+Ιr+2Ιs′Ιr|γsr(τ)|cos(2πv0τ)=A2Τ2ΤrRs+A2ΤsΤrRr+2AΤsΤrRrRs?|γsr(τ)|cos(2πv0τ),(1)干涉對比度如公式(2)所示:V1=2RrRs√|γsr(τ)|Rr+RsV1=2RrRs|γsr(τ)|Rr+Rs,(2)由公式(2)可以看出分束器的透射率或反射率并不影響干涉對比度,它只由參考鏡Rr和組織樣品的反射率Rs決定。假設(shè)參考光與信號光的等光程時,相干度|γst(τ)|取得最大值。在這種情況下,只有當(dāng)Rs≈Rr時,也就是說參與干涉的兩路光的光強(qiáng)近似相等時,干涉對比度才能達(dá)到最大值。然而,在實際系統(tǒng)中由于受參考鏡全反射的作用,參考光通常比較強(qiáng),這也無疑將降低干涉輸出的對比度,影響測量精度,同時容易使探測器達(dá)到飽和,因此還必須對參考光的光強(qiáng)做衰減處理。鑒于以上兩個方面的分析,必須對干涉儀做一些改進(jìn)的設(shè)計,鍍膜工藝采用光刻技術(shù)。在此采用雙面特殊鍍膜的分束器,并采用鍍有高透射膜的參考臂反射鏡(Rr′≈1%),如圖3所示。分束器基片材料選用K9的光學(xué)玻璃,在光學(xué)玻璃的正面鍍上增透介質(zhì)膜,使透射率和反射率比為99∶1,Ts,ref=Ts,sig=99%,ref指參考光reference,sig指信號光signal,光學(xué)玻璃的背面在中心直徑為1mm的圓內(nèi)鍍上增透介質(zhì)膜,使透射率和反射率比為99∶1,小圓之外鍍上高反射系數(shù)的介質(zhì)膜,使反射率投射率的比為99∶1,Rs,sig=99%。在光路設(shè)計中,光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡組準(zhǔn)直后,直徑小于特殊鍍膜分束器中心小孔,這樣會避免光通過鍍膜小孔產(chǎn)生的邊緣效應(yīng),同時99%的光進(jìn)入樣品臂,1%的光進(jìn)入?yún)⒖急?然后通過光路的調(diào)整,使背向散射信號光由全反射區(qū)域反射,這樣可以充分保證來自生物組織的背向散射光基本不受分束器反射率的影響,即信號光在分束器上的反射率Rr,sig≈0.99。這樣,參考光與信號光的光強(qiáng)對比度如公式(3)所示:V2=2Tr,refRr′Rs√|γsr(τ)|Tr,refRr′+RsV2=2Τr,refRr′Rs|γsr(τ)|Τr,refRr′+Rs,(3)令參考光部分的衰減系數(shù)r=Tr,refRs′,如果Tr,ref=1%、Rr′=1%,則r=10-4。由此可知,這種帶有特殊鍍膜分束器的邁克爾遜干涉儀可以大幅度衰減參考光的強(qiáng)度,至少比普通邁克爾遜干涉儀小4個數(shù)量級。為了比較干涉儀改進(jìn)前后在干涉對比度上的差異,將V2與V1相比,可得公式(4):k=V2V1=r√(Rr+Rs)Rs√(r+Rs)=r√(1+Rs)r+Rs,(Rr≈1),(4)k=V2V1=r(Rr+Rs)Rs(r+Rs)=r(1+Rs)r+Rs,(Rr≈1),(4)當(dāng)r=10-4、Rs=10-8時,干涉對比度大約提高2個數(shù)量級。OCT系統(tǒng)的一個顯著特征就是它可以工作在量子噪聲限附近,具有極高的探測靈敏度。探測靈敏度S通常用于衡量系統(tǒng)“最低可測”的信號能量值,這個值越低,靈敏度就越高。在本文中利用了蒙特卡羅仿真模型對高散射組織樣品的反射率作了粗略評估,認(rèn)為在OCT系統(tǒng)中,滿足相干條件的背向散射光功率是入射光功率的10-8或更小,系統(tǒng)必須具備很高的探測靈敏度。然而在實際系統(tǒng)中,直接估計組織樣品的反射率是一件比較困難的事情,因此也不易準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)的探測靈敏度。在實際操作中,通常采用系統(tǒng)的信噪比來評估系統(tǒng)的探測靈敏度。OCT系統(tǒng)的信噪比SNR可以用下式表示:SNR=101gi2s,maxσ2n=101gi2s,maxσ2re+σ2sh+σ2ex=101g4ρ2Psignalσ2re+σ2sh+σ2ex,(5)SΝR=101gis,max2σn2=101gis,max2σre2+σsh2+σex2=101g4ρ2Ρsignalσre2+σsh2+σex2,(5)其中,is,max是光電檢測器上的最大平方光電流信號,ρ是光電探測器的響應(yīng)率,Psignal為有效信號光功率。σ2nn2是由噪聲引起的總的光電流變化,它可以表示為由接收機(jī)噪聲、散粒噪聲和超強(qiáng)度噪聲等隨機(jī)噪聲引起的光電流之和。在標(biāo)準(zhǔn)OCT干涉系統(tǒng)中,假設(shè)分束器是理想的,它的透射率Ts和反射率Tr分別為50%。在干涉儀輸出端有用信號的光功率Psignal為:Psignal=TsTrRsPso=0.25RsPso,(6)其中,Rr是指參考鏡的反射率,Rs是指生物組織的反射率,Pso是指光源的輸出功率。當(dāng)采用帶有特殊鍍膜分束器的干涉儀后,其干涉儀輸出端有用信號的光功率Psignal′為:Psignal′=TsTrRsPso=0.99RsPso,(7)從公式(6)和(7)可以看出,從樣品返回的有效信號提高了4倍,從而信噪比SNR提高了將近6dB。5探測靈敏度比較圖4(a)、(b)分別是普通干涉儀結(jié)構(gòu)和特殊干涉儀結(jié)構(gòu)的成像結(jié)果,顯而易見,采用特殊結(jié)構(gòu)的干涉圖在對比度上具有很大的改進(jìn)。由于本實驗系統(tǒng)使用的探測器在靈敏度和動態(tài)范圍等方面比較低(DalsaCA-D6探測靈敏度13.1V/(μJ/cm2),動態(tài)范圍54dB),因此系統(tǒng)的探測靈敏度也不會太高。采用這種帶有特殊鍍膜分束器的干涉儀,對3層蓋玻片進(jìn)行了實驗,根據(jù)對輸出圖像的數(shù)據(jù)分析(如圖5所示),粗略估計實驗系統(tǒng)的探測靈敏度可以達(dá)到43dB左右。目前,每幀500個深度掃描的時域OCT只能實現(xiàn)4～8幀/s的成像速度,如果采用這種特殊結(jié)構(gòu)的干涉儀,結(jié)合高靈敏度的光電探測器,降低微弱背向散射光的積分時間,可以使成像速度提高4倍以上。6光學(xué)測試具有提高測試靈敏