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基于超连续谱光源的超高分辨率光学相干断层扫描
神科仪购网/SNKOO-eGo / 2019-07-17

超高分辨率光学相干断层扫描(UHR-OCT)是一种依赖于低相干干涉测量(LCI)原理的非侵入性成像模式。UHR-OCT的主要应用领域是生物医学成像,在无损成像(NDI)领域上也有不少应用。虽然速度是在体内样本成像时要考虑的主要参数之一,但光功率、光谱范围和穿透深度对NDI更重要。SC是唯一能够提供大范围自由的波长选择与大带宽的光源,同时能提供高的空间相干性和高的光功率。目前用于UHR-OCT的SC源是以锁模激光器作为泵浦源,但也可用Q开关激光器代替锁模激光器作为泵浦源。因为Q开关激光器能提供更宽脉宽的脉冲,具有足够的峰值功率用于SC产生,且成本低。

本文将Q开关泵浦激光器(QS-SC)(SuperK Compact,NKT Photonics)的低成本商用SC源用于UHR-OCT。泵浦激光器的工作频率为22.222kHz,脉宽为1.6ns。可通过增加相机的曝光时间来实现高分辨率OCT图像。我们将此QS-SC与常规用于OCT的SC源进行比较,后者基于锁模泵浦激光器(ML-SC)(SuperK Extreme,NKT Photonics),重复频率为320MHz,脉宽为10ps。QS-SC源目前的成本不到ML-SC价格的15%。

 

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图 1 UHR-OCT系统的示意图。DC:定向耦合器,PC:偏振控制器,C1,C2:抛物线准直器,Disp.C:色散补偿块,NDF:中性密度滤光片,M1:平面镜,OBJ:扫描透镜。

如图1所示,UHR-OCT装置是一个迈克尔逊干涉仪,具有超宽带50/50定向耦合器(DC),将光路分成参考臂和样品臂。参考臂由反射准直器(C2-Thorlabs RC04APC-P01),色散补偿块(Thorlabs LSM02DC),可变中性密度滤光片(ND滤光片)和平面镜(M1)组成。样品臂由反射准直器(C1-Thorlabs RC04APC-P01),一组基于电流计的XY扫描仪(Thorlabs GVSM002/M)和扫描透镜(OBJ-Thorlabs LSM02)组成,在1315nm波长处光斑尺寸为11μm。光谱仪是Cobra 1300(Wasatch Photonics),其光学带宽为1070nm至1470nm,最大线速为76kHz,2048像素。该系统的成像范围约为2毫米。处理单元由连接到电脑的数据采集卡(NI PCIe-1433)组成。用LabVIEW接口和Matlab算法获取和处理所有数据。

 

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图 2使用商业OSA(a)和干涉仪(b)后用光谱仪测量的两种SC源的光谱。(c)针对150μm的轴向位置(距离)处的每个SC源和相应的傅里叶变换(FT)限制PSF评估归一化PSF。

图2(a)是使用与光纤连接的积分球和在1750nm的光谱仪(OSA)测量的两个SC源的光谱。对于QS-SC源,光谱实际上扩展到2.4μm,对于ML-SC源,光谱扩展到2.0μm。在每个SC源的干涉仪之后由光谱仪测量的光谱如图2(b)所示。由于它们的光谱形状相似,表征UHR-OCT系统的轴向分辨率的点扩散函数(PSF)也是相似的。如图2(c)所示,测量的轴向分辨率略低于5μm(在空气中),对应于3.5μm组织的分辨率(n=1.4)。

在噪声方面,主要是探测器噪声,散粒噪声和相对强度噪声(RIN)。探测器噪声包含由热光电子产生和信号数字化引起的噪声。散射噪声是由光子随机到达探测器引起的噪声。RIN是由于光源的幅度波动引起的噪声。OCT系统应该在散粒噪声占优势的区域中操作,因为此时信噪比(SNR)最高。但在有噪声光源的情况下,RIN将占主导地位,从而导致SNR降低。

可使用滤波器,光电二极管和示波器来测量RIN。在1100nm至1450nm的波长范围内测量的两个SC源的RIN,几乎覆盖1070nm至1470nm的整个光谱仪范围。为此,使用几个10nm带通滤波器(Thorlabs)对来自SC源的光进行滤波,其中心波长为50nm,然后由InGaAs光电二极管(Thorlabs-DET08CFC-800至1700nm,5GHz)检测。用示波器(Teledyne LeCroy-HDO9404-10位分辨率,40GS/s和4GHz)记录脉冲序列。图3(a)显示了测量的RIN随波长的变化。可以看出QS-SC源具有低RIN,仅在2.5-5%之间。相反,ML-SC显示出强烈波动,在较长波长下RIN在10%至近45%的范围内。对于光源的重复频率,当QS-SC源以kHz速率工作时,ML-SC源以MHz速率工作。考虑到相机的kHz范围内的线速率,ML-SC在一个曝光时间内可提供数千个脉冲,而QS-SC仅提供少量脉冲。例如,100μs的曝光时间对应于ML-SC的32,000个脉冲和QS-SC的仅2到3个脉冲。然而,由于重复频率的差异很大,因为RIN不是高斯噪声,所以它的改进并不容易。

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图 3不同相机曝光时间的SC噪声分析:(a)RIN与波长的关系(b)仅从参考臂获得的噪声基底(样品臂被阻挡)。(c)灵敏度随深度而衰减。

将OCT图像中的噪声表征为阻挡样本臂时获得的深度信息轮廓(A-扫描)的本底噪声。为了清楚地显示噪声和曝光时间之间的趋势,平均超过500次A-扫描。图3(b)显示了两个SC源的噪声基底和4个不同的曝光时间,QS-SC和ML-SC的两组曲线相隔约20dB。在ML-SC的情况下,由于对大量脉冲进行平均,系统在大约100μs的散粒噪声限制范围内(从100μs到150μs的噪声基底没有改善曝光时间)。对于QS-SC,曝光时间越长,本底噪声越低,表明在OCT系统中存在RIN的影响。初步观察结果由图3(c)中的灵敏度图确认,两组曲线显示出20dB的灵敏度差异。

 

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图 4 IR卡的1mmx2.4mm B-扫描,每一列的曝光时间分别为20μs,40μs,100μs和150μs:(a-d)基于QS-SC和(e-h)基于ML-SC的B扫描。(150微米深度,横向400微米)

图4中每次B-扫描是1毫米(深度)×2.4毫米(横向)区域,由500次A扫描组成。使用相同的黑白级别显示所有B-扫描,以将dB值编码为灰度级。当曝光时间为20μs时,使用基于QS-SC源获得的B-扫描的质量差,SNR低。黑色条纹表示没有任何光脉冲的读数。如果曝光时间增加到40μs,那么光源脉冲和相机读出之间的不匹配仍然存在,但图像质量得到改善。当曝光时间增加到100μs或150μs时,两种光源都能提供良好的最终图像质量,具有相似的轴向分辨率和相同的可区分结构信息。

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图 5来自健康的的志愿者手掌皮肤(1.6mm×4mm)的B-扫描,使用:(a-d)ML-SC;(e-h)QS-SC。每行的曝光时间:分别为20,40,100,150μs(比例尺450μm)

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图 6从健康志愿者手掌皮肤的4mm×4mm C-扫描。基于:(a-d)ML-SC;(e-h)QS-SC。曝光时间为20,40,100,150μs。(比例尺1mm)-(NaN表示由于缺少信号,无法计算20μsQS-SC图像的对比度)

图5和图6是从健康志愿者的手掌在体内采集4mW的皮肤图像的实例,体积尺寸为500(A-扫描)×500(B-扫描)×1024(深度)。这些是在37.5秒内获得的,考虑了最长的曝光时间(150μs)。但这个曝光时间太长,无法将成像应用于眼睛、心脏甚至皮肤。

通过上述可以看出QS-SC能够用于1300nm的UHR-OCT。即使该光源的重复频率处于kHz范围内,通过小幅增加相机曝光时间,也可以产生与现有技术系统相当的图像质量。对于皮肤的成像,若曝光时间长,则需要跟踪或补偿程序。除了在1300nm范围内的演示操作外,QS-SC光源适用于较短波长(800nm范围)或甚至更长波长(1700nm,2000nm范围)的操作。


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