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光学相干断层扫描成像实验方案
神科仪购网/SNKOO-eGo / 2019-07-25

在眼科应用中,光谱域OCT以散射对比度为基础,具有高分辨率的三维成像能力,因此已成为诊断视网膜疾病不可缺少的成像手段。下文介绍一种使用中心波长为480nm的单宽带光源对大鼠视网膜进行成像实验。

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图 1

图1(a)显示了实验系统的原理图。其中,C1-C3:准直器;L1-L3:透镜;DM:分色镜;LPF:长通滤波器;PC:偏振控制器;PMT:光电倍增管。采用宽带超连续激光器(SuperK EXTREME, NKT Photonics)作为光源,再加上波段选择模块(SuperK VARIA)。图1(b)显示了用于成像系统的光源在所选输出端的被测光谱。

将输出光源耦合到单模光纤的光源臂(2×2光纤耦合器,中心波长为514nm,OZ Optics,Ottawa,Canada),即迈克尔逊干涉仪中。在离开样品臂之后,光被准直,并由分色镜(DMLP505,截止波长:505nm,Thorlabs)反射,由X-Y检流计扫描仪扫描,然后通过中继透镜和目镜的组合传送到视网膜。该系统在视网膜的横向分辨率为7.3μm。在参考臂中,采用玻璃板补偿参考臂与样品臂之间的群速度色散失配。在检测臂中,用一个由1800线/毫米透射光栅、一个多元素成像透镜(f=150mm)和一个线扫描CCD摄像机(Aviiva-SM2-CL-2010,2048像素,10μm像素大小,12位模式,e2V)组成的光谱仪对来自样品臂和参考臂的混合反射光进行准直和检测。图像采集板(IMAQ PCI-1428,National Instruments)获取摄像机采集的干扰光谱,并将其传送到电脑进行信号处理和图像显示。OCT光谱仪中的线阵CCD摄像机以24kHz的线性速率工作。

通过腹膜内注射含有氯胺酮(54mg/kg体重)和甲苯噻嗪(6mg/kg体重)的混合物麻醉大鼠,用10%去氧肾上腺素溶液扩张瞳孔,并将大鼠约束在动物支架中。

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图 2

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图 3

图2是从3D VIS-OCT数据集生成的大鼠视网膜OCT眼底图像。图3为视网膜横截面图像。与使用系统在415nm处获得的图像相比,图3中所示的横截面图像具有更好的深度分辨率(从12μm提高到5.8μm),从而更好地使视网膜层可视化。此外,可以观察到来自诸如脉络膜的更深层的更强信号。与近红外(NIR)中的OCT图像相比,VIS-OCT图像的血管在其后面的视网膜层上投射更清晰的阴影,这是由于可见光谱中的血红蛋白吸收高。

此外,在傅立叶域OCT(FDOCT)中使用超宽带超连续谱源能够将轴向分辨率(空气中)提高到小于2µm的水平【1】【2】,因此在艺术保护、历史和考古等领域也开发出成功的应用案例。例如用于动态监测不同清漆的润湿和干燥情况,使用溶剂去除清漆,实时激光烧蚀清漆层,以及跟踪由于环境变化引起的画布变形等。下文介绍一套基于光纤的超高分辨率傅里叶域光相干层析成像(FDOCT)系统,在1.5mm的深度范围内,清漆和涂料的轴向分辨率为1.2μm。

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图 4

如图4所示,FDOCT系统使用NKT公司的商用超连续宽带激光光源(SuperK Versa)。光源中心波长810nm,输出带宽为200nm的近似高斯光谱。基于光纤的Michelson干涉仪,使用Thorlabs FC632-50B-APC光纤耦合器,其截止波长低于600nm。输出的干涉信号用50mm焦距抛物镜准直,然后用1200线/mm体积的全息光栅(Wasatch Photonics)分散。注意,基于透镜的准直器会产生色差,影响传输光的光谱形状,降低带宽,从而降低轴向分辨率。因此,对于超高分辨率的OCT,最好尽可能使用反射式光学器件。为了保证探测器上的小聚焦光斑,必须在光栅处有一个宽准直光束。600到1000nm之间的散射光被聚焦到40mm宽的探测器上,探测器的像素为4096像素,像素大小为10×10μm2(e2V AViiVA 4010 EM4,带相机链接帧采集器NI PCIe-1433),使用大尺寸相机镜头(蔡司85mm f/1.4近红外防反射涂层的蔡司85mm f/1.4)。该相机为12位,全井容量为117500电子。最大增益为15.8e/ADU(每模数单位的电子量),用于最大限度地提高动态范围,同时最大限度地减少响应的非线性(~0.04%)。该相机的最大线率为37.14kHz,读取噪声为<2ADU。考虑到实验中积分时间很短(<50μs),暗电流可以忽略不计。参考臂放置一个色散补偿玻璃。

高分辨率的光谱仪的校准通常是使用校准灯的标准窄谱线发射的光谱仪进行的。在这里,使用31个标准线从氖灯和氩气灯(Ocean Optics)638nm-912nm的波长范围内校准。像素位置与波长的数据用光栅方程拟合的。以镜头的焦距、光栅入射角和中心像素的波长为自由参数,用五阶多项式拟合。(拟合方程的均方根值为0.077nm,五阶多项式的拟合值为0.026nm)。在这种情况下,像素采样分辨率为~0.0845nm。为了消除系统内的相互反射造成的系统伪影,从所有光谱中减去500个没有样品的背景光谱的平均值。在FFT之前,可以在光谱上应用Hann窗口,以减少侧斑,提高图像质量,但也会带来轴向分辨率的略微降低。

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图 5

 a) NKT SuperK Versa在810 nm处的光谱整形后的光谱(红色)、CCD响应的光谱(蓝色)和CCD光谱响应修改后的源光谱(黑色);b) 使用源光谱和CCD响应模拟的PSF(红色交叉)和使用玻璃载玻片(蓝色圆圈)模拟的PSF(蓝色)。模拟频谱的处理方法与实际测量数据相同。

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图 6

a)样品的超高分辨率OCT剖面图;b)深度剖面图显示树脂的光学厚度为4微米,相当于2.6微米的物理厚度(树脂的折射率为1.53),与剖面仪测得的2-3微米的厚度一致。

对图4搭建的系统进行测试,用玻璃显微镜载玻片测量该系统的轴向分辨率,如图5显示,该系统在空气中的轴向分辨率为1.8微米(在折射率假设为1.5的清漆和涂料中,轴向分辨率为1.2微米)。接近于考虑到光源的实际光谱和CCD的光谱响应的模拟估计值1.7微米(在空气中)。最高的侧波比主峰低40dB(图6(b)),可以通过应用Hann窗口,在空气中的轴向分辨率降低到2.2μm。横向分辨率是通过扫描美国空军显微镜图测量的,发现横向分辨率为7微米。鉴于漆层相当光滑,这样适中的横向分辨率是绰绰有余,不会降低轴向分辨率。图6显示了通过UV固化环氧树脂(在平面玻璃基板上)的一层薄的透明的UV固化环氧树脂(在平面玻璃基板上)的OCT横截面图像和深度剖面图,其厚度为已知的机械剖面测量得到的厚度。OCT测量出的树脂的光学厚度约为4µm,相当于物理厚度约2.6µm(树脂的折射率约为1.53),与机械剖面仪测量出的2-3µm的厚度一致。

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图 7

图7显示了从空气/玻璃界面深度剖面的FWHM测得的轴向分辨率与深度的函数关系。注意,在1.5mm的深度范围内,当使用通过拟合五阶多项式获得的精确的波长校准,轴向分辨率在2.2µm左右(蓝色)。如果使用稍为不那么精确的波长校准,在1.5mm的深度范围内,轴向分辨率会随着深度的增加而从2.3增到4.6µm(红色)。

1. R. Yadav, K. S. Lee, J. P. Rolland, J. M. Zavislan, J. V. Aquavella, and G. Yoon, “Micrometer axial resolution OCT for corneal imaging,” Biomed. Opt. Express 2(11), 3037–3046 (2011).

 

2. L. Liu, J. A. Gardecki, S. K. Nadkarni, J. D. Toussaint, Y. Yagi, B. E. Bouma, and G. J. Tearney, “Imaging the subcellular structure of human coronary atherosclerosis using micro-optical coherence tomography,” Nat. Med. 17(8), 1010–1014 (2011).


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