一种新的光学相干层析成像中色散现象的补偿方法

　　1　引　言

　　光学相干层析成像[1](optical coherence tomography, OCT)是近年来快速发展的一种生物组织高分辨力实时成像技术。这种技术基于光源的低时间相干性,采用光外差探测技术,能够高灵敏度、高分辨力地提取样品内部信息,能够对高散射介质实现非侵入探测式快速成像。目前OCT系统已经成功地应用到眼科诊断,皮肤癌诊断,神经外科与神经科学研究,神经外科指导,癫痫脊椎手术,提供临床牙科诊断图,牙外科,牙龈,牙黏膜疾病诊断,密度物质研究等等很多方面[2]。

　　光学相干层析成像的轴向分辨力近似为所用光源的光学相干长度。光学相干长度与光源的频谱宽度成反比。近年来,使用宽带光源实现关学层析成像的分辨力已经可以达到几微米[3,4]。虽然使用宽带光源可以大幅度提高分辨力,但是,如果研究的介质的色散系数很大,就会产生一些问题。色散是由于不同频率的光在介质中传播的群速度不同,而引起的相干包络展宽[5]。这种现象会引起图像的分辨力和对比度下降。同时,光学相干层析成像技术广泛应用在癌症和眼科疾病的早期诊断中,由于生物体的性质复杂、成分多样,因此色散引起的图像模糊现象是不可避免的。如果不对色散引起模糊的图像进行校正,容易引起医学上的误诊。目前光学层析技术中的色散补偿方法通常由以下几种:一是在OCT系统中迈克耳逊干涉仪的参考臂和加入与样品臂(生物组织样品)色散性质类似的介质,并调节参考臂位置,实现参考臂和样品臂色散性质匹配[6～8];二是利用光栅实现相位延迟扫描,实现色散补偿[9];三是也可进行数值补偿,通过卷积的方法校正色散[10]。但是这些方法只适用于样品的群折射率色散(dng/dλ)已知,并且反射面在样品中的位置(探测深度)大致不变的情况。如果每次测试的样品厚度变化很大,或样品群色散未知,那么就需要根据待测样品不断调整装置,很不方便。

　　现提出了一种迭代法优化补偿系数的数值方法,可根据不同样品和探测深度,自动矫正补偿系数。实验装置中,采用了中心波长为845nm,频谱宽度(FWHM)为26nm的超辐射光源(super-luminescent diode,SLD),样品则采用了一块厚度为30mm的BK7玻璃。实验中,探测了通过该样品的OCT信号,观测到了包络展宽现象,其形状和包络宽度与理论计算相符合。进一步将这种数值补偿方法用于处理通过色散样品的OCT信号,可以观测到补偿后信号的包络宽度降低,OCT系统的分辨力得到提高。

　　2　实验原理和装置

　　图1为采用的实验装置简图。采用了光纤型的迈克尔逊干涉仪。超辐射光源和氦氖激光同时耦合入光纤,前者用来产生部分相干光,后者用于对准。实验样品为一块30mm的BK7玻璃,为了增强反射光,在玻璃后表面贴上一块反射镜。InGaAs的探测器用来测量信号的强度。参考臂上的反射镜置于电控平移台上,通过电机驱动来实现轴向扫描。轴向扫描速度为1mm/s,采样速度为40000Hz。轴向扫描速度和采样频率由Labview程序控制,采集的信号强度数据由matlab程序进行处理。