基于米氏理论的蒙特卡洛光学相干层析成像系统模拟研究

　　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。目前OCT系统已经成功地应用到青光眼研究,神经外科与神经科学研究,皮肤癌诊断,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,密度物质研究等很多方面[2]。但是由于光在生物组织中的行为的复杂性,故OCT至今没有一个令人满意的理论模型。

　　生物组织是一种高散射介质。研究光在高散射介质中的传输的光学特性及光强的分布对于许多医学应用都有重要意义[3]。最早人们想通过蒙特卡洛方法来模拟光在高散射介质中的随机过程,Wang L H在1995年提出的光在多层介质中的蒙特卡洛模型(Monte Carlo in multi players,MCML)[4]成功模拟了光子在多层复杂高散射介质中的行为。但MCML只是把光当作一个个的光子包,其中并不包含光的相位、偏振等信息,无法直接应用到OCT系统。后来,Schmitt J M和Lu Q等分别将扩展Huygens-Frense[3],Mie理论[5]等物理模型引入蒙特卡洛方法,成功地解决了这一问题,更精确地描述了光在多层高散射介质中的行为。

　　通过结合米氏理论的蒙特卡洛方法数值模拟了光在分层高散射介质中的行为,并以此为基础建立了OCT理论模型。然后根据该模型模拟实现了对多层介质的层析成像,并讨论了空间滤波,偏振等现有OCT技术对层析成像结果的影响。

　　2　理论与模型

　　2.1　OCT系统

　　光学相干层析成像(OCT)系统是一种类似迈克尔逊干涉仪的具有纵横向扫描功能的系统(图1)。通过使用宽带光源,使得样品反射的光走过的光程必须与参考光走过的光程相等时才相干加强,而其他样品光与参考光光程不相等的光信号则被抑制。通过调节参考光的光程可以选择出从样品不同深度返回的光信号,从而达到层析成像的目的。OCT理论模型中最重要也最难解决的是光在样品中的行为,现采用结合米氏理论的蒙特卡洛模拟方法计算。数值模拟过程中,每个光波走过的光程都被记录下来,通过分别对返回界面时光子走过的不同光程对应的光强的统计,可以获得样品内部不同层面的情况。在模拟中记录的不同的光程即相当于实验中参考臂运动到不同位置时对应的输出,用于统计光程的分辨力即OCT中的相干长度,也就是OCT中的轴向最小分辨力。

　　2.2　蒙特卡洛算法

　　蒙特卡洛方法[4]是一种通过对大量随机过程进行统计获得稳定的物理量输出的方法。由于生物组织是高散射介质,OCT系统中进入样品的每个光子在生物组织中的行为具有一定的随机性,因此通过蒙特卡洛方法追踪并对数以亿计的光子进行统计会在样品表面获得稳定的后向散射光场分布,把这个光场作为OCT系统的样品臂返回光场与参考臂返回光场相干成像,比传统的不考虑散射直接计算样品分层间的反射的OCT模型更加符合实际。