1、光學(xué)相干層析成像技術(shù)摘要：光學(xué)相干層析成像技術(shù)（Optical Coherent Tomography, OCT）在生物組織的微觀結(jié)構(gòu)成像的研究中起著重要的作用，它是一種非接觸的、無損傷的和高性能的成像技術(shù)。和傳統(tǒng)的時域OCT（Time Domain-OCT）相比，頻域OCT（Fourier Domain-OCT）能夠提供了更高的分辨率，更高的動態(tài)范圍，以及更高速的成像速度，被廣泛的應(yīng)用在了生物組織醫(yī)學(xué)成像等方面。但不可否認(rèn)的是，對于像跟腱，角膜，視網(wǎng)膜，骨頭，牙齒，神經(jīng)，肌肉等具有雙折射特性的生物組織，F(xiàn)D-OCT沒有足夠的能力來描述這些它們的分層結(jié)構(gòu)和雙折射的對比度。偏振OCT（Polar

2、ization Sensitive-OCT）的基礎(chǔ)正是由于樣品組織對于偏振光的敏感性而建立的。因此，PS-OCT是描述具有雙折射特性組織的強(qiáng)有力的工具。偏振頻域OCT（Polarization-sensitive Fourier-domain optical coherence tomography，PS-FD-OCT）是目前最優(yōu)的OCT是PS-FD-OCT。它系統(tǒng)同時具備了偏振OCT和頻域OCT兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。本文利用瓊斯矢量法對其進(jìn)行了描述。正文：1光學(xué)相干層析成像技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀1.1光學(xué)相干層析成像技術(shù)的發(fā)展顯微成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很長時間了。為了觀察生物組織、微生物組織和了解材料的結(jié)構(gòu)

3、，人們發(fā)展了多種成像技術(shù)，如：X光技術(shù)及層析技術(shù)、核磁共振技術(shù)、超聲、正電子輻射層析技術(shù)及光學(xué)層析成像技術(shù)OT（Optical tomography）等。在OT技術(shù)中的光源主要采取紅外或近紅外光（7001300nm），該波段光較容易透過某種生物類混沌介質(zhì)，對生物活體無輻射傷害，而且通過分析光譜還可以獲得組織的新城代謝功能等信息。因此OT技術(shù)正在生物醫(yī)學(xué)界得到廣泛的研究和應(yīng)用。根據(jù)原理OT技術(shù)可以分為兩類：散斑光學(xué)層析成像技術(shù)DOT（diffuseoptical tomography），和光學(xué)衍射層析成像技術(shù)ODT（optical diffractiontomography）。OCT（Optic

4、al coherence tomography）技術(shù)是在ODT技術(shù)的技術(shù)之上發(fā)展起來的。由于OCT系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備造價低廉，并可以實(shí)現(xiàn)高精度的組織成像，一經(jīng)提出，立刻引起了廣大研究者的濃厚興趣。OCT主要適用于多層結(jié)構(gòu)生物組織如視網(wǎng)膜，皮膚組織等。通常，它的最小分辨率可達(dá)10到20微米。目前OCT系統(tǒng)己經(jīng)成功的應(yīng)用到青光眼研究，神經(jīng)外科與神經(jīng)科學(xué)研究，皮膚癌診斷，神經(jīng)外科指導(dǎo)，癲癰脊椎手術(shù)，提供臨床牙科診斷圖，牙外科，牙跟，牙勃膜疾病診斷，密度物質(zhì)研究等等很多方面。1.2光學(xué)相干層析技術(shù)的現(xiàn)狀近年來有關(guān)OCT的理論發(fā)展很快，己經(jīng)越來越清晰，理論的發(fā)展導(dǎo)致了新技術(shù)的產(chǎn)生，并使OCT系統(tǒng)的性

5、能不斷提高?，F(xiàn)在OCT系統(tǒng)的主要研究方向是：光源的改進(jìn)，更好的穿透深度，更高的成像精度，更快的采樣速度，更逼真的圖像重構(gòu)和更快捷的臨床應(yīng)用等方面。OCT在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域處于特殊重要的地位，它不僅安全可靠，而且可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，并可以進(jìn)行多方位多層面、高速度和無損傷的成像。當(dāng)前OCT主要被應(yīng)用在三個光學(xué)成像領(lǐng)域：通過肉眼或借助低倍放大鏡可見的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的成像；通過精密顯微鏡放大可見的物質(zhì)的成像和內(nèi)窺鏡成像。OCT成像的縱向分辨率由光源的相干長度決定。通常寬帶光源如超輻射激光二極管的相干長度很短，一般為1030m，它的使用使OCT成像具有較高的縱向分辨率。同時，介質(zhì)內(nèi)光束的橫向尺寸決定了其橫向分辨率。在

6、OCT系統(tǒng)的信號檢測中，信號在埋在大量的背景噪聲中，為了抑制噪聲通常采用外差檢測的方法，如鎖相放大技術(shù)對微弱信號進(jìn)行處理，這樣的OCT系統(tǒng)在較大的動態(tài)范圍內(nèi)具有較好的檢測精度。盡管分辨率很高，但由于散射光子的強(qiáng)烈衰減，OCT對生物組織的成像深度僅有幾個毫米，如人的皮膚，成像深度僅為2-3mm，但許多臨床上的應(yīng)用處于這個成像深度范圍內(nèi)。2光學(xué)相干層析系統(tǒng)的分類根據(jù)光學(xué)相干層析成像技術(shù)的原理，當(dāng)前OCT系統(tǒng)可以分為：時域OCT系統(tǒng)（TDOCT），頻域OCT系統(tǒng)（FDOCT）。TDOCT是主要基于隨著參考臂光學(xué)延遲線移動，樣品臂和參照臂的等光程點(diǎn)進(jìn)行深度掃描的成像方法。與TDOCT相比，F(xiàn)DOCT取

7、消了深度掃描裝置，不需要通過移動反光鏡來獲得光程差，它可以得到高速的，高分辨率的成像效果，這是由于它在縱向方向有高速的成像速度。此外，根據(jù)OCT系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能上可分為：偏振OCT，多普勒OCT，吸收OCT，彈性O(shè)CT，量子OCT等。3偏振頻域光學(xué)相干層析成像（PS-FD-OCT）系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)本節(jié)中我們討論一下雙折射特性；其次，用瓊斯（Jones）矩陣方法作出介紹。3. 1雙折射的類型偏振光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)（Polarization-sensitive OCT,PS-OCT）對于具有雙折射特性的生物組織是非常敏感，可以得到更加清晰的圖像。這一節(jié)，主要討論一下生物組織中的雙折射現(xiàn)象。通常有兩種

8、雙折射類型：固有（intrinsic）雙折射和形式（form）雙折射。固有雙折射與原子群和分子群的空間排列相關(guān)。例如，I型膠原質(zhì)顯示了正態(tài)的雙折射特性是由于平行于多肽鏈的氨基酸殘留物的纖維和分子軸的類似晶狀體的排列隊(duì)列。固有雙折射的強(qiáng)度主要是決定于隊(duì)列的類型，分子聚集的規(guī)則和遇到的群的化學(xué)性質(zhì)。發(fā)生在棒狀或盤狀組織內(nèi)的雙折射，再浸入不同的介質(zhì)中時，他們的反射系數(shù)是不同的。被觀察到的雙折射特性是兩種雙折射類型的效果總合。3.2瓊斯矢量法的簡述3.2.1偏振光的電矢分量表示法電矢分量方法是描述光的偏振的一種方法。在坐標(biāo)系中，設(shè)一單色平面偏振光沿z軸傳播，則它的電矢分量可以表示為：Ex=Acos(t

9、-kz+x)Ey=Bcos(t-kz+y) （1）Ez=0其中A，B是振幅，x，y是Ex，Ey兩分量的初相位，為時間圓頻率，k為波矢大小。使用光波的復(fù)指數(shù)表達(dá)式時，(1)式中的Ex，Ey兩分量可以寫為：Ex=Aei(t-kz)eixEy=Aei(t-kz)eiy （2）采用復(fù)數(shù)表示式是為了運(yùn)算方便，當(dāng)然運(yùn)算結(jié)果只有實(shí)部才有意義。一般情況下，合成電矢量末端的軌跡為一橢圓。即：ExEy2ExEycos(y-x)=sin2(y-x)=sin2 （3） + -ABAB它表示電矢量末端的運(yùn)動軌跡是一個在x，y方向上分別取值為A，B所描繪的矩形的一個內(nèi)接橢圓。當(dāng)=0、時，為直線偏振光。其電矢量末端為在圖（

10、b）所示的矩形的對角線上作直線振動。當(dāng)=/2時，為正橢圃偏振光。其橢圓軌跡的長短軸分別在x,y軸上：如果同時有A=B，則為圓偏振光，電矢量末端作半徑為A的圓周運(yùn)動。矢量末端的旋轉(zhuǎn)方向取決于的取值范圍，當(dāng)0<為左旋，即E掃描方向與k（光的傳播方向）是成左手螺旋關(guān)系；當(dāng)-<0為右旋，即E掃描方向與k是成右手螺旋關(guān)系。22由此可見，用參量振幅A，B和相位差可以決定橢圓的形狀和取向。從而確定某一種偏振狀態(tài)。3.2.2偏振光的瓊斯矢量法1941年Jones發(fā)現(xiàn)一束偏振光可以分解成兩個正交的瓊斯矢量。如果兩個瓊斯矢量E1和E2滿足：EE=EE=0 （4）提出可以用一個二行一列矩陣來表示偏振光，

11、這個矢量被稱為瓊斯矢量。Jones矢量描述的只是處于完全偏振狀態(tài)的偏振光，用互為正交的兩個振動分量表示，分量之間具有位相差。其定義為： *Exi(t-kz)Aeixi(t-kz-x)Aiy=eE=ei （5） BeyBe其中，y-x=，由于相位2周期性，規(guī)定相位差的主值的取值范圍是：-，當(dāng)-<<0時，則y分量落后于x分量，反之，當(dāng)0<<，x分量落后于y分量。=0時，x，y同相位，當(dāng)=±時，x，y分量是反相。式(5)的系數(shù)ei(t-kz)是x，y分量共有的相位部分，除去在兩偏振光即兩個瓊斯列矩陣疊加外，就偏振光光學(xué)系統(tǒng)對某一偏振光變換而言，只關(guān)心兩分量的差別，所

12、以在運(yùn)算過程中，這一項(xiàng)可以略去。但要注意，在比較兩分量的相位永遠(yuǎn)是在同一地點(diǎn)(z)、同一時刻(t)；在同一地點(diǎn)z、x、y分量的相位均按t隨時間變化；在同一時刻t，x、y分量的相位在空間均按kz隨z變化；如果有必要，可以在運(yùn)算結(jié)果上再把這一項(xiàng)補(bǔ)上。即便在絕對相位（即兩分量的共同相位）信息顯得很重要的場合下，把絕對相位和相對相位差分開考慮，這一步驟仍是很有意義的。略去系數(shù)ei(t-kz)，一個偏振光就可以表示為瓊斯矢量:AJ=i （6） Be與斯托克斯矢量不同的是它沒有體現(xiàn)出光的強(qiáng)度I，但可由下式求出I2=A2+B2。在許多的實(shí)用偏振計(jì)量中，對光的(總)強(qiáng)度不感興趣，于是往往把強(qiáng)度的平方根提到矩陣

13、前作為一個共同的因子，則：cosJ=i （7）sine式中cos=Asin=Btan=B/A為振幅比，定義域?yàn)?0,/2)cos歸一化的瓊斯矢量為：Jn=i，它的強(qiáng)度為單位1。 sine對線偏振光，=±n；對于圓偏振光，=±(2 n+1)/2。當(dāng)A=B和n=0,1， 2,時相應(yīng)的線偏振光和圓偏振光歸一化矢量分別為:icos 1 （8） ±sin其中-i表示右旋圓偏振光，+i表示左旋圓偏振光，瓊斯矢量只適用于偏振光。總結(jié)：本文回顧了OCT成像技術(shù)的發(fā)展，并利用瓊斯矢量法分析了PS-FD-OCT成像技術(shù)的原理。PS-FD-OCT成像技術(shù)對于具有雙折射特性的生物組織可以

14、探測出組織的分層結(jié)構(gòu)，這樣得到的層析圖像可以和真實(shí)解剖的組織照片更加吻合，這是傳統(tǒng)的OCT無法實(shí)現(xiàn)的，因此本章中討論了生物組織中的的雙折射特性，雙折射的分類（固有雙折射和形式雙折射），生物組織的偏振現(xiàn)象。研究表明了，很多生物組織，如：跟腱，角膜，視網(wǎng)膜，骨頭，牙齒，神經(jīng)，肌肉等都具有雙折射特性，偏振光對于膠原質(zhì)等具有雙折射特性的物質(zhì)是非常敏感的，這為PS-FD-OCT的應(yīng)用開辟了廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 CHEN Lei, ZHAN Genyao, SUN Liqun, GUO Hong Method and apparatus of orthogonal polarization spectral microcirculation imaging Journal of App lied Optics