定义
一种光学成像技术，其中基于对低相干光的干涉效应实现纵向分辨率。
光学相干断层扫描是一种广泛使用的高分辨率光学成像技术，通常应用于深度有限的透明或半透明物体，特别是生物组织。 它适用于医学成像中的各种应用，例如眼科（例如用于诊断青光眼或黄斑变性等疾病的视网膜成像）、皮肤病学、肿瘤学（癌症检测）和心脏病学;高分辨率（可能是亚微米）实时体内成像的能力使OCT成为诊断许多不同医疗状况以及医学研究的宝贵工具。
OCT 工作原理
光学相干断层扫描与激光显微镜有一些相似之处（尽管在许多情况下不使用激光源）。 在两个横向维度上，通过扫描样品上紧密聚焦的光束并对背向散射光进行测量来获得图像分辨率。 在第三个（纵向）维度上，人们利用了低相干干涉测量原理。 所获得图像的3D性质当然是一个重要的优势。 同时，空间分辨率可以远高于例如超声成像方法。
时域OCT
概念上最简单的方法是时域OCT。
我们从最初构思的操作原理[1]开始，现在称为时域OCT。 它基于白光干涉仪文章中解释的白光干涉测量原理。 本质上，在迈克尔逊或马赫-曾德尔干涉仪中，来自样品的背向散射光与来自参考光束的光叠加，参考光束是通过从光源到样品的路径中的分束器获得的。 只有来自选定小深度范围的光才能对振荡信号做出贡献，因为只有该光与参考光束具有实质性的时间相干性。 来自所选深度范围外部的反向散射光不能做出贡献，超出光的相干长度。 为了获得高纵向分辨率，需要施加具有非常短相干长度的光，即低时间相干性和大光带宽。
扫描光学延迟块的长度（通常使用压电传感器等机械手段），以便访问样品中的不同纵向位置。 在扫描过程中，记录整体背散射光功率，并将它们与不同的位置相关联。
因此，人们可以一次获取一个体素（三维像素）的图像信息，控制仪器的计算机可以快速扫描横向光束位置和纵向坐标。 然后，计算机可以收集所有图像数据以生成三维图像。 图像通常经过复杂的处理后，可以在计算机屏幕上检查或打印出来。 （图 1 是伪 3D 图像的示例。 这又类似于激光显微镜。
图1：人类手指的OCT图像。图片由Optores提供。
傅里叶域 OCT
傅里叶域OCT有不同的变体，其中数据处理涉及傅里叶变换。
后来，发明了一类更精细的技术，称为傅里叶域OCT（FD-OCT）。 在这里，人们可以在不延迟扫描的情况下进行测量。
根据傅里叶域OCT的第一个变体，称为光谱域OCT[2]，人们不仅记录整体背向散射光功率，而且使用某种光谱仪记录该光的整个光谱。 （例如，在将光发送到线性光电探测器阵列之前，可以在衍射光栅处空间分散光。 从本质上讲，可以考虑每个光学波长，以提供有关样品光学性质随特定空间周期的变化的信息。 然后可以通过应用傅里叶变换来检索空间依赖性。
扫描源技术在技术上有所不同，但不是根本性的：它还涉及光谱的记录。
傅里叶域OCT的另一个实现是扫描源OCT（SS-OCT）[3，4，7]，其中使用波长扫描激光器（见下文）和没有光谱分辨率的光电探测器;后者就足够了，因为在不同的时间探测不同的波长。 因此，人们可以获得相同的信息——本质上是频率相关的反射率——并且可以应用傅里叶变换来获得深度剖面。
使用任何此类频域OCT方法，一次测量产生整个深度剖面，并且仅通过扫描横向光束位置再次获得三维图像。
通常，傅里叶域OCT方法在时域OCT中具有两个关键优势：
- 通过提供改进的信噪比来获得更高的灵敏度，信噪比最终仅受散粒噪声的限制。 在傅里叶域OCT发明几年后，人们才清楚地认识到和理解了基本的灵敏度优势[12，14，15]。
- 扫描速度可以高得多，因为可以非常快速地测量整个深度剖面。
光学相干断层扫描的典型品质
所解释的工作原理或多或少暗示了这种成像方法的以下品质：
OCT具有卓越的功能，特别是在医学成像应用中。
- 它们可以在活组织（体内）中进行，只要可以达到足够大的成像深度。 例如，人们可以访问人体皮肤或眼睛视网膜的外毫米的一小部分，或眼睛的其他部分，例如角膜或晶状体。 使用内窥镜，人们可以检查更深的结构。
- 施加的光强度通常不足以损害生物组织。 施加的辐射是非电离的，即它不应该引起基因突变和癌症;最多，可能会有一些光生物学效应，这些效应可能不那么严重。 但是，在某些情况下，出于安全原因，需要限制光强度，从而限制对图像质量和/或扫描速率的影响。
- 图像分辨率可能非常高：在某些情况下，所有三个维度都低于 1 μm;在其他情况下，分辨率仅为10μm量级。
- 图像采集可以非常快，允许人们获取实时（视频速率）图像并观察样品的快速变化。
光学相干断层扫描的应用
医学成像是OCT特别重要的应用领域。 医学诊断中最重要的应用可能是视网膜的高分辨率成像。 这对于评估黄斑变性、糖尿病损伤、多发性硬化症、光感受器缺陷、青光眼等疾病非常有用。 与传统的视网膜摄影方法相比，深度分辨率是一个有趣的优势。
另一个重要领域是皮肤病学，人们可以直接进入皮肤并对其顶层进行成像。 检测皮肤癌（黑色素瘤）需要特别高分辨率的技术。
结合内窥镜，还可以研究体内的结构。 例如，人们可以用高分辨率血管造影来研究冠状动脉，以评估心脏风险。 内窥镜OCT有时也可以应用于癌症诊断。
OCT也可用于基础生物学和医学研究。 例如，它用于通过植入颅骨的透明光学窗口对小鼠的大脑进行成像。
还有非生物医学OCT应用，如犯罪学，艺术品和复合人造材料的分析。 最后，可以使用OCT检测工业产品，例如微技术和半导体电子制造。 例如，由陶瓷或聚合物组成的部件，以及类似的各种类型的涂层，可以用OCT进行研究 - 通常使用波长相对较长的光以避免散射问题。
用于光学相干断层扫描的光源
宽带源
根据OCT（时域OCT）的经典原理，使用宽带光源，即具有非常低时间相干性的光源，这意味着光带宽大;这是高纵向分辨率所必需的。 傅里叶域OCT以谱域OCT的形式也是如此。
除了低时间相干性外，通常还需要高空间相干性，因为这可以有效地将光束形式的光引导到样品上。
一个简单的灯泡将提供低的时间相干性，但也提供非常低的空间相干性，这将导致非常低的光收集效率，即样品的强度非常低。 对于许多应用来说，图像采集会太慢。
超发光二极管在时域和傅里叶域OCT中非常常见。
因此，通常使用某种超发光光源 - 在许多情况下，超发光二极管（SLD），在某些方面类似于激光二极管，但不利用激光过程。 它们可以提供与激光二极管类似的高空间相干性，同时具有宽而连续的光谱。 通常必须小心避免过多的光学反馈以保持光谱特性。 光带宽通常为几十纳米，有时甚至超过100纳米。 宽带设备的输出功率通常为几毫瓦或更低，这对于OCT来说通常足够了，因为光可以有效地引导到样品上。
波长扫描光源
作为非常宽带光源的替代方案，可以使用波长扫描激光器。 这基本上是一种波长可调的窄带激光器，并且通过大波长范围定期调谐。
使用波长扫描光源的目的不仅仅是获得宽平均光谱！
人们可能首先考虑将波长扫描激光器应用于时域OCT。 模糊地说，产生的光平均具有较大的带宽，在至少一个扫描周期内获取数据时产生与宽带源相似的图像。 但是，这种方法不会带来最佳灵敏度。 当将波长扫描源用于傅里叶域OCT时，可以获得更好的性能，其中记录样品的频率相关反射率。 由于不同的波长分量在不同的时间撞击样品，因此使用没有光谱分辨率能力的简单宽带光电探测器就足够了，并在数值图像处理中将不同的时间与不同的波长相关联。
由于最快的波长扫描激光器提供1 MHz甚至更高的扫描频率，因此仍然可以进行非常快速的图像扫描。
例如，用于OCT的波长扫描激光器可以制成外腔二极管激光器，其中激光谐振器包含一个半导体光放大器芯片，一个或两个准直透镜，一个MEMS扫描仪和一个衍射光栅。 由于其质量低，MEMS扫描仪可以非常快。
当然，用于OCT的波长扫描激光器应具有低激光噪声，否则无法进行散粒噪声限制检测。
不同的波长区域
宽带和波长扫描光源都可用于不同的波长区域 - 通常在可见光或红外区域。 这一点很重要，因为组织或技术材料（例如聚合物）中的光散射等限制，通过使用更长的光波长可以大大减少光散射。 另一方面，光源和光电探测器的结构对于较短的波长通常更简单，这也有可能允许更高的分辨率。 对于任何具体应用，都必须找到这些方面的适当平衡。
其他必需组件
除了光源之外，OCT 设置通常需要各种其他组件：
- 通常，干涉设置是基于光纤进行的。 然后使用光纤耦合器代替体分束器。 该器件当然应该具有相当宽的工作带宽，在该带宽内可以获得合适的耦合比。 该应用通常需要专门设计的宽带耦合器。
- 对于光谱域OCT，需要一些时间的光谱仪。 例如，可以使用衍射光栅和适用于所选波长范围的线性CCD阵列或线性光电二极管阵列来实现。 在某些情况下，需要非常快的读出速度。
- 至于激光显微镜，需要扫描设备。
进一步发展
传统的OCT方法仅基于反向散射。 多普勒OCT（D-OCT）还可以获取其他信息，该信息还可以利用与运动相关的多普勒频移 - 例如，用于获取体内血流的信息，就像在一些超声成像技术中获得的那样。 这种用于功能成像的多普勒方法首先应用于时域OCT [5，6]，但后来也应用于傅里叶域OCT [11，13，16]。
另一个发展是并行方法，用整条线甚至全场照明代替点扫描。 这对于体内成像尤其重要，因为它可以在不施加过多光学强度的情况下更快地采集图像。
参考文献
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