使用800nm OCT光譜儀實(shí)現(xiàn)超深OCT成像

傳統(tǒng)上，OCT成像需要使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)來探測(cè)單次掃描中超過幾毫米的深度，但波長(zhǎng)超過1100nm之后，就需要使用InGaAs探測(cè)器相機(jī)作為探測(cè)元件了，這是的整個(gè)OCT光譜儀的成本大幅增加。為此，美國Wasatch公司開發(fā)了一種擁有專利的獨(dú)特光譜儀設(shè)計(jì)，使其能夠使用800 nm OCT光譜儀實(shí)現(xiàn)高達(dá)12毫米的成像深度，為長(zhǎng)距離成像在眼科、醫(yī)學(xué)和無損檢測(cè)中的經(jīng)濟(jì)高效應(yīng)用開辟了新可能。

在眼科中，長(zhǎng)距離成像有利于對(duì)整個(gè)前房（從角膜到晶狀體）的檢查，因?yàn)樗试S在更短的時(shí)間內(nèi)獲得更完整的眼睛圖像。如果配置得當(dāng)，它甚至可以用于對(duì)整個(gè)眼睛進(jìn)行成像。它還促進(jìn)了視網(wǎng)膜的廣域成像，視網(wǎng)膜的曲率需要更大的成像深度，尤其是在患者不太可能保持靜止的臨床環(huán)境中。

在醫(yī)學(xué)中，長(zhǎng)距離OCT在血管內(nèi)和胃腸道應(yīng)用中的腔內(nèi)成像方面可以帶來巨大好處。在這種情況下，感興趣的結(jié)構(gòu)可能距離成像導(dǎo)管超過幾毫米，因此超出了典型的OCT成像窗口。較長(zhǎng)的成像深度可以補(bǔ)償成像探頭與感興趣區(qū)域之間距離的變化，從而促進(jìn)更好的成像效果。

總體來講，成像更深的能力有助于廣域成像，因?yàn)榭梢栽趩未螔呙柚胁蹲降角孑喞徒Y(jié)構(gòu)的全貌。這對(duì)于材料加工應(yīng)用中的無損檢測(cè)也非常有用，因?yàn)槟硞€(gè)待檢測(cè)的槽或孔可能很深，此外還可以用于在增材制造中對(duì)復(fù)雜表面進(jìn)行輪廓分析。

波長(zhǎng)與成本的平衡難題

但目前主流方式有兩種：掃頻源光學(xué)相干斷層掃描（SS-OCT：Swept Source Optical Coherence Tomography）和光譜域光學(xué)相干斷層掃描（SD-OCT：Spectral Domain Optical Coherence Tomography）。這兩種方法都使用多波長(zhǎng)激光照射樣品，然后測(cè)量返回的不同波長(zhǎng)的散射光，通過對(duì)光譜進(jìn)行傅里葉變換來檢測(cè)不同深度的結(jié)構(gòu)。不同的是SS-OCT使用掃頻激光器對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行逐一掃描，并使用單點(diǎn)光電探測(cè)器捕捉信號(hào)，而SD-OCT則使用寬帶光源加高分辨OCT光譜儀的組合來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

在SD-OCT系統(tǒng)中，寬帶激光（一般為SLD，SLED或超連續(xù)譜光源）被分成兩條路徑：一路通向參考臂，另一路通向待測(cè)樣品。來自這兩條路徑的光重新組合并干涉，產(chǎn)生的條紋圖案由光譜儀讀取，光譜儀將每個(gè)波長(zhǎng)的光纖轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸出。

當(dāng)需要大于5毫米的成像深度時(shí)，會(huì)選擇更長(zhǎng)的中心波長(zhǎng),1300 nm就是這個(gè)穿透深度的OCT的首選波長(zhǎng)。美國Wasatch公司的Cobra 1300光譜儀系列提供1.4-11.5毫米的成像深度（在空氣中），具體取決于帶寬。然而，隨著帶寬的增加，成像深度減小。因此，當(dāng)需要更深的成像時(shí)，使用帶寬較窄的系統(tǒng)。盡管1300 nm OCT為許多結(jié)構(gòu)的大深度成像提供了足夠的深度，但使用這種波長(zhǎng)需要用到InGaAs相機(jī)，InGaAs相機(jī)相對(duì)于于800 nm SD-OCT的CCD或CMOS相機(jī)要昂貴得多。通過使用較短的中心波長(zhǎng)（CWL），光譜儀成本可以降低約40%，但必須也要減少帶寬（BW）以保持相同的空間分辨率。

但要想使用800 nm中心波長(zhǎng)的寬帶光源進(jìn)行長(zhǎng)距離成像系統(tǒng)，則工作光譜帶寬需降至30 nm以下，才可以在12毫米的成像深度中保持等效的空間分辨率。這就對(duì)光譜儀的分辨率提出了極高的要求：光譜分辨率需低于0.02 nm！

使用Wasatch Cobra-S 800 OCT光譜儀進(jìn)行長(zhǎng)距離成像

為了將長(zhǎng)距離成像的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于800 nm SD-OCT，美國Wasatch公司運(yùn)用了在光譜儀設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)，開發(fā)了一款具有超精細(xì)光譜分辨率的OCT光譜儀。這種擁有專利的光學(xué)設(shè)計(jì)的光譜儀就是Cobra-S 800光譜儀系列中的最新型號(hào)CS800-841/28。它能夠在841 nm的中心波長(zhǎng)上以28 nm的帶寬實(shí)現(xiàn)0.015 nm的分辨率。這使得使用這款OCT光譜儀的系統(tǒng)的成像深度可以擴(kuò)展到12毫米，將傳統(tǒng)800nm SD-OCT的范圍足足擴(kuò)大了三倍。

美國Wasatch公司Cobra-S 800長(zhǎng)距離成像型號(hào)OCT光譜儀通過優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)做到了接近衍射極限的光學(xué)分辨率，并通過低串?dāng)_探測(cè)器將滾降（roll-off）降到非常低的水平。10毫米成像深度下的滾降小于12 dB，即使在擴(kuò)展深度下也能確保高清晰度圖像?？臻g分辨率與Wasatch Cobra 1300系列中的可比型號(hào)相似，甚至略好。

由于Cobra-S 800長(zhǎng)距離成像型號(hào)的中心波長(zhǎng)較短，組織中的散射會(huì)更高，盡管水中的吸收會(huì)更低。這可能會(huì)略微改變結(jié)構(gòu)的對(duì)比度，在某些情況下可能會(huì)改善區(qū)分，例如某些內(nèi)視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)如神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。

總結(jié)

通過在更具成本效益的操作波長(zhǎng)下提供可比的圖像分辨率，800 nm的長(zhǎng)距離成像有可能為長(zhǎng)距離成像在眼科、醫(yī)學(xué)和工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用開辟新的機(jī)會(huì)。