王 馳， 陳斐璐， 楊風(fēng)輝， 任丹陽， 孫建美

(1. 上海大學(xué)精密機械工程系，上海 200444; 2. 海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，上海 200433)

0 引 言

光學(xué)相干層析成像技術(shù)（optical coherence tomography，OCT）是基于低相干干涉儀和共焦顯微技術(shù)的一種非侵入性成像方法，具有微米級的分辨力，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛研究和應(yīng)用[1]。OCT可分為時域OCT和頻域OCT。時域OCT利用參考臂的機械掃描來匹配樣品臂干涉位置。頻域OCT在時域OCT基礎(chǔ)上取消了軸向掃描裝置，根據(jù)不同的信號探測方式分為光譜OCT（spectral domain OCT，SD-OCT）和掃頻 OCT（swept source OCT，SS-OCT），其中SS-OCT具有時域OCT單點探測和SD-OCT快速成像的優(yōu)點。然而，OCT是以紅外光波為能量載體，生物組織的非透明性和高散射性使其探測深度一般限于1～3 mm。研制微小光學(xué)探頭并與OCT技術(shù)結(jié)合進(jìn)行內(nèi)窺檢測，是利用其高分辨率并克服探測深度淺的一個有效手段。其中，自聚焦或梯度折射率（gradient-index，GRIN）透鏡因端面是平面，便于與其他光學(xué)元件集成，聚焦性能優(yōu)越，而且可通過與MEMS等技術(shù)集成研究微小OCT內(nèi)窺探頭[2-3]。但這些OCT內(nèi)窺鏡尺寸在毫米量級，而且光纖和GRIN透鏡的粘接與精確對準(zhǔn)非常困難，制作工藝復(fù)雜，傳輸信號質(zhì)量和穩(wěn)定性較差。

超小GRIN光纖探頭是由單模光纖、空芯光纖和自聚焦光纖依次熔接構(gòu)成的全光纖型超小光學(xué)鏡頭[4]，鏡頭長度小于1 mm，可封裝在注射針頭、活檢針等醫(yī)療設(shè)備，并借助掃描裝置驅(qū)動探頭的軸向運動和旋轉(zhuǎn)運動，以實現(xiàn)樣品的內(nèi)窺掃描檢測。目前，超小GRIN探頭的內(nèi)窺式OCT系統(tǒng)，已被應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)中血管檢測[5]、羊肺支氣管成像檢測[6]、離體乳腺腫瘤的邊緣識別[7]等前沿領(lǐng)域研究。

近年來，本文課題組對超小GRIN光纖探頭的理論解析、制作工藝、性能檢測及應(yīng)用方法進(jìn)行了研究[8-13]。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，研制超小GRIN光纖探頭樣品，用于SS-OCT成像系統(tǒng)及性能測試方法的研究，并采用豬支氣管和豬心等生物組織進(jìn)行層析成像的測試實驗。

1 頻域OCT技術(shù)原理

根據(jù)文獻(xiàn)[14]分析頻域OCT技術(shù)的工作原理。OCT系統(tǒng)使用的是寬帶光源，記光源光譜為s(k)。當(dāng)樣品臂是一個多層結(jié)構(gòu)且每層反射率不同的物質(zhì)時，探測器檢測到的光強信號為：

式中：Rr——參考臂的反射率；

Ri、Rj——樣品第 i、j層的反射率；

Δli——樣品第i層與參考臂的光程差；

Δlij——樣品第i層與樣品第j層的光程差。其中的前兩項是直流項；第四項是自相關(guān)項，表示樣品不同層之間的干涉。這三項是需要濾除的噪聲項。第三項是互相干項，表示樣品不同層反射光與參考光之間的干涉，是用于重建樣品結(jié)構(gòu)信息的有效信號。I(k)可以通過探測器探測干涉光譜得到。

由維納-辛欽定理（Wiener-Khinchin）可知，對式（1）中的第三項進(jìn)行傅里葉變換，就能將信號從波數(shù)空間（k）轉(zhuǎn)換到深度空間（z），依此重建樣品結(jié)構(gòu)。對式（1）做傅里葉變換可得：

其中，Γ(z)是光源光譜s(k)做傅里葉變換后的形式。z=lr-ls表示樣品內(nèi)部某層與參考臂平面反射鏡之間的光程差，如果將樣品表面調(diào)至兩臂零光程處，z則表示樣品內(nèi)部某層距離樣品表面的距離，即深度。前兩項是等光程（即z=0）處的直流項；最后一項是自相關(guān)項，由于樣品中各層反射率遠(yuǎn)小于參考臂反射率，故此項較小，又因為樣品內(nèi)部各層之間間距也極小，所以這項在z=0位置附近。第三項反映樣品深度方向信息，根據(jù)此項可重構(gòu)樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

2 基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT成像系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT成像系統(tǒng)模型，如圖1所示。掃頻光源出射的光經(jīng)過光纖耦合器A后被平分為兩束，一束通過光纖環(huán)形器A進(jìn)入?yún)⒖急?，另一束通過光纖環(huán)形器B進(jìn)入樣品臂。在樣品臂中超小GRIN光纖探頭將光源光束聚焦到待測樣品內(nèi)部，同時收集攜帶樣品結(jié)構(gòu)信息的反射或散射光信號并傳輸?shù)焦饫w耦合器B。在參考臂中，由平面反射鏡返回的參考光耦合進(jìn)準(zhǔn)直器也傳輸至光纖耦合器B。樣品光和參考光在光纖耦合器B中發(fā)生干涉后傳輸至光電探測器進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，最后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行干涉信號的高速采集后，傳遞到計算機中進(jìn)行處理和分析。

圖1 基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT成像系統(tǒng)示意圖

超小GRIN光纖探頭是搭建SS-OCT成像實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵核心器件。如圖2(a)所示，超小GRIN光纖探頭是由單模光纖（SMF）、無芯光纖（NCF）和自聚焦（GRIN）光纖依次構(gòu)成的一種全光纖型光學(xué)鏡頭，單模光纖與樣品臂尾纖連接，具有傳光作用；無芯光纖是一種折射率均勻的光纖，用于克服單模光纖模場直徑小的問題；GRIN光纖是一種折射率漸變光纖，具有自聚焦作用，對來自無芯光纖的光束聚焦輸出。采用文獻(xiàn)[13]中的設(shè)計、制作和性能檢測方法，進(jìn)行超小GRIN光纖探頭樣品的研制。圖2(b)為在光纖切割-熔接一體機中制作好的探頭樣品，由于無芯光纖與GRIN光纖熔接的損耗比與單模光纖熔接的大，無芯光纖與GRIN光纖熔接點較清晰。將探頭封裝于圖2(c)所示的5號注射器針頭（外徑0.5 mm）內(nèi)。其中，超小GRIN光纖探頭樣品的無芯光纖長度為0.35 mm，GRIN光纖長度為 0.12 mm，工作距離為 0.54 mm，聚焦光斑直徑為30 μm。

圖2 超小型GRIN 光纖探頭

本文在前期驗證將超小GRIN光纖探頭用于集成化光纖干涉儀的基礎(chǔ)上，將其與掃頻OCT有機結(jié)合，搭建超小GRIN光纖探頭和探測臂集成的全光纖型SS-OCT成像系統(tǒng)。系統(tǒng)主要部件包括掃頻光源（HSL-20-50-B，Santec）、光電平衡探測器（PDB470C，Thorlabs）、高速數(shù)據(jù)采集卡 (ATS9870，AlazarTech)、二維電動平移臺（XYM50H-25，上海聯(lián)誼公司）和計算機等。其中，掃頻光源的掃頻速率為50 kHz，中心波長為1 300.4 nm，帶寬為106.3 nm。搭建的SS-OCT成像實驗系統(tǒng)由參考臂、樣品臂以及封裝的光路模塊組成，如圖3所示。參考臂由準(zhǔn)直器、反射鏡構(gòu)成。樣品臂前端由二維電動平移臺和超小GRIN光纖探頭組成。探頭保持不動，電動二維平移臺帶著待測物實現(xiàn)X軸和Y軸的高速掃描，X軸掃描速度為2.5 mm/s，每次X軸掃描采集250條 A-scan信息，Y軸掃描速度為 6 mm/s，在不同Y軸所得的二維重建圖像層間距為30 μm。多個二維圖像在ImageJ軟件中拼接，得到待測物的三維立體模型結(jié)構(gòu)信息。

圖3 SS-OCT成像實驗系統(tǒng)

3 SS-OCT成像系統(tǒng)的性能參數(shù)測量

為了測試搭建的SS-OCT成像系統(tǒng)的橫向分辨率，用該系統(tǒng)對國際分辨率板A3進(jìn)行檢測。圖4為國際分辨率板A3及其OCT層析圖，其中圖4(a)是分辨率板實物圖，實驗對圖4(a)中紅色區(qū)域進(jìn)行掃描，有效掃描路線為圖4(b)紅色虛線，層析掃描結(jié)果如圖4(c)所示，從圖中最多可以清楚辨別分辨率板上單元號4（線條寬度為33.6 μm）的條紋，故本系統(tǒng)的橫向分辨率為33.6 μm，與探頭的聚焦光斑直徑基本吻合。

圖4 國際分辨率板A3及OCT成像

使用反射鏡作為樣品，每隔1 mm移動參考臂的反射鏡，連續(xù)采集7個位置處的干涉信號，將干涉信號進(jìn)行傅里葉反變換后得到如圖5所示點擴散函數(shù)圖（point spread function，PSF）。由于傅里葉變換過程存在共軛現(xiàn)象，圖5呈現(xiàn)對稱性。從圖中可以看出，系統(tǒng)的實際成像深度小于6 mm。

圖5 系統(tǒng)成像深度測量

從圖 5 中可以看出，5，6，7 mm 3 個深度的峰值分別位于 680，815，950 pixel處，相鄰深度間的像素差均為 135 pixel。平面鏡每移動 1 mm，由于光的來返，兩臂的光程差增大為平面鏡移動距離的2倍，故系統(tǒng)每個像素點所占距離為 14.8 μm（2 000 μm/135 pixel）。

軸向分辨率是指掃頻OCT系統(tǒng)軸向掃描時能分辨的最小距離，它從一定程度上決定了整個掃頻OCT系統(tǒng)的優(yōu)劣。OCT系統(tǒng)的軸向分辨率主要依賴于光源的帶寬，系統(tǒng)的實際軸向分辨率通過在樣品臂放置平面反射鏡測量其PSF的半峰全寬值得到[15]。由圖5可知，距離零光程差1 mm處對應(yīng)的半高全寬占1 pixel，計算可得在空氣中本系統(tǒng)實際軸向分辨率為14.8 μm。SS-OCT成像系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 SS-OCT成像系統(tǒng)參數(shù)

用該系統(tǒng)測量蓋玻片（Thorlabs公司型號為CG15KH1，厚度為（170±5） μm，由 Schott D 263?M玻璃制成，折射率約為1.5）的厚度，通過比較測量值與實際值對系統(tǒng)進(jìn)行驗證。在樣品臂零光程處的平面反射鏡上放置4塊蓋玻片，測得層析圖如圖6所示。

圖6 中Y=160 pixel和Y=195 pixel處分別為第一塊蓋玻片上、下表面的干涉信號，由于平面反射鏡反射率大，故干涉信號強，對應(yīng)的線較亮。每條亮線代表折射率發(fā)生突變的界面處。系統(tǒng)實際軸向分辨率、像素差、樣品折射率與厚度之間的關(guān)系滿足下式：

圖6 蓋玻片OCT成像層析圖

式中：Δz——系統(tǒng)實際軸向分辨率；

Δl——樣品不同厚度處所對應(yīng)的像素差；

n——樣品折射率；

d——樣品不同厚度之間對應(yīng)的厚度差。

根據(jù)式（3）求得一片載玻片的厚度為172.67 μm，與理論值170 μm基本吻合。圖7為每隔30 μm的50張蓋玻片二維圖像在ImageJ軟件中拼接得到的三維立體模型，進(jìn)一步說明了搭建的掃頻OCT系統(tǒng)可行。

圖7 4片蓋玻片三維層析圖像

4 測試案例分析

對等波數(shù)域間隔重采樣后的干涉光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去直流、快速傅里葉變換（FFT）等處理，可得到多個軸向掃描（A-scan）數(shù)據(jù)拼接成的二維圖像(B-scan)。為了測試所研究的SS-OCT系統(tǒng)的高分辨率成像能力，分別對豬支氣管、豬心進(jìn)行成像檢測實驗。圖8為豬支氣管壁及其OCT層析圖像，其中圖8(a)是新鮮豬肺實物圖，圖8(b)為圖8(a)中所測黃色區(qū)域支氣管壁橫截面的顯微照片，圖8(c)為豬氣管壁的OCT二維層析圖像。利用自研超小OCT探頭進(jìn)行成像，可以獲得黏膜層、黏膜下層、外膜層分層結(jié)構(gòu)與特征性軟骨組織圖像，如圖8(c)所示，與圖8(b)顯微鏡下所觀測的組織結(jié)構(gòu)基本對應(yīng)，這說明本文研究的超小GRIN光纖探頭用于OCT成像的可行性以及系統(tǒng)較高的分辨率。

圖8 豬支氣管壁及OCT成像

表2為豬心前室間溝、左心室壁、右心室壁及其對應(yīng)的OCT層析圖像。從豬心臟前室間溝的OCT二維圖可以看出，溝壑的寬從700 pixel的位置A到達(dá)了2 060 pixel的位置B，每個像素點間距為10 μm，求得溝壑寬為1.36 mm。從豬左、右心室壁的OCT二維圖中可以清晰地分辨出上皮組織與肌肉組織，其中左心室壁光強較為均勻，而右心室壁脂肪部分由于光澤好反射光強，肌肉組織部分光強較弱。

表2 豬心及OCT成像

5 結(jié)束語

本文在論述掃頻OCT技術(shù)原理基礎(chǔ)上，制作超小GRIN光纖探頭樣品與信號臂連接，構(gòu)建了基于超小GRIN光纖探頭的掃頻光學(xué)相干斷層成像（SS-OCT）系統(tǒng)。使用國際分辨率板A3和標(biāo)準(zhǔn)蓋玻片作為待測物，實現(xiàn)了橫向分辨率、縱向分辨率等SS-OCT系統(tǒng)性能參數(shù)的測量，測得系統(tǒng)的縱向分辨率為14.8 μm，橫向分辨率為33.6 μm。利用該系統(tǒng)對豬支氣管和豬心臟等不同生物組織進(jìn)行成像檢測實驗，獲得了樣品相應(yīng)的OCT層析圖像。結(jié)果表明，基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT系統(tǒng)具有微米級的高分辨率，可用于體內(nèi)生物組織內(nèi)窺OCT成像檢測方法的進(jìn)一步研究。