使用800nm OCT光谱仪实现超深OCT成像

 

使用800nm OCT光谱仪实现超深OCT成像

传统上，OCT成像需要使用更长的波长来探测单次扫描中超过几毫米的深度，但波长超过1100nm之后，就需要使用InGaAs探测器相机作为探测元件了，这是的整个OCT光谱仪的成本大幅增加。为此，美国Wasatch公司开发了一种拥有专利的独特光谱仪设计，使其能够使用800 nm OCT光谱仪实现高达12毫米的成像深度，为长距离成像在眼科、医学和无损检测中的经济高效应用开辟了新可能。

在眼科中，长距离成像有利于对整个前房（从角膜到晶状体）的检查，因为它允许在更短的时间内获得更完整的眼睛图像。如果配置得当，它甚至可以用于对整个眼睛进行成像。它还促进了视网膜的广域成像，视网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静止的临床环境中。
 

在医学中，长距离OCT在血管内和胃肠道应用中的腔内成像方面可以带来巨大好处。在这种情况下，感兴趣的结构可能距离成像导管超过几毫米，因此超出了典型的OCT成像窗口。较长的成像深度可以补偿成像探头与感兴趣区域之间距离的变化，从而促进更好的成像效果。

 

 

总体来讲，成像更深的能力有助于广域成像，因为可以在单次扫描中捕捉到曲面轮廓和结构的全貌。这对于材料加工应用中的无损检测也非常有用，因为某个待检测的槽或孔可能很深，此外还可以用于在增材制造中对复杂表面进行轮廓分析。

波长与成本的平衡难题

但目前主流方式有两种：扫频源光学相干断层扫描（SS-OCT：Swept Source Optical Coherence Tomography）和光谱域光学相干断层扫描（SD-OCT：Spectral Domain Optical Coherence Tomography）。这两种方法都使用多波长激光照射样品，然后测量返回的不同波长的散射光，通过对光谱进行傅里叶变换来检测不同深度的结构。不同的是SS-OCT使用扫频激光器对波长进行逐一扫描，并使用单点光电探测器捕捉信号，而SD-OCT则使用宽带光源加高分辨OCT光谱仪的组合来实现测量。

在SD-OCT系统中，宽带激光（一般为SLD，SLED或超连续谱光源）被分成两条路径：一路通向参考臂，另一路通向待测样品。来自这两条路径的光重新组合并干涉，产生的条纹图案由光谱仪读取，光谱仪将每个波长的光纤转化成数字信号输出。

 

 

当需要大于5毫米的成像深度时，会选择更长的中心波长,1300 nm就是这个穿透深度的OCT的首选波长。美国Wasatch公司的Cobra 1300光谱仪系列提供1.4-11.5毫米的成像深度（在空气中），具体取决于带宽。然而，随着带宽的增加，成像深度减小。因此，当需要更深的成像时，使用带宽较窄的系统。尽管1300 nm OCT为许多结构的大深度成像提供了足够的深度，但使用这种波长需要用到InGaAs相机，InGaAs相机相对于于800 nm SD-OCT的CCD或CMOS相机要昂贵得多。通过使用较短的中心波长（CWL），光谱仪成本可以降低约40%，但必须也要减少带宽（BW）以保持相同的空间分辨率。

 

 

但要想使用800 nm中心波长的宽带光源进行长距离成像系统，则工作光谱带宽需降至30 nm以下，才可以在12毫米的成像深度中保持等效的空间分辨率。这就对光谱仪的分辨率提出了极高的要求：光谱分辨率需低于0.02 nm！

 

 

使用Wasatch Cobra-S 800 OCT光谱仪进行长距离成像

为了将长距离成像的优势应用于800 nm SD-OCT，美国Wasatch公司运用了在光谱仪设计方面的专业知识，开发了一款具有超精细光谱分辨率的OCT光谱仪。这种拥有专利的光学设计的光谱仪就是Cobra-S 800光谱仪系列中的最新型号CS800-841/28。它能够在841 nm的中心波长上以28 nm的带宽实现0.015 nm的分辨率。这使得使用这款OCT光谱仪的系统的成像深度可以扩展到12毫米，将传统800nm SD-OCT的范围足足扩大了三倍。
 

美国Wasatch公司Cobra-S 800长距离成像型号OCT光谱仪通过优秀的光学设计做到了接近衍射极限的光学分辨率，并通过低串扰探测器将滚降（roll-off）降到非常低的水平。10毫米成像深度下的滚降小于12 dB，即使在扩展深度下也能确保高清晰度图像。空间分辨率与Wasatch Cobra 1300系列中的可比型号相似，甚至略好。

 

 

由于Cobra-S 800长距离成像型号的中心波长较短，组织中的散射会更高，尽管水中的吸收会更低。这可能会略微改变结构的对比度，在某些情况下可能会改善区分，例如某些内视网膜结构如神经节细胞。

总结

通过在更具成本效益的操作波长下提供可比的图像分辨率，800 nm的长距离成像有可能为长距离成像在眼科、医学和工业中的实际应用开辟新的机会。