基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT成像系統研究

王 馳， 陳斐璐， 楊風輝， 任丹陽， 孫建美

(1. 上海大學精密機械工程系，上海 200444; 2. 海軍軍醫大學第一附屬醫院醫學工程科，上海 200433)

0 引 言

光學相干層析成像技術（optical coherence tomography，OCT）是基于低相干干涉儀和共焦顯微技術的一種非侵入性成像方法，具有微米級的分辨力，在生物醫學領域得到了廣泛研究和應用[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基礎上取消了軸向掃描裝置，根據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。研制微小光學探頭并與OCT技術結合進行內窺檢測，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，便于與其他光學元件集成，聚焦性能優越，而且可通過與MEMS等技術集成研究微小OCT內窺探頭[2-3]。但這些OCT內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非常困難，制作工藝復雜，傳輸信號質量和穩定性較差。

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成的全光纖型超小光學鏡頭[4]，鏡頭長度小于1 mm，可封裝在注射針頭、活檢針等醫療設備，并借助掃描裝置驅動探頭的軸向運動和旋轉運動，以實現樣品的內窺掃描檢測。目前，超小GRIN探頭的內窺式OCT系統，已被應用于神經外科手術中血管檢測[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、性能檢測及應用方法進行了研究[8-13]。本文在已有研究成果的基礎上，研制超小GRIN光纖探頭樣品，用于SS-OCT成像系統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行層析成像的測試實驗。

1 頻域OCT技術原理

根據文獻[14]分析頻域OCT技術的工作原理。OCT系統使用的是寬帶光源，記光源光譜為s(k)。當樣品臂是一個多層結構且每層反射率不同的物質時，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，是用于重建樣品結構信息的有效信號。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）中的第三項進行傅里葉變換，就能將信號從波數空間（k）轉換到深度空間（z），依此重建樣品結構。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，如果將樣品表面調至兩臂零光程處，z則表示樣品內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；最后一項是自相關項，由于樣品中各層反射率遠小于參考臂反射率，故此項較小，又因為樣品內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，根據此項可重構樣品內部微觀結構。

2 基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT成像系統設計

設計基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT成像系統模型，如圖1所示。掃頻光源出射的光經過光纖耦合器A后被平分為兩束，一束通過光纖環形器A進入參考臂，另一束通過光纖環形器B進入樣品臂。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部，同時收集攜帶樣品結構信息的反射或散射光信號并傳輸到光纖耦合器B。在參考臂中，由平面反射鏡返回的參考光耦合進準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中發生干涉后傳輸至光電探測器進行光電信號轉換，最后由數據采集卡進行干涉信號的高速采集后，傳遞到計算機中進行處理和分析。

圖1 基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT成像系統示意圖

超小GRIN光纖探頭是搭建SS-OCT成像實驗系統的關鍵核心器件。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）光纖依次構成的一種全光纖型光學鏡頭，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[13]中的設計、制作和性能檢測方法，進行超小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。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上，將其與掃頻OCT有機結合，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。系統主要部件包括掃頻光源（HSL-20-50-B，Santec）、光電平衡探測器（PDB470C，Thorlabs）、高速數據采集卡 (ATS9870，AlazarTech)、二維電動平移臺（XYM50H-25，上海聯誼公司）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。參考臂由準直器、反射鏡構成。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構信息。

圖3 SS-OCT成像實驗系統

3 SS-OCT成像系統的性能參數測量

為了測試搭建的SS-OCT成像系統的橫向分辨率，用該系統對國際分辨率板A3進行檢測。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)中紅色區域進行掃描，有效掃描路線為圖4(b)紅色虛線，層析掃描結果如圖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，連續采集7個位置處的干涉信號，將干涉信號進行傅里葉反變換后得到如圖5所示點擴散函數圖（point spread function，PSF）。由于傅里葉變換過程存在共軛現象，圖5呈現對稱性。從圖中可以看出，系統的實際成像深度小于6 mm。

圖5 系統成像深度測量

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系統的優劣。OCT系統的軸向分辨率主要依賴于光源的帶寬，系統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處對應的半高全寬占1 pixel，計算可得在空氣中本系統實際軸向分辨率為14.8 μm。SS-OCT成像系統參數如表1所示。

表1 SS-OCT成像系統參數

用該系統測量蓋玻片（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進行驗證。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，對應的線較亮。每條亮線代表折射率發生突變的界面處。系統實際軸向分辨率、像素差、樣品折射率與厚度之間的關系滿足下式：

圖6 蓋玻片OCT成像層析圖

式中：Δz——系統實際軸向分辨率；

Δl——樣品不同厚度處所對應的像素差；

n——樣品折射率；

d——樣品不同厚度之間對應的厚度差。

根據式（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，進一步說明了搭建的掃頻OCT系統可行。

圖7 4片蓋玻片三維層析圖像

4 測試案例分析

對等波數域間隔重采樣后的干涉光譜數據進行去直流、快速傅里葉變換（FFT）等處理，可得到多個軸向掃描（A-scan）數據拼接成的二維圖像(B-scan)。為了測試所研究的SS-OCT系統的高分辨率成像能力，分別對豬支氣管、豬心進行成像檢測實驗。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探頭進行成像，可以獲得黏膜層、黏膜下層、外膜層分層結構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構基本對應，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 結束語

本文在論述掃頻OCT技術原理基礎上，制作超小GRIN光纖探頭樣品與信號臂連接，構建了基于超小GRIN光纖探頭的掃頻光學相干斷層成像（SS-OCT）系統。使用國際分辨率板A3和標準蓋玻片作為待測物，實現了橫向分辨率、縱向分辨率等SS-OCT系統性能參數的測量，測得系統的縱向分辨率為14.8 μm，橫向分辨率為33.6 μm。利用該系統對豬支氣管和豬心臟等不同生物組織進行成像檢測實驗，獲得了樣品相應的OCT層析圖像。結果表明，基于超小GRIN光纖探頭的SS-OCT系統具有微米級的高分辨率，可用于體內生物組織內窺OCT成像檢測方法的進一步研究。