基于超小GRIN光纤探头的SS-OCT成像系统研究

王 驰， 陈斐璐， 杨风辉， 任丹阳， 孙建美

(1. 上海大学精密机械工程系，上海 200444; 2. 海军军医大学第一附属医院医学工程科，上海 200433)

0 引 言

光学相干层析成像技术（optical coherence tomography，OCT）是基于低相干干涉仪和共焦显微技术的一种非侵入性成像方法，具有微米级的分辨力，在生物医学领域得到了广泛研究和应用[1]。OCT可分为时域OCT和频域OCT。时域OCT利用参考臂的机械扫描来匹配样品臂干涉位置。频域OCT在时域OCT基础上取消了轴向扫描装置，根据不同的信号探测方式分为光谱OCT（spectral domain OCT，SD-OCT）和扫频 OCT（swept source OCT，SS-OCT），其中SS-OCT具有时域OCT单点探测和SD-OCT快速成像的优点。然而，OCT是以红外光波为能量载体，生物组织的非透明性和高散射性使其探测深度一般限于1～3 mm。研制微小光学探头并与OCT技术结合进行内窥检测，是利用其高分辨率并克服探测深度浅的一个有效手段。其中，自聚焦或梯度折射率（gradient-index，GRIN）透镜因端面是平面，便于与其他光学元件集成，聚焦性能优越，而且可通过与MEMS等技术集成研究微小OCT内窥探头[2-3]。但这些OCT内窥镜尺寸在毫米量级，而且光纤和GRIN透镜的粘接与精确对准非常困难，制作工艺复杂，传输信号质量和稳定性较差。

超小GRIN光纤探头是由单模光纤、空芯光纤和自聚焦光纤依次熔接构成的全光纤型超小光学镜头[4]，镜头长度小于1 mm，可封装在注射针头、活检针等医疗设备，并借助扫描装置驱动探头的轴向运动和旋转运动，以实现样品的内窥扫描检测。目前，超小GRIN探头的内窥式OCT系统，已被应用于神经外科手术中血管检测[5]、羊肺支气管成像检测[6]、离体乳腺肿瘤的边缘识别[7]等前沿领域研究。

近年来，本文课题组对超小GRIN光纤探头的理论解析、制作工艺、性能检测及应用方法进行了研究[8-13]。本文在已有研究成果的基础上，研制超小GRIN光纤探头样品，用于SS-OCT成像系统及性能测试方法的研究，并采用猪支气管和猪心等生物组织进行层析成像的测试实验。

1 频域OCT技术原理

根据文献[14]分析频域OCT技术的工作原理。OCT系统使用的是宽带光源，记光源光谱为s(k)。当样品臂是一个多层结构且每层反射率不同的物质时，探测器检测到的光强信号为：

式中：Rr——参考臂的反射率；

Ri、Rj——样品第 i、j层的反射率；

Δli——样品第i层与参考臂的光程差；

Δlij——样品第i层与样品第j层的光程差。其中的前两项是直流项；第四项是自相关项，表示样品不同层之间的干涉。这三项是需要滤除的噪声项。第三项是互相干项，表示样品不同层反射光与参考光之间的干涉，是用于重建样品结构信息的有效信号。I(k)可以通过探测器探测干涉光谱得到。

由维纳-辛钦定理（Wiener-Khinchin）可知，对式（1）中的第三项进行傅里叶变换，就能将信号从波数空间（k）转换到深度空间（z），依此重建样品结构。对式（1）做傅里叶变换可得：

其中，Γ(z)是光源光谱s(k)做傅里叶变换后的形式。z=lr-ls表示样品内部某层与参考臂平面反射镜之间的光程差，如果将样品表面调至两臂零光程处，z则表示样品内部某层距离样品表面的距离，即深度。前两项是等光程（即z=0）处的直流项；最后一项是自相关项，由于样品中各层反射率远小于参考臂反射率，故此项较小，又因为样品内部各层之间间距也极小，所以这项在z=0位置附近。第三项反映样品深度方向信息，根据此项可重构样品内部微观结构。

2 基于超小GRIN光纤探头的SS-OCT成像系统设计

设计基于超小GRIN光纤探头的SS-OCT成像系统模型，如图1所示。扫频光源出射的光经过光纤耦合器A后被平分为两束，一束通过光纤环形器A进入参考臂，另一束通过光纤环形器B进入样品臂。在样品臂中超小GRIN光纤探头将光源光束聚焦到待测样品内部，同时收集携带样品结构信息的反射或散射光信号并传输到光纤耦合器B。在参考臂中，由平面反射镜返回的参考光耦合进准直器也传输至光纤耦合器B。样品光和参考光在光纤耦合器B中发生干涉后传输至光电探测器进行光电信号转换，最后由数据采集卡进行干涉信号的高速采集后，传递到计算机中进行处理和分析。

图1 基于超小GRIN光纤探头的SS-OCT成像系统示意图

超小GRIN光纤探头是搭建SS-OCT成像实验系统的关键核心器件。如图2(a)所示，超小GRIN光纤探头是由单模光纤（SMF）、无芯光纤（NCF）和自聚焦（GRIN）光纤依次构成的一种全光纤型光学镜头，单模光纤与样品臂尾纤连接，具有传光作用；无芯光纤是一种折射率均匀的光纤，用于克服单模光纤模场直径小的问题；GRIN光纤是一种折射率渐变光纤，具有自聚焦作用，对来自无芯光纤的光束聚焦输出。采用文献[13]中的设计、制作和性能检测方法，进行超小GRIN光纤探头样品的研制。图2(b)为在光纤切割-熔接一体机中制作好的探头样品，由于无芯光纤与GRIN光纤熔接的损耗比与单模光纤熔接的大，无芯光纤与GRIN光纤熔接点较清晰。将探头封装于图2(c)所示的5号注射器针头（外径0.5 mm）内。其中，超小GRIN光纤探头样品的无芯光纤长度为0.35 mm，GRIN光纤长度为 0.12 mm，工作距离为 0.54 mm，聚焦光斑直径为30 µm。

图2 超小型GRIN 光纤探头

本文在前期验证将超小GRIN光纤探头用于集成化光纤干涉仪的基础上，将其与扫频OCT有机结合，搭建超小GRIN光纤探头和探测臂集成的全光纤型SS-OCT成像系统。系统主要部件包括扫频光源（HSL-20-50-B，Santec）、光电平衡探测器（PDB470C，Thorlabs）、高速数据采集卡 (ATS9870，AlazarTech)、二维电动平移台（XYM50H-25，上海联谊公司）和计算机等。其中，扫频光源的扫频速率为50 kHz，中心波长为1 300.4 nm，带宽为106.3 nm。搭建的SS-OCT成像实验系统由参考臂、样品臂以及封装的光路模块组成，如图3所示。参考臂由准直器、反射镜构成。样品臂前端由二维电动平移台和超小GRIN光纤探头组成。探头保持不动，电动二维平移台带着待测物实现X轴和Y轴的高速扫描，X轴扫描速度为2.5 mm/s，每次X轴扫描采集250条 A-scan信息，Y轴扫描速度为 6 mm/s，在不同Y轴所得的二维重建图像层间距为30 µm。多个二维图像在ImageJ软件中拼接，得到待测物的三维立体模型结构信息。

图3 SS-OCT成像实验系统

3 SS-OCT成像系统的性能参数测量

为了测试搭建的SS-OCT成像系统的横向分辨率，用该系统对国际分辨率板A3进行检测。图4为国际分辨率板A3及其OCT层析图，其中图4(a)是分辨率板实物图，实验对图4(a)中红色区域进行扫描，有效扫描路线为图4(b)红色虚线，层析扫描结果如图4(c)所示，从图中最多可以清楚辨别分辨率板上单元号4（线条宽度为33.6 µm）的条纹，故本系统的横向分辨率为33.6 µm，与探头的聚焦光斑直径基本吻合。

图4 国际分辨率板A3及OCT成像

使用反射镜作为样品，每隔1 mm移动参考臂的反射镜，连续采集7个位置处的干涉信号，将干涉信号进行傅里叶反变换后得到如图5所示点扩散函数图（point spread function，PSF）。由于傅里叶变换过程存在共轭现象，图5呈现对称性。从图中可以看出，系统的实际成像深度小于6 mm。

图5 系统成像深度测量

从图 5 中可以看出，5，6，7 mm 3 个深度的峰值分别位于 680，815，950 pixel处，相邻深度间的像素差均为 135 pixel。平面镜每移动 1 mm，由于光的来返，两臂的光程差增大为平面镜移动距离的2倍，故系统每个像素点所占距离为 14.8 µm（2 000 µm/135 pixel）。

轴向分辨率是指扫频OCT系统轴向扫描时能分辨的最小距离，它从一定程度上决定了整个扫频OCT系统的优劣。OCT系统的轴向分辨率主要依赖于光源的带宽，系统的实际轴向分辨率通过在样品臂放置平面反射镜测量其PSF的半峰全宽值得到[15]。由图5可知，距离零光程差1 mm处对应的半高全宽占1 pixel，计算可得在空气中本系统实际轴向分辨率为14.8 µm。SS-OCT成像系统参数如表1所示。

表1 SS-OCT成像系统参数

用该系统测量盖玻片（Thorlabs公司型号为CG15KH1，厚度为（170±5） µm，由 Schott D 263®M玻璃制成，折射率约为1.5）的厚度，通过比较测量值与实际值对系统进行验证。在样品臂零光程处的平面反射镜上放置4块盖玻片，测得层析图如图6所示。

图6 中Y=160 pixel和Y=195 pixel处分别为第一块盖玻片上、下表面的干涉信号，由于平面反射镜反射率大，故干涉信号强，对应的线较亮。每条亮线代表折射率发生突变的界面处。系统实际轴向分辨率、像素差、样品折射率与厚度之间的关系满足下式：

图6 盖玻片OCT成像层析图

式中：Δz——系统实际轴向分辨率；

Δl——样品不同厚度处所对应的像素差；

n——样品折射率；

d——样品不同厚度之间对应的厚度差。

根据式（3）求得一片载玻片的厚度为172.67 µm，与理论值170 µm基本吻合。图7为每隔30 µm的50张盖玻片二维图像在ImageJ软件中拼接得到的三维立体模型，进一步说明了搭建的扫频OCT系统可行。

图7 4片盖玻片三维层析图像

4 测试案例分析

对等波数域间隔重采样后的干涉光谱数据进行去直流、快速傅里叶变换（FFT）等处理，可得到多个轴向扫描（A-scan）数据拼接成的二维图像(B-scan)。为了测试所研究的SS-OCT系统的高分辨率成像能力，分别对猪支气管、猪心进行成像检测实验。图8为猪支气管壁及其OCT层析图像，其中图8(a)是新鲜猪肺实物图，图8(b)为图8(a)中所测黄色区域支气管壁横截面的显微照片，图8(c)为猪气管壁的OCT二维层析图像。利用自研超小OCT探头进行成像，可以获得黏膜层、黏膜下层、外膜层分层结构与特征性软骨组织图像，如图8(c)所示，与图8(b)显微镜下所观测的组织结构基本对应，这说明本文研究的超小GRIN光纤探头用于OCT成像的可行性以及系统较高的分辨率。

图8 猪支气管壁及OCT成像

表2为猪心前室间沟、左心室壁、右心室壁及其对应的OCT层析图像。从猪心脏前室间沟的OCT二维图可以看出，沟壑的宽从700 pixel的位置A到达了2 060 pixel的位置B，每个像素点间距为10 µm，求得沟壑宽为1.36 mm。从猪左、右心室壁的OCT二维图中可以清晰地分辨出上皮组织与肌肉组织，其中左心室壁光强较为均匀，而右心室壁脂肪部分由于光泽好反射光强，肌肉组织部分光强较弱。

表2 猪心及OCT成像

5 结束语

本文在论述扫频OCT技术原理基础上，制作超小GRIN光纤探头样品与信号臂连接，构建了基于超小GRIN光纤探头的扫频光学相干断层成像（SS-OCT）系统。使用国际分辨率板A3和标准盖玻片作为待测物，实现了横向分辨率、纵向分辨率等SS-OCT系统性能参数的测量，测得系统的纵向分辨率为14.8 µm，横向分辨率为33.6 µm。利用该系统对猪支气管和猪心脏等不同生物组织进行成像检测实验，获得了样品相应的OCT层析图像。结果表明，基于超小GRIN光纤探头的SS-OCT系统具有微米级的高分辨率，可用于体内生物组织内窥OCT成像检测方法的进一步研究。