2021年5月10日

如何為光學相干斷層掃描系統建模

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如何為光學相干斷層掃描系統建模

光學相干斷層掃描(OCT)是一種斷層成像系統,可以根據從圖像反射或散射的光生成橫截面或三維圖像。 醫用組織成像是該系統的最典型應用,因為OCT安全且具有高分辨率,儘管光可以穿透的深度限制在毫米量級。

OCT測量系統依賴於邁克森干涉儀 (Michelson interferometer),使得從參考物反射的光與樣品之間的相干性表明散射光源自樣品中與參考鏡的位置相對應的深度。

本文將逐步介紹如何在OpticStudio中創建商業上可用的OCT模型。

模型系統

健康人眼的角膜和虹膜(A)以及視網膜組織(B)的橫截面圖像如下所示。 顏色變化對應於返迴光強度的變化。 這表明發生了重大變化。

代表性的OCT系統如下所示。 光束應均勻地分成兩臂,其中一個在樣品體積上會聚,以最小化給定掃描的照射面積。 光源應為一束准直的寬帶光束;大帶寬意味著低相干性和高精度定位產生相干性的深度。

深度掃描也稱為軸向掃描或A掃描,它根據反射到樣品中的距離來測量反射光的強度。 儘管它在OCT系統的類型之間有所不同,但深度掃描通常由參考鏡執行,以使樣品返回的光對應於樣品和參考之間的特定光程差(OPD)。 透過以x或y方向旋轉掃描鏡來執行橫向,橫向或b掃描,從而在整個樣品區域上平移探測光束。

我們從商用OCT系統中獲取目標規格。 軸向分辨率完全來自光源特性,應在5μm的數量級上。 來自樣品處光束半徑的橫向分辨率應為15μm。800 nm範圍內的光將用於避免組織中的高吸收,這會限制穿透。

光源規格

OCT將干涉測量技術與寬帶近紅外光結合使用。 較寬的帶寬可提供最佳分辨率,而波長選擇可確定樣品材料中的穿透深度。 在此示例中,我們將使用840 nm中心波長,60 nm FWHM光源,該光源透過以下方式在空氣中提供5μm的軸向分辨率:

這些光譜特性來自Superlum市售的超發光二極管,它具有生物成像的共同波長和足夠高的分辨率的帶寬。 我們將忽略准直光學,而是從入射光束進入干涉儀開始。

OpticStudio可以透過兩種方式定義寬帶光源:透過在適當範圍內定義多個系統波長,或者透過將關聯的相干長度定義為光源的屬性。相干性是OCT的必要來源屬性,因此我們將使用此方法並允許OpticStudio透過以下方式執行帶寬計算和採樣:

物件設定顯示:

醫療保健的美好未來

我們很高興看到OCT系統在醫學領域的發展以及在未來幾年中將要出現的創新。隨著這項技術的發展,醫療保健的品質將不斷提高,從而使我們所有人的生活品質得到改善。

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作者:
Lisa Li