光学相干层析成像（oct）及其应用 part 3-凯发平台

12/27/2021，作者：美国华莱光电 刘玥 博士！
3、评价oct成像系统的关键性能指标参数
   评价oct系统的关键性能参数包括轴向分辨率、横向分辨率、成像深度、成像速度、灵敏度等。表1总结频域fd-oct的主要性能评估参数，并列出了影响这些参数的主要因素。



2.1轴向分辨率（axial resolution）
   假设光源的光谱强度为高斯分布，则oct系统生成的干涉信号的光谱强度也为高斯分布，即在光源光谱的标准偏差区域范围之外，干涉光的强度将迅速下降。
对于光源光谱强度为高斯分布的oct系统，其轴向分辨率由光源的相干长度决定，可由以下公式推导：



由图13可以得出：
1、当光源的光谱带宽小于100nm时，轴向分辨率随光谱带宽的增加变化很快；
2、当光源的光谱带宽大于100nm时，轴向分辨率随光谱带宽的增加变化变缓；
3、相同的光谱带宽条件下，中心波长越短，轴向分辨率越高。


  
2.2横向分辨率（lateral resolution） 
   oct系统的轴向分辨率和横向分辨率是相互独立的。
横向分辨率可通过以下方程式推算：



2.3穿透深度和成像深度 ( penetration depth and imaging depth)
   当光线照射并穿透样品时，由于样品组织对光有吸收和散射，光的强度将被衰减，从而随在样品位置的加深，反射的光的强度越来越弱，直到探测不到，oct能够成像的有效深度受到限制。由于光衰减导致的成像深度限制通常被定义为“穿透深度”，一般定义为灵敏度下降6db处的位置为穿透深度。
oct系统的“成像深度”通常被定义为在没有光学衰减的情况下系统可重建样品结构信息的最大深度，该深度通常取决于探测器响应带宽和数据采集卡的采样率。
可由oct系统重建的样品结构深度，即有效成像深度，取决于穿透深度和系统成像深度中较小的那个。
例如，在眼科视网膜检测中，通常有效轴向成像深度受穿透深度限制；而在眼前节检测、血管和内窥镜成像中，有效轴向成像深度由oct设备的成像深度决定。

2.5.1 ss-oct系统的成像深度
   由前节所述，需要计算ss-oct系统的穿透深度和成像深度来得到其有效成像深度：一个由扫描源的瞬时线宽确定，另一个由数据采集卡的采样频率确定。

（１）由光源瞬时线宽决定的ss-oct成像系统的穿透深度可表示为：


（２）在实际的数据采集和图像处理中，ss-oct成像系统在波数空间中对检测到信号进行处理，通过离散傅里叶变换来获取样本的深度信息：更深位置处的信息被解析为更高频率的信号，浅层位置的信息被解析为相对低频的信号。根据奈奎斯特采样定理，ss-oct系统由数据处理能力决定的最大成像深度为：


从图14可以看出：
1、相同条件下，中心波长越长，成像深度越深；
2、频率采样间隔越小，成像深度越深。



2.5.2 sd-oct系统的成像深度
sd-oct成像深度的计算方法与ss-oct系统类似，如下式表示：



2.4信噪比（snr）和灵敏度
   oct系统的噪声源包括电路噪声和光学器件产生的噪声。与td-oct系统相比，ss-oct系统的信噪比可提高数十倍甚至数百倍。

2.4.1ss-oct 系统的snr
通常激光器的热噪声和相对强度噪声可以忽略，因此信噪比可表示为：



ss-oct系统的检测通过使用平衡探测器，可将信噪比提高约3db。

2.4.2ss-oct 系统的灵敏度
在oct系统中，灵敏度定义为可检测到的样本反射的最小功率，即当snr=1（噪声等于信号）时，可检测到的信号功率为灵敏度，表示为：



从上述方程可以看出，通过降低扫频速率可以检测到较弱的反射信号。

2.5成像速度
   oct系统的成像速度是指获取样品层析图像所需的时间。成像时间主要包括两部分：数据采集所需时间和信号处理所需时间。数据采集所需的时间通常由a-scan速率决定。
一般td-oct系统的成像速度受限于其参考臂机械扫描速度，目前最快的扫描速度可达到khz。sd-oct系统得益于高速线ccd或cmos探测器的并行检测；ss-oct系统的a-scan速度扫频源的扫频速度决定。目前ss-oct和sd-oct的最快a-scan速率都可达到mhz。

]b]2.6oct系统设计指导[/b]
1、提高轴向分辨率会降低成像深度；
2、提高横向分辨率会减少可视范围；
3、提高a-scan速率会导致系统灵敏度降低；
4、较短的中心波长有利于提高轴向分辨率，但会增加组织和其他介质对光的散射。