高速OCT应用中光电探测阵列的性能分析

1、高速OCT应用中光电探测阵列的性能分析光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，简称OCT）是一种新型的医学成像方法，它利用弱相干光反射测量技术，对体内生物组织结构进行高分辨率层析成像1,2。1991年，D.Huang等人将OCDR扩展到生物组织成像，成功地获得了人眼视网膜的细微结构和冠状动脉壁的结构，奠定了光学相干层析成像技术的基础3。与其它医学层析成像技术相比，OCT可以在自然状态下进行活体测量，具有非接触、非侵入性的特点；此外，由于OCT系统利用了光学干涉原理，它还具有极高的探测灵敏度和噪声抑制能力。虽然OCT系统在视网膜、皮肤等医学领域取得了重大进展，

2、但是要将它广泛应用于临床医学诊断，还需要不断提高以下三个方面的性能：系统信噪比、探测灵敏度、成像速度。在通常的情况下，成像速度与系统的信噪比成反比，为了保证高速成像的情况下OCT仍然保持较高的信噪比，研究者提出了各种OCT系统的改进方案。A.G. Podoleanu等人在传统的Michelson干涉仪的基础上，构建具有平衡探测机制的干涉仪4，有效地抑制了光源的强度噪声，提高了系统信噪比。这种方案结构复杂，不利于广泛推广。S. Bourquin 等人为了提高并行OCT系统利用有效背向散射光的效率，研发出新颖的CMOS探测阵列，它具有与众不同的“智能像素”，在每个像素上同时包含有光电探测器和模拟信

3、号处理电路5。虽然该系统获得了较高的动态范围和成像速度，但是也是以牺牲成像面积为代价，每帧图像只有64×256像素。这种方案不但造价昂贵，而且不能达到预期的效果。由于在光学成像中，入射光通常采用位于生物组织“光学窗口”的红外或近红外光波段，光在组织内的散射远大于吸收，即使如此背向散射光也非常弱，通常只有样品臂入射光强的。对于OCT系统而言，只有部分与参考光相干的背向散射光才能转换成精确的OCT信号，那么这部分光的反射效率是多少在以往的文献中，一直没有明确的定论。为此，我们将应用基于共焦模式的OCT蒙特卡罗仿真模型对此问题做一些分析，进而评估应用于OCT系统的光电探测系统需要的性能指标

4、。1 基于共焦模式的OCT蒙特卡罗仿真模型蒙特卡罗方法是一种统计模拟随机抽样方法，可用于模拟在任意形状和结构的散射介质中光的传播过程。Yao和 Wang6提出了传统的基于蒙特卡罗方法的OCT模型，模拟OCT系统中光的多次散射对OCT信号的影响。该模型将背向散射相干光分为两种类型，并在仿真模型里引入与参考镜位置相对应的相干层。与其它OCT仿真模型相比，它不但适用于复杂结构的生物组织，而且突出了OCT系统的相干特性，从而使仿真结果更接近OCT系统的实验结果。锥形聚焦光束探测区域目标层高斯光束生物组织图1 基于共焦模式的OCT系统蒙特卡罗模型 Fig. 1 Monte Carlo simulatio

5、n model of OCT system based on confocal mode 在传统的OCT蒙特卡罗仿真模型中，入射光束被视为理想的无限窄细光束，从坐标原点上垂直入射到组织内部。对于有限直径大小的圆光束，可以通过无限窄细光束的光分布与实际光束轮廓的卷积来获得其在组织内部的光分布。然而，在OCT系统中普遍采用共焦扫描方式，入射光束是聚焦的高斯光束。由于光子经过透镜之后，沿着确定方向的直线入射到组织表面，因此每个光子包（或光子）在生物组织内传播的初始方向都是固定的，并且与光子入射位置密切相关。对于这种特殊的几何结构，无法继续应用常规的卷积方法来获取总的光分布。因此，为了使蒙特卡罗仿真模

6、型与实际情况相符合，作者引入共焦显微镜结构和聚焦高斯光束的定义，此外，针对传统仿真模型在光子分类上的缺陷，做了必要的调整7。2 满足OCT相干条件的背向散射光漫反射率的估计利用上述模型，我们通过研究OCT相干条件和非相干条件下的漫反射率来研究生物组织对光的背向散射情况。漫反射率定义为光子在径向位置上单位面积的漫反射概率分布。假设入射光束为高斯光束，入射光子总量为。样本透镜的数值孔径，光源的中心波长，线宽。仿真对象为皮肤浅表组织8,9，探测深度分别为、。图2显示利用OCT蒙特卡罗仿真模型获得的径向分布漫反射率。 图2 径向分布漫反射率Fig. 2 Radial distribution of d

7、iffuse reflection on tissue surface图2(a)是不考虑OCT相干条件的漫反射率，对于不同的探测深度，漫反射率在的半径内有明显的区别，在更大的半径上相差不大。如图所示，OCT系统的探测深度越大，漫反射率的衰减越剧烈。在光轴中心部分，背向散射光强是入射光强的。图2(b)是考虑OCT相干条件下的漫反射率，对于不同的探测深度，它们的差异很大，探测深度越浅，符合OCT相干条件的背向散射光越集中，越有利于OCT系统探测接收。随着探测深度增大，符合OCT相干条件的背向散射光沿半径向外扩散。如果只关心光轴中心部分的漫反射率，由图2观察可知，满足OCT相干条件的背向散射光强是入

8、射光强的。为此，OCT系统必须选择高灵敏度、大动态范围的光电探测器。3 OCT系统中光电探测阵列的基本性能分析根据OCT干涉原理可知，光电探测器的背景光为参考光和样品背向散射光之和，相干光是样品背向散射光与参考光的干涉部分，它表示： 其中，是参考镜反射光功率，是样品背向散射光功率的相干部分。由于当时，取最大值，即： 为了提高成像速度，高速OCT系统必须使用线阵CCD或面阵CCD探测器降低了扫描维数。但是由于满足相干条件的背向散射光非常微弱，CCD探测器需要对微弱信号进行长时间的积分，才能形成可测的光电流，因此图像采集速度受到了限制。如果一味为了提高成像速度，就必须以牺牲探测灵敏度和动态范围为代

9、价。此外，由于CCD探测器固有的时间积分操作，使用光电探测阵列的高速OCT系统基本上无法实现交流耦合技术以及锁相环外差探测。由于缺乏交流耦合模式，低频噪声将不可避免地引入到探测系统中；由于缺乏窄带外差解调技术，散粒噪声和过量噪声等各种带宽相关噪声也会影响系统的信噪比。鉴于以上讨论，实现OCT系统高速成像的关键问题在于提高光电探测器的响应灵敏度和降低光电探测器的本底噪声。在此，我们通过一款高灵敏度的CCD线阵探测器Dalsa IL-C6-2048C来评估高速OCT对光电探测器的性能要求。IL-C6-2048C的探测灵敏度为，动态范围大于，噪声极限曝光量为，每个像素的大小为。对于中心波长为的近红外

10、光，IL-C6-2048C的光电响应特性如下图所示：图3 IL-C6-2048C的光电响应特性Fig.3 Responsivity of the IL-C6-2048C如果采用标准的迈克尔逊干涉仪(分束器的透射率和反射率，参考镜的反射率，生物组织的反射率)，在输出端光电探测器上，参考光和信号光的功率分别为： 那么背景光功率和最大相干光功率分别为： 如果高散射生物组织的漫反射率的最大值为，光源的输出功率为，那么与相干光电流对应的光功率为，它在IL-C6-2048C每个像素上的辐射照度为： 由图3中方格标记的响应曲线可知，在这样的光照度下达到一个饱和输出大约需要的时间。由以上分析说明，对于最大的背

11、向散射光照射，CCD探测器需要将光信号积分到饱和状态。因此，这个积分时间也是系统完成一次光电采集所需的最短时间，按照每帧500个轴向扫描计算，利用目前最高灵敏度之一的IL-C6-2048C，最多也只能实现每秒2帧的成像速度。换言之，如果OCT系统要以25帧每秒的视频速率实时成像，那么CCD的探测灵敏度至少需要提高12.5倍，达到。4 结语由以上数据分析显示OCT系统高速成像的关键问题在于提高光电探测器的响应灵敏度，减少对微弱背向散射光的积分时间。如果OCT系统以每帧500个轴向扫描的视频速率成像，光电探测阵列的响应灵敏度必须大于4500V/(J/cm2)，但是当前各种商业化的光电器件都无法达到

12、这种要求。参考文献:1 A. F. Fercher, W. Drexler, C. K. Hitzenberger, and T. Lasser. Optical coherence tomography principles and applicationsJ. Reports on Progress in Physics, 2003, 66:239-303. 2 骆清铭, 张益哲, 曾绍群, 等. 光学弱相干层析成像进展J. CT理论与应用研究, 2000, 9(4):1-6Q. M. Luo, Y. Z. Zhan, S. Q. Zeng, et al. Advances in Opti

13、cal Coherence tomographyJ. CT Theory and Applications, 2000, 9(4):1-6 3 D. Huang, E. A. Swanson, C.P. Lin, et al. Optical coherence tomographyJ. Science, 1991, 254(11):1178 1181.4 A. G. Podoleanu. Unbalanced versus balanced operation in an optical coherence tomography systemJ. Appl. Opt., 2000, 39:1

14、73182.5 S. Bourquin, V. Monterosso, P. Seitz, R. P. Salathe. Video-rate optical low-coherence reflectometry based on a linear smart detector arrayJ. Optics Letters, 2000, 25(2):102-104.6 Gang Yao, Lihong V Wang. Monte Carlo Simulation of an optical coherence tomography signal in homogeneous turbid m

15、ediaJ. Phys. Med. Biol., 1999, 44:2307-2320. 7 Kaijie Wu, Gang Li, Ling Lin, Yaqin Chen. Research on the effect of numerical aperture on probing depth of OCT system with new Monte Carlo simulation modelJ. Progr. Biomed. Opt. Imaging Proc. SPIE, 2005, 5630:703-710.8 Valery Tuchin. Tissue Optics: Light scattering Methods and Instruments for Medical DiagnosisM. Bellingham (Washington USA):SPIE PRESS, 2000.29-30.9 薛玲玲, 张春平, 王新宇等. 多层生物组织中的光分布研究J. 南开大学学报(自然科学), 2001, 34(1):103-109L. L Xue, C. P. Zhan, X. Y. Wang, et al. Study of the light distribution in the multilayered bi