【鉴知科普】波数线性度对光学相干断层扫描（OCT）成像质量的影响与优化

光谱域OCT（SD-OCT）原理图及信号处理

光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography，OCT）是一种基于低相干干涉技术的成像方法。通过干涉仪将宽带光源的光分成参考臂和样品臂，样品臂的光在样品中反射和散射后，与参考臂的光在干涉仪中重新形成干涉信号。干涉信号的频率强度和相位信息是样品内部的微观结构的直接反映。为了从干涉信号中提取出深度信息，需要使用快速傅里叶变换（FFT）将波数域（k）数据转换到空间域（z）。FFT要求波数空间的采样点必须是等间隔的，因此干涉光谱在波数空间的线性度——波数线性对OCT的成像质量起到了至关重要的影响。

波数线性/非线性光谱仪的镜面干涉信号与波数线性度

通过光谱仪采集得到的放置于一定深度的反射镜干涉信号，可以直观的发现波数线性光谱仪的干涉在整个光谱范围内是均匀的，经过FFT后可以形成尖锐锐利的信号峰。而波数非线性光谱仪往往存在干涉疏密不均匀的现象，FFT后峰强降低、宽度展宽，这说明波数非线性会使得OCT成像的信噪比和分辨率劣化。如果从定量的角度进行分析，可以通过提取解缠（unwrap）镜面干涉的相位信息，与光谱仪的像素坐标进行线性拟合，拟合的相关系数R2就代表了光谱仪的波数线性度。

波数线性/非线性光谱仪随着深度增加信号的劣化

    以反射镜为例，通过测量不同镜面位置的干涉信号直接FFT后的结果（Roll-off performance），可以看出波数线性光谱仪的在较大的成像深度内分辨率都表现良好，而波数非线性光谱仪的分辨率随着深度迅速展宽，二者的信噪比也存在着明显的差距。

常规的光谱仪由于只使用了光栅作为色散器件，得到的OCT原始干涉光谱必然是波数非线性的，即使使用三次样条（cubic spline）插值算法进行软件补偿矫正，仍然存在着以下缺点：

• 波数非线性矫正算法对数据处理计算负担大，难以实现高速实时的成像

• 不管是线性插值或是三次样条插值都会引入额外的噪声或伪影

• 由于色散和波数非线性的耦合效应，在OCT系统中难以获取精确的插值坐标参数

如果使用特殊的光学设计，可以在硬件上进行波数非线性的矫正，这样的波数线性OCT光谱仪，得到的原始干涉光谱可以直接进行FFT（类似于扫频OCT系统中经过k-clock采集到的干涉信号），可以实现高速实时成像，具有良好的信噪比和纵向分辨率。

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