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基於時間拉伸超連續光譜的散粒噪聲極限 10 MHz 掃頻光源光學相干斷層掃描技術,應用於視網膜成像


核心概念
本文提出了一種基於時間拉伸超連續光譜的新型掃頻光源,該光源可實現散粒噪聲極限下的高速 OCT 成像,並展示了其在 1060 nm 波長下對人體視網膜進行高速成像的能力。
摘要

時間拉伸超連續光譜掃頻光源

原理與結構

本研究提出了一種基於時間拉伸超連續光譜的新型掃頻光源,用於實現高速、低噪聲的光學相干斷層掃描 (OCT) 成像。該光源系統主要由以下幾個部分組成:

  • 模式鎖定激光器:產生重複頻率為 80 MHz、脈衝寬度為 220 fs、中心波長為 1050 nm 的激光脈衝。
  • 脈衝選擇器:利用聲光調製器將激光重複頻率降低至 10 MHz。
  • 偏振維持光纖:通過自相位調製和光波破碎效應,將激光脈衝展寬至 60 nm (FWHM)。
  • 長啁啾光纖布拉格光柵 (CFBG):將光譜展寬的脈衝在時域上拉伸至 93 ns,實現 93% 的占空比。
  • 半導體光放大器 (SOA):將掃頻光源的平均功率放大至 37 mW。
性能優勢
  • 高速掃描:實現了 10 MHz 的掃描速度,可有效減少運動偽影,提高成像速度。
  • 低噪聲:採用 ANDi 超連續光譜產生技術,實現了低至 1.2% 的相對強度噪聲 (RIN),接近散粒噪聲極限。
  • 高掃描線性度:掃描線性度高達 R² = 0.99998,無需數據重採樣。
  • 高效率:採用長 CFBG 作為時間拉伸器,與傳統的單模光纖相比,可顯著降低傳輸損耗。

10 MHz 掃頻光源 OCT 系統

系統結構

本研究搭建了一套基於上述掃頻光源的 OCT 成像系統,該系統採用非對稱設計,以優化樣品的集光效率。主要組成部分包括:

  • 光纖耦合器:將光束分束至參考臂和樣品臂。
  • 光纖布拉格光柵:反射部分光譜作為 OCT 系統的觸發信號。
  • 平衡光電探測器:探測干涉信號。
  • 高速示波器:對干涉信號進行數字化採集。
成像性能
  • 軸向分辨率:在空氣中測得的軸向分辨率為 14.6 µm。
  • 軸向範圍:10 dB 軸向範圍為 3.56 mm。
  • 相位穩定性:測得的相位噪聲為 20.7 mrad,長期相位穩定性良好。

視網膜成像

成像系統

為了驗證該掃頻光源在視網膜成像中的應用,本研究對 OCT 成像系統進行了改進,主要包括:

  • 電控位移台:用於瞳孔追蹤和樣品臂長度調節。
  • 振鏡掃描器:實現光束的二維掃描。
  • 望遠鏡系統:提高橫向分辨率。
  • 色散補償玻璃棒:補償參考臂中的色散。
成像結果
  • 橫向分辨率:測得的橫向分辨率約為 19.69 µm。
  • 靈敏度:系統靈敏度高達 84 dB,達到散粒噪聲極限。
  • 成像速度:B 掃描的採集時間為 0.33 ms,體積成像速率為 4.5 Hz。
  • 成像質量:成功獲得了清晰的人體視網膜 OCT 圖像,可以清楚地分辨出視神經和血管等結構。

總結與展望

本研究提出了一種基於時間拉伸超連續光譜的新型掃頻光源,並成功應用於高速、低噪聲的 OCT 視網膜成像。該技術為眼科成像、手術監測和 OCTA 等需要高速成像的應用領域提供了新的可能性。未來,可以通過優化泵浦激光器、採用全偏振維持光纖元件等方式進一步提高系統性能。

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統計資料
該掃頻光源的掃描速度為 10 MHz。 占空比為 93%。 掃描線性度高達 R² = 0.99998。 相對強度噪聲 (RIN) 低至 1.2%。 軸向分辨率為 14.6 µm。 10 dB 軸向範圍為 3.56 mm。 相位噪聲為 20.7 mrad。 橫向分辨率約為 19.69 µm。 系統靈敏度高達 84 dB。 B 掃描的採集時間為 0.33 ms。 體積成像速率為 4.5 Hz。
引述
"This letter details enhancements to the system described in [16] including reduced laser noise, increased efficiency, lower losses, and a more compact stretcher." "These improvements enable the demonstration of real-time in vivo retinal imaging with improved sensitivity." "ANDi supercontinuum dynamics are recommended for low-noise broadband generation." "Figure 5 demonstrates in vivo imaging of a human retina with an en face view and a volume view." "This method opens a promising path toward high acquisition speed OCT, reducing the effects of object movement, as required for OCT of the eye, surgery monitoring and OCTA."

深入探究

這項技術如何應用於眼科以外的其他生物醫學成像領域?

高速、低噪音的掃頻光源光學相干斷層掃描技術 (SS-OCT) 在眼科以外的生物醫學成像領域也具有廣泛的應用前景,特別是在需要高解析度和高速成像的應用中: 心血管成像: SS-OCT 可以用於對血管壁進行高解析度成像,例如冠狀動脈成像,以識別斑塊積聚和評估心血管疾病風險。高速成像能力可以減少運動偽影,從而提高圖像質量。 內視鏡檢查: 將 SS-OCT 整合到內視鏡中,可以實現對消化道、呼吸道和泌尿道等內部器官的實時、高解析度成像。這對於早期癌症檢測和診斷具有重要意義。 皮膚科: SS-OCT 可以用於對皮膚層進行成像,以評估皮膚癌、燒傷和其他皮膚病的深度和嚴重程度。 神經成像: 高速 SS-OCT 可以用於對大腦活動進行功能性成像,例如,通過測量血流變化來觀察神經元活動。 手術導航: 實時 SS-OCT 成像可以為外科醫生提供手術部位的詳細信息,幫助他們更精確地進行手術操作,減少損傷周圍組織的風險。 總之,高速、低噪音的 SS-OCT 技術在眼科以外的生物醫學成像領域具有巨大的應用潛力,可以提高疾病的診斷和治療效果。

高速成像的優勢是否會被其高昂的成本所抵消?

高速 SS-OCT 成像的優勢和高昂成本之間需要進行權衡考量。 高速成像的優勢: 減少運動偽影: 高速成像可以減少由於心跳、呼吸或病人移動造成的運動偽影,從而提高圖像質量。 提高診斷效率: 高速成像可以縮短檢查時間,提高患者的舒適度,並允許醫生在相同時間內診斷更多患者。 實時成像: 高速成像可以實現實時成像,這對於手術導航和功能性成像等應用至關重要。 高昂成本的考慮因素: 設備成本: 高速 SS-OCT 系統通常比傳統 OCT 系統更昂貴,因為它們需要更複雜的光源和探測器。 維護成本: 高速 SS-OCT 系統的維護成本也可能更高。 結論: 儘管高速 SS-OCT 成像的成本較高,但其優勢在許多應用中可能超過成本。例如,在需要高解析度和實時成像的應用中,例如手術導航,高速成像的優勢是顯而易見的。此外,隨著技術的進步和生產規模的擴大,預計高速 SS-OCT 成像的成本將會下降,使其在更多應用中更具成本效益。

如何利用人工智能技術進一步提高 OCT 圖像的分析和診斷效率?

人工智能 (AI) 技術可以與 OCT 圖像分析相結合,以提高診斷效率和準確性。以下是一些具體的應用方向: 自動圖像分割: AI 算法,特別是深度學習模型,可以被訓練用於自動識別和分割 OCT 圖像中的不同組織層和結構,例如視網膜層、血管和病變區域。這可以節省醫生手動分割圖像的時間,並減少主觀差異。 疾病診斷輔助: AI 算法可以通過學習大量標記數據來識別 OCT 圖像中的疾病相關模式,例如青光眼、糖尿病性視網膜病變和老年性黃斑變性。這些算法可以為醫生提供診斷輔助,提高診斷的準確性和效率。 預後評估: AI 算法可以通過分析 OCT 圖像中的疾病進展相關特徵,例如病變大小和位置的變化,來預測疾病的進展和治療反應。這可以幫助醫生制定個性化的治療方案。 圖像質量提升: AI 算法可以通過降噪、去偽影和超分辨率重建等技術來提高 OCT 圖像的質量,從而提高診斷的準確性。 總之,AI 技術可以與 OCT 圖像分析相結合,以提高診斷效率、準確性和預測能力,並最終改善患者的治療效果。隨著 AI 技術的發展和更多 OCT 數據的積累,預計 AI 在 OCT 圖像分析中的應用將會越來越廣泛。
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