光學(xué)相干斷層掃描技術(shù) （Optical Coherence Tomography，簡稱 OCT）是近年來發(fā)展較快的一種更具發(fā)展前途的新型層析成像技術(shù)，特別是生物組織活體檢測和成像方面具有誘人的應(yīng)用前景，已嘗試在眼科、牙科和皮膚科的臨床診斷中應(yīng)用，是繼 X-CT 和 MRI 技術(shù)之后的又一大技術(shù)突破，近年來已得到了迅速的發(fā)展。它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。光學(xué)相干斷層成像術(shù)(optical coherence tomography，OCT)是一種高分辨率，非接觸性、無創(chuàng)的生物組織成像技術(shù)。自從20世紀(jì)90年代初應(yīng)用于眼科臨床以來，這項技術(shù)使我們能在活體上獲得類似于眼組織病理改變的影像，提高了我們對一些疾病發(fā)生發(fā)展過程的認(rèn)識，是繼眼科放射診斷、超聲診斷、血管造影診斷后又一全新的影像學(xué)診斷技術(shù)。
關(guān)鍵詞：光學(xué)，相干，層析，后向散射，差分法，
要點一、為什么要用光學(xué) ？
答、（1）光學(xué)成像可以不直接接觸組織，（2）采用的成像光的功率都不會太高，損傷小，（3）光的波長短，衍射效應(yīng)?。ㄖ本€傳輸效果好，相對超聲，電波等來說），所以分辨率會更高（如顯微鏡成像），（4）光是一種電磁波，顯微鏡等幾何成像只是利用了強(qiáng)度信息，如果能利用光的頻率信息和相位信息，還能獲取組織的其他信息，比如深度上，對光的偏振影響等，OCT就是利用了光的相位信息來獲取組織深度上的信息。
要點二、為什么要采用相干？
答、（1）光是電磁波的一種，和常見的水波一樣，具有振幅，相位和頻率；（2）光的波長約是390nm-780nm，換成頻率即10^14~10^15量級，震蕩速度非?？欤唬?）如果需要探測光的頻率，按照采樣定理，一個周期中至少需要采樣兩個點才能確定該周期的大小，如果直接探測光頻率的話，也就是說探測器的探測速度至少需要在10^15點/秒以上才行，顯然很難達(dá)到。所以光探測器探測的是一大段信號積分后的結(jié)果，即一大段時間的信號揉在一起的結(jié)果，相位和頻率就已經(jīng)沒有了；（3）波的干涉可以形成穩(wěn)定的強(qiáng)度分布，也就是兩束移動的波相加后，出現(xiàn)一個不動的條紋，該條紋與之前的波有關(guān)系。則通過探測該不動條紋來推算移動的波的信息，即相干的過程。
要點三、差分探測
答、前一點講的相干和信號探測中的差分探測實際是一樣的。舉例：一束待測信號假設(shè)為 100+0.1 GHz，速度太快，探測器響應(yīng)速度跟不上，所以只能探測強(qiáng)度信息，另造一個已知信號 100 GHz，那么將兩束信號作差值，得到信號是 +0.1 GHz，這個信號有點慢，探測器可以探測到強(qiáng)度和頻率信息，那么原始信號也就推算出來了。
公式表示：信號1，E0 = I * sin(w0 * t + m0); 信號2， E1 = I * sin(w1 * t + m1);
兩束信號疊加后，E = 2*I *sin[ (w0 + w1) * t / 2 ] * cos[ (w0-w1) * t / 2 ]; -------( 三角函數(shù)中的和差化積公式，暫忽略相位項 )
分析：疊加信號中有兩項：(1) sin[ (w0 + w1) * t / 2 ] ,頻率比原來信號還更高，探測時相互混疊，只留下強(qiáng)度信息，沒有頻率信息。
(2) cos[ (w0 - w1) * t / 2 ], 頻率是原來兩信號的差值，兩信號頻率很接近的話，就很容易檢測出該差值后的頻率，如果再知道了其中一個頻率，另外一個頻率就很容易推算了。
要點四、干涉的條件？
答：干涉的含義即為，兩束波的疊加后形成穩(wěn)定的條紋。形成穩(wěn)定的干涉條紋需要條件：(1) 波長相等,(2) 初始相位差固定,(3) 偏振不相互垂直。
解答一下其中關(guān)鍵點，
1）波長相等，能形成穩(wěn)定干涉；波長相近能形成緩慢變化的干涉（參照前一點差分探測，波長和頻率是對應(yīng)的），波長相差越大，變化越劇烈，所以在探測器的響應(yīng)范圍內(nèi)，允許波長有一點差異。
2）光波的波列不是無限長的，而是一段一段的，即一段光波是有一定長度的，并且每段光的初始相位是隨機(jī)的，如果初始相位不固定，條紋也是穩(wěn)定不下來的。因此，不同光源的光是不能產(chǎn)生干涉條紋的，同一光源的不同時間段的光之間也不能產(chǎn)生干涉條紋的，因為相位差是隨機(jī)的。所以只有同一光源的同一時間點的光分成兩部分后再重新相加才能產(chǎn)生干涉（重要）。
3）偏振不垂直就好理解了，垂直了就不存在波的疊加了。
下面開始講解一下OCT的原理：（在理解的過程中始終要記住，探測器只能探測輸入信號的強(qiáng)度，也就是振幅，而其他信息是反映在強(qiáng)度中的）
（1）相位差與探測強(qiáng)度的關(guān)系
首先構(gòu)造一個干涉系統(tǒng)，包括一個光源，一個探測器和分別用于光路分開和結(jié)合的耦合器。
（圖一、光源出射的光分為兩束，分別經(jīng)過一定的長度后重新疊加，由于經(jīng)過的長度不同，相位之間的差異則不同）
通過matlab仿真做兩條頻率和強(qiáng)度相同但是相位有差異的曲線，并相互疊加得出：
（圖二、紅色和黑色為原始波形，淡綠色為疊加后的信號，因此從圖像可以得出一個結(jié)論疊加后的信號強(qiáng)度與相位有一定的關(guān)系）
關(guān)系圖大概是一個周期性的曲線，因為相位差是可以認(rèn)為是一個周期函數(shù)：
（圖三、根據(jù)現(xiàn)象可以總結(jié)出一個相位差與疊加后振幅之間的關(guān)系曲線）
（2）反射率與強(qiáng)度的關(guān)系
和上一點相同的系統(tǒng)，只是其中一條光路的光不是全部都能被接收，也就是兩路的疊加前的振幅是有差異的。
（圖四、干涉前的光如果振幅不是相同，最終產(chǎn)生的干涉強(qiáng)度是如何的變化曲線）
（圖五、從圖中可以看出，假設(shè)一束光的強(qiáng)度不變，疊加后的強(qiáng)度信號和另一束光的強(qiáng)度有關(guān)系的）
（3）多個波長之間的干涉問題
假設(shè)一個光源發(fā)出的不再是單色的而是寬譜的，（圖中以三個不同波長的波形示意），經(jīng)過分別兩條長度差固定光路后，相互疊加。
（圖六、空間長度差固定，但是對于不同波長，所產(chǎn)生的相位差是不同的，根據(jù)圖三結(jié)論，相位差不同，疊加后的強(qiáng)度也不相同，
因為相位是有周期性的，因此會呈現(xiàn)一個類周期的關(guān)系，將波長和強(qiáng)度之間的關(guān)系用曲線表示如上圖表示（上圖曲線是錯的，只是示意一下））
（圖七、根據(jù)相位、波長和光程差之間的關(guān)系可以求導(dǎo)得到波長和相位之間的變換關(guān)系不是線性的，
波長越長，變換越慢，因此變換曲線如上圖所示）
（圖八、上文圖六中顯示的當(dāng)兩條光路中的距離差是固定時的波長與相位關(guān)系，
當(dāng)兩路之間的距離差變化，即L改變，相位與波長之間的關(guān)系隨之變化，可根據(jù)公式得出，距離越長，變換速度越快
因此得出結(jié)論，“波長-強(qiáng)度曲線“的震蕩快慢與距離差是關(guān)聯(lián)的）
重新整理一下以上關(guān)系曲線，
”對于同一波長，兩路信號之間的相位差會產(chǎn)生疊加強(qiáng)度變化，如圖三所示“；
”對于同一波長的同一相位差，兩路光中的其中一束光的強(qiáng)度變換也將導(dǎo)致疊加強(qiáng)度變化“；
”對于多個波長，兩路光經(jīng)過的同一長度差，因為波長不同導(dǎo)致相位差不同，從而引起不同波長之間的強(qiáng)度變化，如圖七所示“；
”對于多個波長，兩路光經(jīng)過的長度差發(fā)生改變時，’波長-強(qiáng)度曲線‘的變化快慢與長度差是有關(guān)聯(lián)的“。
（4）插值
當(dāng)光束經(jīng)過鏡面反射時，長度差是固定的。因此，圖八信號的震蕩快慢，反映了平面鏡之間的長度差（以其中一個平面鏡作為參考，另一個平面鏡到參考平面鏡的距離），信號的整體幅度表示平面鏡反射率（從平面鏡反射了多少比例的光），因此從干涉強(qiáng)度信號可以推算出“樣品反射鏡”相對“參考反射鏡”的位置，以及反射比例。
需要量化信號的振幅和頻率，該數(shù)學(xué)過程即為傅立葉變換（FT）。
對于一個兩固定位置反射鏡的干涉信號如下圖所示：
（圖九，固定位置的反射鏡的干涉信號和傅立葉變換后的信號）
首先，這個信號是一個反射鏡面所產(chǎn)生的干涉信號，經(jīng)過FFT提取特征后（振幅->反射率，頻率->位置），理應(yīng)得到頻譜圖上某一個位置的強(qiáng)度，但是由于干涉信號的頻率是變化的（圖八公式），頻譜展寬了。最后得出了如圖九（右圖）所示的信號，明顯該結(jié)果不是想要的。因此需要將原始信號做進(jìn)一步處理。即插值。
插值可以理解為，將頻率不均勻的信號，拉伸成頻率均勻的信號。（頻率快，多取幾個點，頻率滿，少取點）重采樣。
（圖十，插值后干涉信號均勻了，做FFT后，得到的一個平面鏡的特征信號就很明顯）
（4）信號的分離和解析
假設(shè)有多個反射面（半透明的），從而會出現(xiàn)多個反射鏡的干涉信號，這些干涉信號都將回到同一個探測器，因此探測器的信號是多個反射鏡面的疊加信號。
（圖十一，探測器出來的強(qiáng)度信號是多個反射鏡面的信號疊加）
那么將這些不同頻率分量的信號疊加后再分開的過程，也就是傅立葉變換的過程了。
（5）干涉信號的探測
前面介紹了探測器的干涉強(qiáng)度信號反映了反射鏡面的反射率和位置，但是這個連續(xù)的（強(qiáng)度--波長）信號是如何獲取的呢。
首先要明確以上干涉信號是強(qiáng)度--波長。即 對于某一個波長，探測到該波長分開傳輸又疊加后的強(qiáng)度信號，并且有一系列不同波長的該類型信號的結(jié)果。因為是強(qiáng)度信號，所以探測器是可以探測的，只需要將各個波長分開，分別探測強(qiáng)度。
不同波長的疊加后強(qiáng)度的探測方法，分有兩種，分別是掃頻源和譜域，一前者采用時間分離波長，后者采用空間分離波長。
（圖十二，譜域OCT系統(tǒng)的干涉信號的探測過程）
上圖是譜域系統(tǒng)（SD-OCT）的信號探測過程，光源同時發(fā)出一系列的不同波長的光，這些光都經(jīng)過同一個分光器和反射鏡面，并到達(dá)同一個探測器（可以說同時到達(dá)），這些不同波長的光最后的強(qiáng)度不一樣，這些波長之間的強(qiáng)度差異攜帶了反射鏡面的位置和反射率信息，因為是同時到達(dá)探測器的，所以可以利用光柵將這些光分開，然后不用波長的光被不用的探測器接收（線陣CCD），最后這些探測器的信號可以重組“強(qiáng)度--波長”曲線，從而計算出反射鏡的位置和反射率信息。
（圖十三，掃頻源系統(tǒng)的干涉信號的探測過程）
上圖反映的是掃頻源OCT系統(tǒng)（SS-OCT）的“強(qiáng)度--波長”關(guān)系圖的探測過程。光源是寬譜的，但是不同波長的光不是同時出來的，而是依次出現(xiàn)，因此波長和時間是有關(guān)聯(lián)的，“強(qiáng)度-波長”曲線可轉(zhuǎn)化為“強(qiáng)度-時間”曲線，只需要在不同時間下探測的信號強(qiáng)度即為干涉信號圖，因此采用的探測器是點探測器，探測到的當(dāng)前時間的光強(qiáng)度信號即為某波長的干涉后強(qiáng)度信號。
將信號做處理（插值和FFT），即可得到反射鏡面相對參考鏡面的位置和反射率。
當(dāng)OCT系統(tǒng)對樣品組織探測時，將樣品組織等效為一系列的反射面，則可探測某深度上組織的反射率（即后向散射率）。這是一條A-Line的成像
將光束對組織樣品進(jìn)行橫向的移動（B-Scan），得出多條A-Lines，拼接出一副二維斷層圖像。
(注：本文只是作為OCT原理的快速理解，定性不定量，所以很多理論基礎(chǔ)不是很準(zhǔn)確，比如OCT中涉及的低相干，互相干，彈道光子等等一系列都沒有提及。如果需要深入的量化理解，請參考相關(guān)的博士論文)
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