研究进展：光学相干层析成像焦深拓展方法

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光学相干层析成像（OCT）利用宽带部分相干光的微米级相干长度获取生物组织或材料的高分辨率层析图像。谱域和扫频光源OCT在频域成像探测，受益于高速线阵相机和扫频激光技术发展，成像速度和探测灵敏度大幅提升。2023年，其共同发明人因在眼底疾病诊断的临床应用成功获得拉斯克临床医学研究奖。
OCT临床应用从眼科拓展到多科室，如经皮介入的血管内OCT用于冠状动脉和颅内诊疗，在评估血管内壁斑块形态等方面发挥重要作用；在皮肤病变诊断、烧伤深度评估等方面有重要价值；还用于监控心脏和食管射频消融、结直肠癌病灶切除等治疗过程。然而，现有OCT技术难以解析细胞及以下尺度结构和对比度有限，需提升分辨率。


为解决这一问题，研究人员提出多种焦深拓展策略，将详细讨论这些技术的原理、实现方法、优势和局限性，并比较不同探测形式下各类方法的效果。

OCT焦深扩展方法

基于贝塞尔光束

1.原理特性
贝塞尔函数是亥姆霍兹方程精确解，贝塞尔光束具有无衍射性，保证细长光束宽度在传输中稳定；自愈性使其在传播中被部分遮挡后能恢复原始形貌。这使其能深入生物组织，抵抗散射，提供高焦深增益和信噪比。

2.实现方式
● 锥透镜在OCT领域常用，如将顶角为160°的锥透镜整合到干涉仪样品臂，实现至少6mm焦深，分辨率约10μm；用准直高斯光束照射顶角170°微光学锥透镜产生贝塞尔光束，获8μm横向分辨率和4mm焦深；搭建基于锥透镜的OCT焦深扩展成像系统用于体内结构和功能性皮肤成像。
● 针对锥透镜体积大难以用于内窥OCT的问题，提出微型全光纤锥透镜探头，通过在单模光纤和无芯光纤间拼接梯度折射率光纤并对无芯光纤机械抛光制成，其中GRIN光纤充当扩束器拓展焦深。
● 随着双光子3D打印技术发展，在光纤端面上打印三段结构产生贝塞尔光束，第一段将高斯光转换为环形光束输入并补偿端面不平整导致的偏移，第二段为分形逆锥形结构实现环形光束并保持包层平均有效折射率，产生高阶贝塞尔光束时需在第二段出射面施加螺旋相位赋予轨道角动量，第三段起聚焦微透镜作用将环形光束转换为贝塞尔光束。

3.优势局限
贝塞尔光束能实现焦深扩展，但相干传递函数存在严重空间频率分量损失，导致OCT图像灵敏度下降和旁瓣伪影；旁瓣较强会干扰主峰信号，降低信噪比。类贝塞尔光束由小顶角锥透镜产生的环形光束聚焦到扫描振镜再经消色差透镜聚焦产生，其自愈性可减少激光消融期间成像伪影。



基于贝塞尔光束的OCT焦深拓展示例。（a）基于锥透镜的OCT焦深扩展成像系统；（b）将无芯光纤机械抛光为锥透镜；（c）类贝塞尔光束产生过程的射线追迹

基于相位掩模的波前调控
1.原理特性
通过优化设计相位掩模结构调控光场，在预设光传播区域产生期望光场分布，具有高度灵活性，其形式多样，包括分区式、空间复用、级联等，需根据掩模特征尺寸选择波传输模型完成设计。

2.实现方式
● Lorenser等提出两种基于GRIN光纤的内窥式探头实现焦深扩展，一是用两段不同纤芯直径 GRIN 光纤构建轴向双焦点，二是利用球透镜对GRIN光纤不同波前部分聚焦形成轴向双焦点，合理选取GRIN光纤长度或球透镜半径改变聚焦位置实现长焦深会聚光场。
● Yu等为解决贝塞尔光束焦深扩展时旁瓣问题，提出利用环形掩模滤波器构建暗场OCT，在照明和检测光路中施加环形光瞳滤波器，通过设计孔径分布使照明臂点扩散函数第一旁瓣波峰与检测臂第一波谷重合，抑制旁瓣并扩展焦深。
● Kim等将可编码二元空间相位滤波器结合到GRIN光纤远端，对入射光相位调制实现焦深扩展，各环高度值由波传输理论数值优化确定。
● Zhao等提出空间复用相位板设计方法，与聚焦透镜结合构建轴向紧密排布多焦点，先将相位板离散像素化，根据期望轴向焦点数确定子单元网格数，对相同聚焦位置网格施加相同偏移相位构建，放置在聚焦透镜后焦面产生多焦点光场分布，还可用于构建离散多焦面提升体成像速度并维持细胞量级分辨率。
● Pahlevaninezhad等提出基于双超表面的入射光和搜集光路配置，在单个超表面半径弧上施加光线扭曲相位使光线聚焦形成连续焦线，搜集光线的超表面也采用类似操作与入射光一一映射，实现焦深扩展。

3.优势局限
该方法灵活性高，但相位掩模单元间相位突变或耦合会引入额外衍射噪声，干扰主信号，降低信噪比。




利用相位掩模实现OCT焦深扩展示例。（a）两段不同纤芯直径的GRIN光纤组合，GRIN光纤与折射透镜的组合；（b）二元空间相位滤波器与GRIN光纤结合；（c）空间复用相位板的设计方法；（d）入射光产生扭曲形成连续焦线并与搜集光存在一一对应关系

基于色散效应
1.原理特性
介质对光的折射率随波长变化产生色散，会聚波前中不同波长光经聚焦透镜时聚焦位置轴向偏移。OCT使用宽光谱光源，利用此特性可等效实现焦深扩展。

2.实现方式
● Zhang等以周期面积内透明与不透明面积之比为优化参数设计分形波带片，其产生轴向多焦点且焦距与波长相关，提升焦深增益。
● Liu等利用棒镜作为环形变迹器结合聚焦透镜产生贝塞尔光束扫描样品，因色散效应进一步扩展焦深，用于人类冠状动脉粥样硬化亚细胞结构成像。
● Bian等发现菲涅耳透镜有高色散能力，可将不同波长光聚焦在不同深度位置，实现长于传统聚焦透镜的焦深，但轴向分辨率受影响。
● Romodina等应用硒化锌透镜完成焦深扩展的高分辨率体积OCT成像，但因生物相容性和近红外区域透射率问题未商用。
● Li等提出光谱复用OCT系统，结合样品臂和参考臂共路设计，利用超连续谱源两段频谱聚焦到样品不同深度实现两倍焦深扩展，有望与其他技术结合提高聚焦性能，但增加光学曝光剂量和系统复杂性。
● Pahlevaninezhad等针对内窥OCT中保护套管效应，利用射线追迹设计超透镜，考虑其高色散提升OCT成像系统焦深增益。

3.优势局限
利用色散效应可在保持高横向分辨率下扩展焦深，但色散与轴向分辨率固有矛盾，常需对OCT图像进行数值色散补偿或使用快速扫描延迟线设备。         



基于色散效应的OCT焦深扩展示例。（a）光谱复用OCT系统；（b）样品臂和参考臂的共路设计；（c）射线追迹克服保护套管效应；（d）点源(xs,ys,zs)被成像到衍射极限点；（e）纳米光学内窥探头远端图像；（f）玻璃基板上的非晶硅（a-Si）纳米柱构成超透镜单元；（g）超透镜的部分扫描电子显微成像

基于合成孔径
1.原理特性
深度编码合成孔径方法通过在样品臂光路插入环形相位板，产生三条不同光学路径，对应三幅不同深度编码图像，经深度解码和相位补偿相干叠加实现焦深扩展，且能保持横向分辨率与物镜焦平面处一致。

2.实现方式
● Mo等提出该方法，如在样品臂光路中环形相位板插入聚焦透镜后焦平面，造成三条路径，对应三幅图像，处理后重建合成孔径图像。后续采用相干长度较长光源验证其在厚生物组织成像潜力。
● Bo等将环形相位板更换为圆形相位间隔器获得高横向分辨率数字重聚焦图像，后又提出多孔径合成方法，利用压电换能器使微柱面透镜横向移动获取不同角度扫描线，合成一条扫描线增大有效光学孔径，提升焦深扩展能力。

3.优势局限
该方法可扩展焦深，但存在光纤孔数值孔径与环形相位板划分波前孔径失配问题导致信号耦合损失；额外光学元件引入会降低光强度和信号强度，图像合成过程中噪声叠加降低信噪比。



基于合成孔径的OCT焦深拓展示例。（a）三条不同的光学路径；（b）重聚焦过程，单个B扫描包含同一物体不同深度的三个图像，进行深度解码以及相位补偿后完成图像重建；（c）多孔径合成方法示意图

基于计算重建
1.原理特性
利用干涉合成孔径显微镜技术计算重建与焦平面分辨率相同的三维体积图像，通过考虑光束在样本中传播等物理过程建模，可采取与X-ray计算断层类似数值处理方案进行数据插值实现空间不变分辨率。

2.实现方式
● Ralston等建模计算重建数学模型，将信号二维傅里叶变换与样本散射势三维傅里叶变换联系，通过数据插值实现焦深扩展。后续Sheppard等以相干传递函数理论为基础分析相关技术相似性和差异，奠定干涉合成孔径技术理论基础。Coquoz等将干涉合成孔径技术与锥透镜产生贝塞尔光束照明相结合获得焦深扩展高分辨率图像。

3.优势局限
该方法能实现焦深扩展，但需去除互相关干涉中的延迟扰动获得绝对相位稳定，且重聚焦模型中球面波前与实际受样本干扰形成的波前差异大，限制分辨率提升。



基于计算重建的OCT焦深扩展示例。（a）整个计算体积内保持与焦平面相同的分辨率；（b）将贝塞尔光束与干涉合成孔径技术相结合实现焦深扩展

基于多模干涉
1.原理特性
基于多模干涉原理的光纤滤波器探头可扩展内窥OCT有限焦深，多模干涉探头包含过渡光纤和大纤芯光纤，过渡光纤提高光传输效率并控制大纤芯光纤激发模式，调整大纤芯光纤长度改变激发模式相位差，从而在出射端获得可控光场分布。

2.实现方式
● Qiu等通过优化渐变型多模光纤GIF1和大纤芯光纤LCF长度，使光在LCF中发生线性偏振模式干涉，在LCF-NCF端面形成多模干涉场，经NCF传播放大后通过GIF2光纤聚焦实现焦深扩展。后又在LCF-NCF端面额外插入GIF2光纤，使P1和P2互为成像共轭面，放大多模干涉场后聚焦实现焦深扩展。
● Yin等在单模光纤熔接多模光纤，产生的0阶模式近似高斯光束提供高斯聚焦区域，高阶模式经GRIN光纤聚焦后形成伪贝塞尔聚焦区域，两者构成焦深扩展区域，后续通过亚毫米直径柔性导管获得人体冠状动脉细胞和亚细胞结构图像。

3.优势局限
该方法在内窥OCT中有潜力，但多模光纤中模式间耦合和损耗会导致光能量损失，降低图像信噪比。



多模干涉OCT焦深拓展示例。（a）多模干涉探头结构；（b）光在LCF中发生线偏振干涉，在LCF-NCF端面处形成多模干涉场；（c）增加一段GIF2光纤，用于成像放大多模干涉场；（d）光在多模光纤中传播时被分为多个传播模式；（e） G表示类高斯聚焦区域，PB表示伪贝塞尔聚焦区域；（f）多模光纤探头

基于动态聚焦
1.原理特性
焦深扩展需求主要在谱域OCT系统，时域OCT通常以动态聚焦并同步光程差方式实现。OCT轴向分辨率由光源相干门和探测光束聚焦条件共同决定，动态聚焦可调整焦点位置，保持相干性可提高轴向分辨率。

2.实现方式
● Lexer等在时域OCT样品臂光路引入振荡镜使光束焦点振荡，经纵向放大率透镜组放大焦点偏移后聚焦到样品实现动态聚焦，需合理选择纵向放大率使参考臂与样品臂光程差与光源相干长度匹配。
● Qi等提出基于微机电镜的深度聚焦控制系统，微机电镜含镀金氮化硅膜和特殊电镜驱动电极，通过调整电压控制球面像差实现焦点扫描，样品臂监控信号触发焦点跟踪实现与参考臂扫描同步。
● Divetia等制造可液体填充的聚合物透镜，连接水管控制液压使透镜变形改变焦距实现动态聚焦。

3.优势局限
动态聚焦可实现焦深实时扩展，但存在焦点扫描与参考臂扫描同步困难问题，且制备特定聚合物透镜有一定难度。



动态聚焦的OCT焦深拓展示例。（a）焦点扫描与参考臂扫描同步的OCT系统；（b）液压控制的聚合物透镜

OCT焦深扩展效果与应用

自由空间 OCT

自由空间OCT数值孔径大，焦深和工作距离提升显著，可扩展至1mm以上，工作距离与样品臂聚焦物镜焦距相关。例如，采用空间复用相位板与聚焦物镜组合的方法能实现167倍瑞利长度焦深扩展，但聚焦效率相对较低；利用特制的高色散硒化锌透镜可极大增加工作距离，然而透镜的生物相容性和近红外区域透射率问题阻碍其商业化。

1.皮肤成像
在皮肤成像中，可清晰获得不平坦皮肤表面外部特征，对于恶性皮肤肿瘤边界辨别有重要意义，长焦深有助于分辨深层真皮-表皮交界。例如，在相关皮肤成像示例中，能够清晰展示皮肤结构细节。
2.细胞成像
利用全玻璃超透镜与聚焦透镜组合产生轴向多焦点，可解析大深度范围细胞分辨率图像，提升体成像速度，如在人鼻部皮肤细胞成像中得到应用。
3.气管结构成像
对猪肺气管结构成像，长焦深OCT可在较大深度范围内可视化支气管组织微结构，凸显炎症浸润，传统高斯扫描难以实现，如对比成像示例所示。
4.内皮细胞成像
高分辨率焦深扩展OCT可对内皮细胞原位可视化，如对培养内皮细胞成像能清晰显示细胞轮廓。
5.激光截骨术应用
长焦深OCT用于激光截骨术，可为手术提供实时视觉反馈，类贝塞尔光束的自愈性还可减少激光消融期间成像伪影。



自由空间OCT焦深扩展成像示例。（a）皮肤3D成像；（b）皮下真皮-表皮的交界位置成像；（c）人鼻部皮肤的细胞成像；（d）猪肺气管结构；（e）培养的内皮细胞成像

内窥式 OCT

内窥式OCT入射光孔径小，现有焦深扩展方案横向分辨率多在5μm以下，焦深在200-300μm区间，工作距离短（500μm以下）。多模干涉探头方案主要应用于内窥OCT，如利用多模光纤不同模式聚焦产生焦深扩展区域，但牺牲轴向光场均匀性。部分文献在某一参数指标提升时需额外探头或系统改进辅助，如共路探头设计改善工作距离但增加光学曝光剂量和系统复杂性，液压控制动态聚焦需制备特定聚合物透镜，阶梯式排布光纤阵列加工要求高且增加探头尺寸。

1.气道成像
纳米光学内窥探头对猪气道成像，相比球透镜产生的高斯光，能更清晰显示气道壁层结构和微小腺体结构，还可对活体羊支气管成像，清晰展示肺组织多种结构特征。
2.冠状动脉成像
可对人体冠状动脉横截面成像，清晰辨认平滑肌细胞等结构，其大小和形状与组织学图像一致，传统血管内OCT图像难以清晰辨认，还可对兔主动脉粥样硬化进行3D重建，展示斑块区域等详细信息。



内窥OCT焦深扩展成像示例。（a）猪气道成像；（b）肺组织的结构成像；（c）人体冠状动脉的横截面成像；（d）兔主动脉粥样硬化的3D重建和横截面图像

总结与展望
当前焦深扩展技术虽有进展，但各有局限。贝塞尔光束存在相干传递函数和旁瓣问题影响图像质量；相位掩模设计制造复杂，对系统对准和校准要求高；合成孔径和计算成像技术受限于相位稳定和波前差异，分辨率提升受限；多模干涉技术工作距离扩展和模式控制精确性有待提高；动态聚焦技术在焦点同步和透镜制备方面存在问题。
优化图像重建算法，建立OCT信号物理过程与统计光学联系，从失焦图像重建高分辨图像实现等效焦深扩展，获取功能成像图像并弥补现有计算重建方法不足。
创新光学设计，随着超表面领域兴起，矢量光场调控从理论走向应用，控制偏振态（如径向偏振）在高数值孔径紧聚焦中至关重要，提升轴向偏振分量占比可获超分辨率焦深扩展针形光束，结合现有技术提升系统成像深度和分辨率。
解决色差校正问题，不同波长光聚焦到相同位置需不同相位，单一元件相位色散难以实现大带宽色散校正，超表面的共振相位超原子和几何相位超原子有望解决此难点，实现在焦深扩展前提下同时校正色差。总之OCT焦深扩展技术发展需多学科综合创新，以提升其在医学诊断和生物医学研究中的应用价值。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：谷成富, 张浩然, 兰琦, 张伟逸, 刘畅, 杨建龙. 光学相干层析成像焦深拓展方法研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(20): 2011018.



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