高速OCT应用中光电探测阵列的性能分析.docx

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…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旧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［刃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晨，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，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 仪叫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号处理电路〔叫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64X256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10 6 10 7 o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Wang"】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苴相对应的相干层 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系统的实验结果高斯光束锥形聚焦光束 :I:::.:*:;:一探测区域图1基于共焦模式的OCT系统蒙特卡罗模型Fig. 1 Monte Carlo simulation 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而，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，并且与光子入射位苴密切相关对于这种特殊的儿何结构，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⑺。

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， 入射光子总最为10七 样本透镜的数值孔径湖=0.4,光源的中心波长人0 =633也〃，线宽△ 4 = 10〃/〃 仿真对象为皮肤浅表组织修叫 探测深度分别为100/zm、200/奶、300/如、400/如图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10*10-半径(叩)(b)考虑OCT相干条件10’图2径向分布漫反射率Fig. 2 Radial distribution of diffuse reflection on tissue surface图2(a)是不考虑OCT相干条件的漫反射率Rd(r)，对于不同的探测深度，漫反射率/?.(厂)在160/zm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Rjr) 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KT6〜KT图2(b)是考虑OCT相干条件下的漫反射率Rd(r),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射光强的IO"〜10一气 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1.是样品背 向散射光与参考光的干涉部分，它表示：R辛龙用右(时|cos(2ew) (1)其中，4是参考镜反射光功率，4是样品背向散射光功率的相干部分由于当丁 二 0时，4取最大值，即:4,max = 2』P「P$ (2)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1//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，我们通过一款尚灵敏度的CCD线阵探测器Dalsa IL-C6-2048C来评估局•速OCT对光电探测器 的性能要求IL-C6-2048C的探测灵敏度为336V/（W/c、*）,动态范围大于75dB ,噪声极限曝光量为 0.67 pj/cin2 ,每个像素的大小为13//"zx500"z对于中心波长为800〃m的近红外光，IL・C6・2048C 的光电响应特性如下图所示：500 600 700 800 900 1000 1100Wavelength (nm)Spectral Responsivity400苜350300言250乎00 矣150.100 500400Output vs. Integration Time @ 800nm1000.0 0.2 0.4 0.6 08 1Integration Tim (ms)♦ ■ 34 uW/crrt F ・ 7 uW/cm2 -A-2uW/cm2图3 TL-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7； =Tr= 0.5，参考镜的反射率 1,生 物组织的反射率R 1）,在输出端光电探测器上，参考光和信号光的功率分别为：P,=T=RR=F （3）n 1… 4*4 （4）那么背景光功率P（J和最大相干光功率P分别为：P"+Ps=* + Rs）匕 （5）%危2屈=；原 （6）如果高散射生物组织的漫反射率氏的最大值为KT,光源的输出功率为心,=20/nW ,那么与相干光 电流对应的光功率为眼"2 = 1//W ,它在TL-C6-2048C每个像素上的辐射照度为：(W/2048)13x500xW8c/7?2= 7.5ptW/cm2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Es的时间。

由以 上分析说明，对于最大的背向散射光照射，CCD探测器需要Ims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1=1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4200V/(z/j/t7H2)o4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/(HJ/cm2),但是当前各种商业化的光电器件都无法达到这种要求参考文献：[1] A. F. Fercher, W. Drexler, C. K. Hitzenberger, and T. Lasser. Optical coherence tomography - principles and applications[J]. 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 Optical Coherence tomography [J]. CT Theory and Applications, 2000, 9(4): 1-6[3] D. Huang, E. A. Swanson, C.P. Lin, et al. Optical coherence tomography[J]. Science, 1991, 254(11):1178〜 1181.[4] A. G. Podoleanu. Unbalanced versus balanced operation in an optical coherence tomography system[J]. AppL Opt., 2000, 39:173〜182.[5] S. Bourquin, V Monterosso, P. Seitz, R. P. Salathe. Video-rate optical low-coherence reflectometry based on a linear smart detector array [J]. Optics Letters, 2000, 25(2):102-104.[6] Gang Yao, Lihong V Wang. Monte Carlo Simulation of an optical coherence tomography signal。