评述：空间偏移OCT-利用多重散射实现混浊介质中的高对比度深层成像

研究背景

      光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)是一种利用信号光和参考光之间的干涉获取深度方向的信息，通过信号光在待测目标上的扫描来实现生物组织或特种材料的三维层析成像的技术。在日常生活中，OCT一般多见于医院的眼科，在皮肤科、心血管科和牙科等科室也有所应用。眼科医生使用OCT对视网膜(尤其是黄斑区)的内部结构进行成像，通过所得层析图像对眼底出血、视网膜裂孔等疾病进行诊断的同时，也作为后续治疗的依据。

      OCT一般由光源、干涉光路和光电探测器组成。光源发出的光被分为两束，信号光由光学系统聚焦到待测样本内，经内部微观结构的反射和散射以及组成成分的吸收后被成像透镜收集，最终与参考光在光电探测器上发生相干叠加。光电探测器将干涉产生的光信号转化为电信号，经过数据采集进入电脑加以分析。通过调整参考光的光程，可以使其与来自样本内不同深度的信号光发生干涉，实现在深度方向上的扫描。移动信号光的入射位置可以实现对样本的横向扫描。样本内部的光学参数分布，表现为对光的吸收和散射不同，光电探测器所得的电信号就有所差异，最终体现为OCT图像上的明暗分布。OCT的轴向分辨率由光源的相干长度决定，一般在1至10微米之间；径向分辨率与普通光学显微镜类似，取决于样品内部聚焦光斑的尺寸，一般也在微米量级。

论文导读

      基于OCT的形态学成像技术在过去几十年中取得了重大进展，在医学、艺术品保护、材料的无损检测等领域有着重要的应用。目前OCT技术最主要的瓶颈在于测量深度有限：一般为1毫米左右。造成这一问题的原因在于待测样品(包括生物组织)对光的吸收和散射。吸收是指光在样品中传播时，与其组成成分相互作用，被部分地转化为其他能量形式的物理过程。散射是指光通过不均匀介质时，一部分光偏离原方向传播的现象。这两者都会造成沿着‘原入射方向传播的光’的衰减，导致光只能在一定厚度的介质内传播，因此也就只能对一定厚度的样品成像。

      参与OCT成像的是进入样品内部经过吸收和散射后原路返回或者以一个香蕉形路线从样品表面再次出射的光(被称为后向散射光)。后向散射光可以根据散射次数的多少分为两大类：弹道散射和多重散射。弹道散射光的散射次数较少，传播方向与入射光路夹角很小，比较容易被成像光路收集，因此大部分弹道散射光都能参与OCT成像。多重散射光的传播方向则比较分散，随机性较强，只有很少的一部分参与成像。因此从传统的观点来看，OCT图像主要是由弹道光子组成的。但从成像深度的角度来看，散射次数和入射深度成正比：能进入样品深层的光大多发生过多重散射，而弹道散射通常发生在浅层。这也是限制了OCT成像深度的原因之一。目前主流的研究方向是提高弹道光子的入射深度，常见的方法有波前整形等。丹麦工业大学的Peter E. Andersen与英国圣安德鲁斯大学的Kishan Dholakia等人则另辟蹊径，提出了修改OCT成像系统结构、避开弹道散射光、只利用多重散射光成像的思路，提高了OCT图像的成像深度及在纵深方向上的能见度。相关成果以Spatially offset optical coherence tomography: Leveraging multiple scattering for high-contrast imaging at depth in turbid media为题发表在Science Advances上。

技术突破

      该文借鉴了暗场OCT、双轴OCT等通过修改入射和成像两条光路的相对几何形状来调整反射光、弹道光和多重散射光之间比例的研究成果，尝试仅利用多重散射光生成OCT图像。具体实现思路如图1B所示：在入射光路和成像光路之间加入横向偏移将两者分开，从而避免收集到弹道光。作者将这一方法称为空间偏移OCT(SO-OCT)，并通过实验分析和理论建模对这一思路进行了系统研究。

      作者实验所用的两套OCT系统如图2所示。图2A是一套自行搭建的测试系统，中心波长为800nm，通过透镜L2的平移来实现并控制入射和成像两条光路之间的横向偏移。这一套系统主要用来进行系统研究。图2B是在一套Thorlabs公司的频域OCT的基础上改造得来的，用以证明作者的方法可以在商用系统上通过一定改进来实现。

      在SO-OCT中，作者将后向散射光分为三类：弹道光、多重散射光和漫散射光，其中漫散射光组成图像的背景。作者通过扩展的惠更斯-菲涅尔方程(extended Huygens-Fresnel EHF)阐述了利用入射与成像光路之间的横向偏置分离多重散射光的理论依据。通过理论分析，OCT系统的外差效率因子Ψ可表述为：

      式中的中括号内第一项对应弹道光、第三项对应多重散射光，第二项则是弹道光和多重散射光的混合项。

      图3A展示了常规OCT中，弹道光和多重散射光对成像过程的贡献随着成像深度变化的曲线。结果表明弹道散射在浅层成像中占优，但在深层成像过程中，多重散射光的贡献更大。如图3B所示，作者经过系统研究发现，多重散射取得优势地位的‘成像深度阈值’主要由样品的散射系数决定。入射与成像光路之间的横向偏移s的变化对Ψ的影响如图3C所示。结果表明可以通过调整s来优化不同深度的成像质量，提高对比度噪声比(contrast- to- noise ratio, CNR)。

      作者分别用生物密封膜nescofilm和透明胶对SO-OCT的成像效果进行了研究。图4A到E所用样品为七层nescofilm(单层厚度为120微米)，实验装置如图2A所示。实验时，对应不同深度成像的对比度需求，光路偏移s有四种取值：0、25、50和75微米。与之对应的光电探测器曝光时间分别为：30、48、250、1600微秒，以保证多次测量时同一层的OCT图像亮度一致。从结果可以看出，随着偏移s的增加，‘OCT图像随着深度的衰减’变小，图像质量提高。根据图4A的线性梯度，可以得出SO-OCT在s=0、25、50和75微米时，衰减系数分别为5.5、5.2、3.5和1.2 mm，最多减小了4.6倍。

      图4F到K使用图2B的OCT系统测量多层透明胶。因为该系统是商用产品，没有曝光调整功能，所以将所有实验结果分别以第一层透明胶的亮度为基础做归一化来进行横向对比。用这种方法来做处理时，信号和噪声同比缩放，影响了CNR的改善，导致偏移s的取值范围小于图4A对应的实验，而且图4G到K的图像优化效果看着不明显。但从图4F同样可以看出，‘OCT图像随着深度的衰减’变小。

      根据光的散射原理，当散射粒子的直径远小于光的波长(d≤λ)时，散射特性符合瑞利散射理论，光会向各个方向散射；当散射粒子的直径与波长有一定可比性(d＜λ)时，符合米氏散射，主要是向前方和后方散射；当散射粒子的直径大于波长时(d＞λ)时，用几何光学来表述，光会在一个比较宽的范围内反向散射。因此样品的散射特性也可能会影响SO-OCT的性能。作者在黄油块中200微米深度左右的一个平面内混入大量聚苯乙烯微珠(直径100微米)作为样品，使用图2A所示800nm波长OCT展开实验。其中聚苯乙烯微珠直径远大于波长，产生大范围反向散射；黄油蕴含的脂肪分子则符合米氏散射，即主要是前向和后向散射。实验结果如图5所示，A到C为常规OCT图像，黄油和微珠混在一起，难以分辨；D到F为SO-OCT图像，充分体现出了黄油和微珠的散射特性差异，也证实了SO-OCT确实是以多重散射光为主进行成像的。

      作者使用斑马鱼测试SO-OCT对柔软的生物组织成像的能力。将斑马鱼用福尔马林固定并置于具有磷酸盐缓冲盐水溶液的培养皿中，用800nmOCT系统对背肌和软骨棘成像，结果如图6所示。SO-OCT图像(图6B)的对比度明显优于常规OCT的图像(图6A)，背肌和软骨棘的对比度更高，软骨棘的结构更加清晰。

      作者将斑马鱼嵌入加有直径0.8和0.5微米聚苯乙烯微球的琼脂糖凝胶中来对比常规OCT (s=0微米)和SO-OCT (s=50微米)在深层成像方面的性能，结果如图7所示。图7A和E显示，浅层成像时(深度50微米)常规OCT较好。随着深度的增加，SO-OCT的成像效果逐渐反超。根据浅层成像以弹道散射为主、深层成像以多重散射为主的理论基础，再次证明了SO-OCT主要利用多重散射光成像。从图7A到D可以看到随着深度的增加，传统OCT图像的衰减很明显，而SO-OCT的衰减则要缓和的多。此外，图7D(深度350微米)的传统OCT图中能看到浅层结构的‘阴影’，而图7H中则不存在这样的问题。从图8对CNR的分析可以看出，在250微米左右SO-OCT的CNR提升效果最佳，达到了传统OCT的8.8倍。

      在OCT领域中，因为骨骼和软骨这一类硬质生物材料的强散射性，导致成像深度严重受限，所以相关研究很是少见。但是SO-OCT的主要潜在优点之一是有机会改善高散射介质OCT图像中的CNR。因此，作者使用离体的小鼠股骨来展示SO-OCT在硬质生物组织成像方面的优势和潜力。该实验使用1295nmOCT系统和40微米的偏移，结果如图9A和B所示。首先，SO-OCT图像中深度方向上的信号衰减小于常规OCT图像。骨的上表面和下表面之间的衰减减少超过24 dB。其次，硬骨和骨髓之间的边界更加清晰，骨的下表面可见度更高。最后，作者将SO-OCT系统的偏移分别取0、25、30、35和40微米时，图像在横向上的平均亮度的归一化数值随成像深度的曲线绘制出来，如图9C所示。总体的信号衰减随着偏移量的增加而减小，与图3D所示规律一致。

观点评述

      成像深度问题仍然是OCT技术的主要瓶颈之一。目前主流的研究思路是通过减小多重散射，提取深层的弹道光子或提高弹道光子的传播深度来增加成像深度。该文作者提出了另一种思路：通过改进光路直接利用样品深层的多重散射光来实现OCT成像，从而提高成像深度。

      作者不仅仅搭建了SO-OCT实验平台，对这一新思路进行了验证和系统研究，还改进了商用系统，指明了对已有OCT系统进行升级的可行路线。在实验上兼顾了图像强度随深度衰减的问题、散射特性对系统性能的影响问题，甚至还包括了不常见的骨骼和软骨这样的硬质生物组织成像问题。实验结果展示出SO-OCT具有减小‘图像强度随深度的衰减’，提高深层成像对比度，利用散射特性对特定散射介质成像等优势和应用潜力。

      作者在文章最后提出，根据该文的原理可以通过使用功率随深度增加的结构化光束 (如贝塞尔光束)，来达到类似的成像效果；还可以与自适应光学或光束整形等提高光入射深度的技术相结合进一步提高成像深度。该文的研究成果为OCT的发展指出了一个新的研究方向。