據(jù)麥姆斯咨詢介紹，光學(xué)干涉法是一種高靈敏度的無(wú)創(chuàng)技術(shù)，基于此技術(shù)的光學(xué)相干斷層掃描（OCT）成為一種非常有價(jià)值的臨床診斷工具。OCT將光引導(dǎo)到目標(biāo)組織，檢測(cè)反射信號(hào)并進(jìn)行處理以重建皮下結(jié)構(gòu)圖像。盡管OCT功能強(qiáng)大，但獲取圖像時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致一些內(nèi)窺鏡成像變得不切實(shí)際或無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

啟用新應(yīng)用的關(guān)鍵是提高“A掃描”的速度——在某個(gè)位置獲取深度剖面的速度。在掃頻OCT（SS-OCT）中，光束掃過(guò)一定范圍的波長(zhǎng)，并對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行處理以重建該點(diǎn)的深度輪廓。在感興趣區(qū)域掃描該點(diǎn)以生成皮下組織的3D描述圖。SS-OCT的速度受波長(zhǎng)掃描速率的限制。麻省理工學(xué)院的研究人員領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)多學(xué)科的開(kāi)發(fā)工作，該工作將快速掃頻的激光源集成到理論驗(yàn)證過(guò)的多兆赫茲SS-OCT系統(tǒng)中，展示了全新的臨床成像功能，并為低成本“交鑰匙”的商業(yè)系統(tǒng)鋪平了道路。

（a）光纖耦合內(nèi)窺鏡探頭可通過(guò)兆赫茲級(jí)MEMS-VCSEL可變波長(zhǎng)光源高速掃描周?chē)M織。（b）快速掃描可不使用任何造影劑就能進(jìn)行血管造影成像，圖片為豬食道血管系統(tǒng)圖像。

波長(zhǎng)掃描：僅僅是開(kāi)始

在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院小企業(yè)創(chuàng)新與研究基金會(huì)的資助下，總部位于美國(guó)加州圣塔芭芭拉的Praevium Research公司開(kāi)發(fā)了一種“微機(jī)電系統(tǒng)-垂直腔表面發(fā)射激光器（MEMS-VCSEL）”。該激光器有一個(gè)懸掛于支柱上的MEMS腔反射鏡，下面是增益帶寬光泵浦有源區(qū)。懸掛的MEMS腔反射鏡采用靜電驅(qū)動(dòng)方式，由支柱提供恢復(fù)力。該器件設(shè)計(jì)的支柱非常可靠，可支持高達(dá)1.5MHz的振蕩頻率。反射鏡的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變諧振腔，從而導(dǎo)致波長(zhǎng)掃描超過(guò)100nm。

在SS-OCT中，激光束分成幾束，部分光束指向目標(biāo)組織中折射率變化（例如在細(xì)胞和組織邊界處）的位置并反射回來(lái)。瞬時(shí)返回信號(hào)是從不同深度反射的信號(hào)的疊加。光束的另一部分穿過(guò)參考臂。當(dāng)反射光束和參考光束重新組合時(shí)，所得強(qiáng)度是所有相長(zhǎng)信號(hào)或相消信號(hào)的總和。隨著波長(zhǎng)的掃描，凈強(qiáng)度隨著該波長(zhǎng)的相長(zhǎng)干涉和相消干涉發(fā)生變化，從而形成干涉圖信號(hào)。

在麻省理工學(xué)院的演示中，干涉圖信號(hào)以固定的采樣率收集。如果波長(zhǎng)掃描的波數(shù)相對(duì)于時(shí)間是完全線性的，則可以通過(guò)傅立葉變換將信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度與深度的關(guān)系曲線，這稱(chēng)為A掃描。實(shí)際上，掃描線性度的細(xì)小偏差變得更重要，尤其是在高數(shù)據(jù)速率時(shí)，例如采用每秒2千兆樣本的速度為該應(yīng)用提供所需的成像范圍。因此，在傅立葉變換之前，需要測(cè)量波數(shù)k與時(shí)間的關(guān)系來(lái)校準(zhǔn)信號(hào)。

該測(cè)量通過(guò)集成馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）完成，其信號(hào)與OCT數(shù)據(jù)同時(shí)被捕獲。雖然計(jì)算量很大，但據(jù)新澤西州牛頓市的研究科學(xué)家、麻省理工學(xué)院訪問(wèn)科學(xué)家Ben Potsaid介紹：“加速數(shù)字處理技術(shù)圖形處理單元（GPU）的改進(jìn)，正在實(shí)現(xiàn)以合適的成本對(duì)輸入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。”

正如任何工程系統(tǒng)某一部分被更改，迫使其他部分也需要更改一樣，工程人員必須進(jìn)行權(quán)衡。MEMS-VCSEL具有更快的波長(zhǎng)掃描重復(fù)率，從而迫使采用具有雙通道采集功能的集成馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x，而額外的數(shù)據(jù)則只能由GPU處理。高采集速率還需要由定制設(shè)計(jì)的Thorlabs增強(qiáng)型光放大器提供的更高功率輸出。

A掃描更快，OCT功能更豐富

為了進(jìn)行此演示，研究團(tuán)隊(duì)將2.4MHz和3MHz的OCT掃描速率與三種不同光學(xué)探頭結(jié)合使用。Potsaid說(shuō)：“以前需要長(zhǎng)時(shí)間采集數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)難以成像，如今更快的成像速度讓其成為可能。”例如，OCT血管造影需要快速重復(fù)掃描以檢測(cè)可能與疾病有關(guān)的血管流動(dòng)模式，非常具有挑戰(zhàn)性。該探頭使用穩(wěn)定的無(wú)刷滾珠式直流電動(dòng)機(jī)，以600Hz的頻率旋轉(zhuǎn)棱鏡。例如，這將對(duì)豬下胃腸道的血管進(jìn)行全周掃描，其軸向分辨率約為12μm，橫向分辨率約為30μm，深度約為1.5mm。

麻省理工學(xué)院的博士生Jason Zhang說(shuō)：“我們的初步成果說(shuō)明了多兆赫茲OCT和OCT血管造影術(shù)的可行性，并為未來(lái)基于MEMS-VCSEL技術(shù)的低成本小型化OCT系統(tǒng)提供了方法。”

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