據(jù)麥姆斯咨詢介紹，光學干涉法是一種高靈敏度的無創(chuàng)技術，基于此技術的光學相干斷層掃描（OCT）成為一種非常有價值的臨床診斷工具。OCT將光引導到目標組織，檢測反射信號并進行處理以重建皮下結(jié)構(gòu)圖像。盡管OCT功能強大，但獲取圖像時間長，導致一些內(nèi)窺鏡成像變得不切實際或無法實現(xiàn)。

啟用新應用的關鍵是提高“A掃描”的速度——在某個位置獲取深度剖面的速度。在掃頻OCT（SS-OCT）中，光束掃過一定范圍的波長，并對反射信號進行處理以重建該點的深度輪廓。在感興趣區(qū)域掃描該點以生成皮下組織的3D描述圖。SS-OCT的速度受波長掃描速率的限制。麻省理工學院的研究人員領導了一項多學科的開發(fā)工作，該工作將快速掃頻的激光源集成到理論驗證過的多兆赫茲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)窺鏡探頭可通過兆赫茲級MEMS-VCSEL可變波長光源高速掃描周圍組織。（b）快速掃描可不使用任何造影劑就能進行血管造影成像，圖片為豬食道血管系統(tǒng)圖像。

波長掃描：僅僅是開始

在美國國立衛(wèi)生研究院小企業(yè)創(chuàng)新與研究基金會的資助下，總部位于美國加州圣塔芭芭拉的Praevium Research公司開發(fā)了一種“微機電系統(tǒng)-垂直腔表面發(fā)射激光器（MEMS-VCSEL）”。該激光器有一個懸掛于支柱上的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)動方式，由支柱提供恢復力。該器件設計的支柱非?？煽?，可支持高達1.5MHz的振蕩頻率。反射鏡的運動會改變諧振腔，從而導致波長掃描超過100nm。

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

在麻省理工學院的演示中，干涉圖信號以固定的采樣率收集。如果波長掃描的波數(shù)相對于時間是完全線性的，則可以通過傅立葉變換將信號轉(zhuǎn)換為強度與深度的關系曲線，這稱為A掃描。實際上，掃描線性度的細小偏差變得更重要，尤其是在高數(shù)據(jù)速率時，例如采用每秒2千兆樣本的速度為該應用提供所需的成像范圍。因此，在傅立葉變換之前，需要測量波數(shù)k與時間的關系來校準信號。

該測量通過集成馬赫曾德爾干涉儀（MZI）完成，其信號與OCT數(shù)據(jù)同時被捕獲。雖然計算量很大，但據(jù)新澤西州牛頓市的研究科學家、麻省理工學院訪問科學家Ben Potsaid介紹：“加速數(shù)字處理技術圖形處理單元（GPU）的改進，正在實現(xiàn)以合適的成本對輸入的數(shù)據(jù)流進行實時處理。”

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，工程人員必須進行權(quán)衡。MEMS-VCSEL具有更快的波長掃描重復率，從而迫使采用具有雙通道采集功能的集成馬赫曾德爾干涉儀，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計的Thorlabs增強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

為了進行此演示，研究團隊將2.4MHz和3MHz的OCT掃描速率與三種不同光學探頭結(jié)合使用。Potsaid說：“以前需要長時間采集數(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?！崩?，OCT血管造影需要快速重復掃描以檢測可能與疾病有關的血管流動模式，非常具有挑戰(zhàn)性。該探頭使用穩(wěn)定的無刷滾珠式直流電動機，以600Hz的頻率旋轉(zhuǎn)棱鏡。例如，這將對豬下胃腸道的血管進行全周掃描，其軸向分辨率約為12μm，橫向分辨率約為30μm，深度約為1.5mm。

麻省理工學院的博士生Jason Zhang說：“我們的初步成果說明了多兆赫茲OCT和OCT血管造影術的可行性，并為未來基于MEMS-VCSEL技術的低成本小型化OCT系統(tǒng)提供了方法?！?/p>

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