光学相干层析成像(OCT)能够在10μm分辨率下获得实时的断层图像。新一代的高分辨率OCT，称为微光学相干断层扫描术，在轴向和横向两个维度上增加了OCT的分辨率，能将分辨率提高到1μm的尺度。然而，尽管空间分辨率得到了改善，但一些重要的细微组织特征仍然是看不见的，因为OCT图像会被相干检测系统固有的颗粒状斑点混淆。为了减少斑点噪声，提出了一种新的多角度复合OCT(MCOPT)成像系统，使用具有多通道光谱仪配置的均匀角光纤阵列，实现多光纤角度复合光学相干断层扫描：多面光纤阵列以不同的入射角向样品提供三束光束。三束光束的背反射/背散射信号分别由三通道光谱仪同时检测。对大鼠食道进行了离体实验，证明了在不牺牲分辨率和灵敏度的情况下，该系统的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)，对比度噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)和等效视数(equivalent number of looks, ENL)都得到了显著地改善。MFOCT系统如图1(a)所示，图1(b)演示了角度抛光和角度分集，以及角抛光光纤阵列尖端的图像。蓝色箭头表示在当前设置中使用的有源信道。图1(c)为光谱仪多通道排列示意图。

图 1

图中L1-11，透镜；BS1，非偏振立方体分束器；SMF1-3，单模光纤；M1-3，参考镜；ID1-3，虹膜光阑；G，光栅；GS，GALVO扫描仪；P1-3，偏振控制器；FC1-3，50:50光纤耦合器；FS1-3，熔融石英色散补偿器。

系统近红外(NIR)照明由宽带超连续光源(Supercontinuum Source SC-OEM，YSL，Wuhan Yangtze Soton Laser Co.，Ltd)提供，频谱范围为400-2400nm，总输出功率>8W。所有大于1000nm的光束被短通滤波器(DMSP1000，Thorlabs Inc.)滤掉。用70:30(R：T)非偏振立方分束器(BS1)讲光束分成两束，然后使用50:50光纤耦合器(Thorlabs Inc.，TW850-R5A2)进一步分成第二和第三通道，将每个光束输入至三个迈克尔逊干涉仪。通道1,2和3的功率分别为30％，35％和35％。在每个通道中，我们使用额外的50:50光纤耦合器来分离参考臂和样品臂。所有三个通道的样品臂纤维均以V型槽阵列(VGA1)端接(VGA-8-127-0-X-14.4-4.0-2.03-S-780-5/125-3A-1-2-0.5-NF780HP，Wavelength Opto-Electronic)，间距127μm。调整参考纤维长度以匹配相应样品纤维的长度，并通过使用熔融硅块进一步补偿色散。在参考臂上使用三个桨式偏振控制器来调整偏振并最大化干涉条纹可见性。

如图1(b)所示，VGA1的通道1,2和3相对于水平轴(6390.1D，ULTRAPOL)在-8°，0°和8°角进行了角度抛光。此外，所有三个通道相对于垂直轴以8度抛光。在台式探头中，所有三个光束均由消色差透镜(L8，AC050-010-B，Thorlabs Inc.)准直，通过振镜扫描仪重定向，由物镜(AC050-016-B，Thorlabs Inc.)聚焦到理论全宽半最大直径为3.4μm的点。从每个通道获得的干扰信号被导入VGA2(VGA-8-250-0-X-14.4-4.0-2.03-S-780-5/125-3A-1-2-.5-NF780HP，Wavelength Opto-Electronic)通过2×2光纤耦合器并在进入光谱仪之前用消色差(L9，AC127-025-B-ML，Thorlabs Inc.)进行准直。

三通道光谱仪由1765线/毫米光栅(PING-Sample-020，Ibsen photonics)，相机镜头(Canon, EF85毫米/1.2II)和三线相机(EV71YM3-VCL4010-BAO，ELiiXA3V)组成。来自每个通道的信号由单独的CMOS线性阵列分别检测。VGA2从水平方向旋转1.35度，产生20微米的垂直偏移，以匹配CMOS阵列的分离。使用3600像素来检测带宽为165nm的信号。其中光谱以12位bit数字化，并通过相机链接电缆和图像采集板(KBN-PCE-CL4-F，Bitflow)传输到计算机。摄像机和振镜扫描仪都通过计算机生成的5kHz触发信号进行同步。对每个通道独立地执行标准OCT图像处理(如背景减法，插值和从波长到k空间的映射和傅里叶变换)。通过扫描和匹配标准USAF-1951分辨率目标来校准横向偏移，调整参考镜位置补偿轴向偏移。最后，将不同角度的图像线性地复合并以对数标度显示。对于完美的高斯光谱，在860nm中心波长165nm带宽的理论轴向分辨率将是2μm。由于非高斯光源光谱和相机响应的组合效应，实际轴向分辨率略微降低。如图2所示，对于三个通道，实验轴向分辨率分别测量为2.6,2.9和3.2μm。

图 2

光谱仪未对准和光谱校准差异会带来轴向分辨率的差异。因此测量横向分辨率为大约3.48μm。为了表征系统的灵敏度，我们使用由14dB中性密度滤波器衰减的反射镜样本(14dB反射率)来测量SNR。样品和参考镜之间的路径长度差异保持在50μm。在180μs曝光下，每个通道的样品平均入射功率约为5mW。每个摄像机线传感器的灵敏度分别测量为98.5dB，100.1dB和99.8dB。对大鼠食道的离体成像实验以10Hz的帧速率进行，每通道每帧512行。解剖野生型大鼠食道新鲜组织，保持在PBS溶液中并在处死后1小时内成像。获得具有315×315(轴向×横向)像素的图像尺寸的OCT图像，对应于600×430μm。

图3比较了没有使用(左)和使用(右)角度复合技术获得的图像。还用不同的帧数N＝1,3,30和100实现空间复合，并将其散斑抑制效果与角复合效应进行了比较。N＜10时，由空间复合赋予的散斑减少量最小，斑点在该窗口内保持很大的相关性。N＝30时，层间对比度提高，斑点减少效果更明显。值得注意的是，在单个帧中通过合成由三个单独信道获得的图像实现了可比较的斑点减少结果。通过对不同帧的角复合图像进行平均，即使单个帧也能观察到更好的图像对比度和信噪比。

图 3

图4比较了从单个通道(a)和多通道(b)获得的图像，两者均在三个相邻帧上平均。

图 4

在图4(b)中，大鼠食道的分层结构更加明显。使用公认的散斑减少性能指标对图4中的食道图像质量进行评估，包括SNR，CNR和ENL。CNR给出感兴趣区域和背景噪声区域之间的对比度，而ENL测量斑点破坏的同质区域的平滑度：

其中S²_lin和σ²_lin分别为OCT图像背景噪声区域的尺寸和线性方差。μ_b和σ_b²是噪声区域的均值和对数化方差。μ_r和σ_r²是整个OCT图像的均值和对数化方差。

如表1所示与单通道所成图像相比，在没有损失分辨率情况下，角度复合图像的SNR提高了1.51dB，CNR改善了1.58，ENL也有2.53倍的显着改善。图像质量的这些进步对于细胞和亚细胞结构的可视化特别有用，这些结构受到散斑噪声的影响最大。

表 1

最后，在该方案的基础上通过进一步的设计优化还可以提高性能。首先，127μm光纤纤芯间隔使得三个光束在通过探针准直透镜后以这样的发散角传播，需要具有大孔径的物镜来包围所有三个输入光束。其次，散斑减少效果随着通道数量而变化，在当前设置中仅为3。通过用类似于文献1中，更紧凑的多波束内窥镜探头配置或多芯光纤替换光纤阵列，可以解决这两个问题。这些方法将增加光纤密度，增加通道数量并减小不同通道之间的空间，以及实现更紧凑和灵活的成像探头。此外，该方案中使用了相对较低的成像速度，这对于大多数体内应用来说是不够的。可以通过改进采集和显示程序的成像来解决该数据吞吐量问题。增加的通道数量，不同通道之间的空间减小以及改进的数据采集速度将改善该技术的实施的技术可行性并且对体内临床转化研究作出显着贡献。

文献1: A. S. Beau, K. C. L. Kenneth, M. Adrian, R. M. Nigel, K. K. L. Michael, X. D. Y. Victor, and I. A. Vitkin, Phys. Med. Biol. 55, 615 (2010).

来自DONGYAO CUI <Multifiber angular compounding optical coherence tomography for speckle reduction>