偏振敏感及强度双通道光学相干层析成像方法研究

光学相干层析技术（OCT）作为一种非侵入性、非破坏性且具有高分辨率的横断面层析光学成像技术，自1991年被首次提出后，在多个领域得到了广泛应用。它能够实现对毫米量级深度的薄层组织的层析测量，通过光照射样品不同深度处，利用样品组织结构折射率变化引起的后向散射光，与参考光干涉形成干涉信号，经探测器接收并通过计算转化为不同深度位置的信息，从而获取组织的一维深度、二维横截面及三维结构信息，在皮肤病学、眼科、呼吸道、肠胃和材料科学等领域发挥着重要作用。

偏振敏感OCT（PSOCT）是OCT技术发展的重要方向，它基于OCT技术，可探测偏振光辐射样品后不同深度处偏振态的改变情况，并通过计算表征样品的偏振特性，如相位延迟和退偏等。自1992年被提出以来，PSOCT在医学领域的应用不断拓展，已成为非侵入性临床诊断的重要方法，例如用于口腔鳞状细胞癌组织成像、皮肤烧伤程度评估、人体肺部肿瘤评估、牙齿龋齿研究、视网膜成像检测和风湿病诊断等。

然而，传统PSOCT系统存在一些问题。在传统系统中，干涉仪输出端的干涉信号通常需通过水平和垂直偏振通道进行测量，这往往需要使用两个独立的光谱仪相机，这不仅增加了系统体积和成本，还要求硬件和软件间严格同步触发，以确保两个相机采集信号时无时间延迟，同时需要保证两个电荷耦合器件（CCD）的响应度高度一致。因此，单光谱仪的PSOCT成为发展趋势，众多研究团队也在不断探索实现单光谱仪PSOCT的方法，但这些方法存在各种局限性，如对光谱仪改造难度大、偏振分束器导致信号串扰、需要复杂算法消除共轭图像影响等。

南京理工大学电子工程与光电技术学院胡燕赵团队提出了一种单相机双参考臂微米谱域偏振OCT系统，其既可实现分时探测，也可实现实时探测，且避免了上述问题，同时也为实验室样本偏振信息的分析提供了新方法。

理论基础
一、单模光纤与偏振控制器的协同作用
1.解决偏振态不稳定问题
偏振光在光纤中传播时，其偏振态可能会因单模光纤的偏振特性不稳定而随机变化，这就好比一个原本有序前行的队伍，在通过一条崎岖不平的道路时会变得混乱无序。为了解决这个问题，本系统采用了单模光纤和偏振控制器的组合。

单模光纤如同一条特殊的管道，为光的传播提供了路径，而偏振控制器则像是管道中的导航仪，能够对偏振态进行精确控制。通过调整偏振控制器，如PC1、PC2、PC3和PC4的协同工作，可以模拟出四分之一波片的效果，从而稳定偏振光的偏振态。

2.系统稳定性与成像质量的提升
这种组合不仅减少了偏振状态的随机变化，还提高了系统的稳定性。稳定的偏振态对于获取准确的成像结果至关重要，就像在拍摄一张高清照片时，稳定的相机能够避免画面模糊一样。在系统中，稳定的偏振态有助于提高成像的分辨率和清晰度，使得我们能够更清晰地观察生物组织内部的细微结构。

二、琼斯矩阵与斯托克斯模型的理论阐释
1.琼斯矩阵对光传播的精确描述
琼斯矩阵在分析光在系统中的传播过程中起着关键作用。从光源出射的光经线偏振器后成为垂直线偏振光，其电矢量有特定的表达式。当光束经过光纤耦合器、参考臂中的各种光学元件以及样品时，琼斯矩阵能够精确地描述光的偏振态如何在这些过程中发生变化。

2.系统稳定性与成像质量的提升
斯托克斯矢量则为我们提供了一种量化光偏振特性的方法。它包含四个实数参数，能够全面地描述光的偏振态，包括偏振度和偏振均匀度等重要信息。

在实际样本中，光可能是非偏振光或部分偏振光，斯托克斯矢量能够准确地捕捉到这些复杂的偏振情况。例如，在生物组织中，由于组织结构的不均匀性，光在传播过程中会发生多次散射，导致偏振态的改变，斯托克斯矢量可以通过计算偏振度和偏振均匀度等参数，量化这种偏振态的变化程度，从而为我们提供关于生物组织内部结构和特性的重要信息。

实验系统
一、实验系统的架构与组成部件
1.各部件的功能与协同工作
实验系统由多个关键部件构成，它们各司其职又协同合作，共同完成成像任务。光源是系统的能量提供者，采用低时间相干光源，其出射光谱波长范围为410-2400nm，为成像提供了丰富的光信息。二向色镜就像一个光的分拣员，将不同波长的光进行分离，反射特定波长的光进入后续光路。

偏振片则负责将光转变为垂直线偏振光，为后续的偏振相关操作奠定基础。非偏振分束器、扫描振镜、物镜、透镜和反射镜等部件在协同工作中，实现光的准直、聚焦、反射和扫描等功能，确保光能够准确地照射到样品上并收集后向散射光。光谱仪部分的准直透镜、透射式光栅、衍射光栅、聚焦透镜和CCD相机则负责将光信号转化为电信号并进行采集和处理。

2.系统的光路设计与优化
系统的光路设计经过精心优化，以实现高效、准确的成像。这种设计不仅使系统体积更小，还减小了激光宽带光源的色散对系统分辨率的影响。光在光路中经过多次反射、折射和聚焦，每一个环节都经过精确计算和调整，确保光能够按照预定的路径传播并与样品发生相互作用。

例如，透镜的焦距、光栅的刻线密度等参数都经过优化选择，以实现最佳的光信号分离和聚焦效果。同时，光路中的各种光学元件的位置和角度也都经过严格调整，以确保光的偏振态和强度在传播过程中得到精确控制，从而提高成像的质量和分辨率。

二、偏振控制的实现机制
1.偏振控制对成像的重要意义
精确的偏振控制对于获取高质量的成像结果具有决定性意义。不同的偏振态能够反映生物组织内部不同的结构和特性信息，通过精确控制偏振态，我们可以选择性地探测和突出组织中的特定结构或成分。

例如，在某些生物组织中，特定的细胞结构或蛋白质成分可能对特定偏振态的光有更强的散射或反射，通过调整偏振态，我们可以增强这些结构或成分在成像中的对比度，从而更清晰地观察和分析它们。同时，精确的偏振控制还可以减少噪声和干扰，提高成像的信噪比，使我们能够获取更准确、更可靠的生物组织信息。

实验结果
一、单通道分时探测实验的发现
1.牛腱肉组织成像分析
早期利用偏振荧光显微镜测量生物分子转动特征，如1990年Florine-Casteel成像单层囊泡测量脂质顺序；羰花青染料常用于标记膜类结构，1979年Axelord研究其在红细胞膜中的取向；1990年Dix等测量细胞细胞质粘度；2013年Wang等测量COS-7细胞细胞膜结构；2023年Zhang等研究淀粉样蛋白-脂质相互作用，对研究神经退行性疾病发病机制意义重大。

在单通道分时探测实验中，以牛腱肉组织为样本，我们获得了一系列有价值的成像结果。图（a）和（b）分别展示了牛腱肉组织水平通道和垂直通道的强度图，从这些强度图中，我们可以看到样品内部纤维呈均匀分布状态。然而，这种单通道强度图所提供的微观结构信息相对较少，就像我们透过一层模糊的玻璃观察物体，只能看到大致轮廓。

而图（c）是通过斯托克斯参数合成的强度图，与单通道强度图相比，整体信号有所增强。这就好比我们打开了一盏更亮的灯，让我们能够看到更多细节。进一步观察图（d），这是根据计算模型得到的样品相位延迟的深度分辨图像，其中交叉偏振信息反映了样本的双折射特性。我们可以清晰地看到牛腱肉内部的层状纤维结构呈现出不同的分层图案，这表明光在组织内深度方向上的相位延迟呈周期性变化。这种周期性变化就像一种独特的 “指纹”，为我们识别和分析生物组织的结构和特性提供了重要线索。

图（e）为牛腱肉组织的退偏图，退偏特性是光在生物组织中多次散射引起的，其取值范围为0-1。当DOPU为0时，表示光完全退偏，当DOPU为1时，表示光仍然是完全偏振态。退偏图像反映了光在生物组织中多次散射后的强度，由于生物组织结构不均匀特性的随机性，退偏特性能够描述生物组织结构变化的某种空间相关特征。例如，在组织中结构较为复杂或不均匀的区域，光的退偏程度可能会更高，通过退偏图我们可以直观地观察到这些区域的分布和变化情况。

二、双通道实时探测实验的成果
1.实验前的校准与信号处理
在进行双通道实时探测实验之前，对两个正交通道的信号进行尺寸校正与对准处理是至关重要的一步。如图（a）所示，校准前两个通道（channel 1和channel 2）的纵断面信号曲线峰值位置错开，这意味着两个通道的信号存在偏差，可能会影响后续的成像结果。通过一系列精确的校准操作，包括调整光学元件的位置、参数等，我们使两个通道的信号达到了匹配校准状态。

校准后再次绘制同一帧位置处的水平和垂直通道的纵断面信号曲线（如图（b）所示），可以看到虚线框内的峰值位置对齐且峰值强度大小大致相同，表明两个正交通道信号匹配校准完毕。尽管两个通道的纵断面信号曲线的峰值位置相同，但由于光纤和其他投射元件的不完全匹配，峰值和曲线轮廓仍存在一些差异，这导致水平和垂直通道探测到的信号强度也会有差异。不过，斯托克斯合成方法的应用巧妙地对两个通道的信号进行了补充，使得我们能够获得对比度较高的强度图，就像将两幅略有差异的拼图组合在一起，形成了一幅更完整、更清晰的画面。

2.鸡胸肉组织成像结果解读
选取离体鸡胸肉组织进行双通道实时探测实验，我们得到了如图所示的成像结果。图（a）为利用PS-SDOCT系统重建出的鸡胸肉组织的强度图，从图中可以清晰地看到组织的结构和强度分布情况。图（b）为鸡胸肉组织相位延迟的深度分辨图像，对傅里叶逆变换（FFT）处理后的信号进行深度分离后，虽然每个通道可用的像素数量减少了一半，组织中的成像深度也减小为分时探测的一半，但条纹的走向仍与组织表面平行，这充分验证了系统实时探测的成像性能。

在实验过程中，两个参考臂的光路长度差异导致垂直和水平偏振光之间产生光程差，我们利用这一光程差分离傅里叶空间输出平面上两个正交偏振光束分量的OCT图像，使得两个通道的OCT图像分别位于CCD相机的上下两侧。在提取样本的偏振信息时，通过在两个通道处截取相同的信号，使两个通道的光谱像素一一对应，确保了数据的准确性和可比性。这些实验结果表明，双通道实时探测实验不仅能够快速获取生物组织的图像信息，还能够准确地反映组织的偏振特性，为生物组织的研究和诊断提供了有力的工具。

总结与展望
生物组织的偏振特性能够揭示其独特特性，如双折射特性和退偏特性等。搭建的微米分辨率谱域PSOCT系统，可非侵入地重建生物组织样本深度分辨的各向同性强度图像以及各向异性偏振参数图像。该系统在传统SDOCT系统基础上引入参考臂，实现了偏振模块功能扩展，既能通过分时探测分别检测水平和垂直偏振通道干涉信号，又能通过实时探测将两个正交通道干涉信号成像在相机不同区域。

偏振成像技术在临床诊断应用中面临降低系统成本和提高成像速度的挑战。传统PSOCT系统存在诸多问题，而提出的单光谱仪单相机双参考臂微米分辨率谱域PSOCT系统可解决这些问题，实现分时和实时探测。离体样本实验验证了实验系统和理论模型的正确性，为临床诊断提供了新的偏振成像方法。未来工作重点将是基于该系统实现活体实时成像并推动其在临床诊断中的应用。同时，目前系统在定量评价成像性能方面存在不足，如通过调整偏振控制器实现最大偏振抑制比的方法无法定量评估系统性能，后续需研究信噪比和调整误差对偏振参数测量的影响，还可考虑用保偏光纤替代单模光纤提高系统稳定性，并对单模光纤移动等因素导致的系统偏振特性变化进行测量分析，为技术临床应用奠定基础。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：胡燕赵, 高万荣. 偏振敏感及强度双通道光学相干层析成像方法研究[J]. 中国激光, 2024, 51(15): 1507105.