光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT）作為一種非侵入性、非破壞性且具有高分辨率的橫斷面層析光學(xué)成像技術(shù)，自1991年被首次提出后，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)毫米量級(jí)深度的薄層組織的層析測(cè)量，通過光照射樣品不同深度處，利用樣品組織結(jié)構(gòu)折射率變化引起的后向散射光，與參考光干涉形成干涉信號(hào)，經(jīng)探測(cè)器接收并通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為不同深度位置的信息，從而獲取組織的一維深度、二維橫截面及三維結(jié)構(gòu)信息，在皮膚病學(xué)、眼科、呼吸道、腸胃和材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

偏振敏感OCT（PSOCT）是OCT技術(shù)發(fā)展的重要方向，它基于OCT技術(shù)，可探測(cè)偏振光輻射樣品后不同深度處偏振態(tài)的改變情況，并通過計(jì)算表征樣品的偏振特性，如相位延遲和退偏等。自1992年被提出以來，PSOCT在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展，已成為非侵入性臨床診斷的重要方法，例如用于口腔鱗狀細(xì)胞癌組織成像、皮膚燒傷程度評(píng)估、人體肺部腫瘤評(píng)估、牙齒齲齒研究、視網(wǎng)膜成像檢測(cè)和風(fēng)濕病診斷等。

然而，傳統(tǒng)PSOCT系統(tǒng)存在一些問題。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，干涉儀輸出端的干涉信號(hào)通常需通過水平和垂直偏振通道進(jìn)行測(cè)量，這往往需要使用兩個(gè)獨(dú)立的光譜儀相機(jī)，這不僅增加了系統(tǒng)體積和成本，還要求硬件和軟件間嚴(yán)格同步觸發(fā)，以確保兩個(gè)相機(jī)采集信號(hào)時(shí)無時(shí)間延遲，同時(shí)需要保證兩個(gè)電荷耦合器件（CCD）的響應(yīng)度高度一致。因此，單光譜儀的PSOCT成為發(fā)展趨勢(shì)，眾多研究團(tuán)隊(duì)也在不斷探索實(shí)現(xiàn)單光譜儀PSOCT的方法，但這些方法存在各種局限性，如對(duì)光譜儀改造難度大、偏振分束器導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_、需要復(fù)雜算法消除共軛圖像影響等。

南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院胡燕趙團(tuán)隊(duì)提出了一種單相機(jī)雙參考臂微米譜域偏振OCT系統(tǒng)，其既可實(shí)現(xiàn)分時(shí)探測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探測(cè)，且避免了上述問題，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)室樣本偏振信息的分析提供了新方法。

理論基礎(chǔ)
一、單模光纖與偏振控制器的協(xié)同作用
1.解決偏振態(tài)不穩(wěn)定問題
偏振光在光纖中傳播時(shí)，其偏振態(tài)可能會(huì)因單模光纖的偏振特性不穩(wěn)定而隨機(jī)變化，這就好比一個(gè)原本有序前行的隊(duì)伍，在通過一條崎嶇不平的道路時(shí)會(huì)變得混亂無序。為了解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)采用了單模光纖和偏振控制器的組合。

單模光纖如同一條特殊的管道，為光的傳播提供了路徑，而偏振控制器則像是管道中的導(dǎo)航儀，能夠?qū)ζ�振態(tài)進(jìn)行精確控制。通過調(diào)整偏振控制器，如PC1、PC2、PC3和PC4的協(xié)同工作，可以模擬出四分之一波片的效果，從而穩(wěn)定偏振光的偏振態(tài)。

2.系統(tǒng)穩(wěn)定性與成像質(zhì)量的提升
這種組合不僅減少了偏振狀態(tài)的隨機(jī)變化，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的偏振態(tài)對(duì)于獲取準(zhǔn)確的成像結(jié)果至關(guān)重要，就像在拍攝一張高清照片時(shí)，穩(wěn)定的相機(jī)能夠避免畫面模糊一樣。在系統(tǒng)中，穩(wěn)定的偏振態(tài)有助于提高成像的分辨率和清晰度，使得我們能夠更清晰地觀察生物組織內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)。

二、瓊斯矩陣與斯托克斯模型的理論闡釋
1.瓊斯矩陣對(duì)光傳播的精確描述
瓊斯矩陣在分析光在系統(tǒng)中的傳播過程中起著關(guān)鍵作用。從光源出射的光經(jīng)線偏振器后成為垂直線偏振光，其電矢量有特定的表達(dá)式。當(dāng)光束經(jīng)過光纖耦合器、參考臂中的各種光學(xué)元件以及樣品時(shí)，瓊斯矩陣能夠精確地描述光的偏振態(tài)如何在這些過程中發(fā)生變化。

2.系統(tǒng)穩(wěn)定性與成像質(zhì)量的提升
斯托克斯矢量則為我們提供了一種量化光偏振特性的方法。它包含四個(gè)實(shí)數(shù)參數(shù)，能夠全面地描述光的偏振態(tài)，包括偏振度和偏振均勻度等重要信息。

在實(shí)際樣本中，光可能是非偏振光或部分偏振光，斯托克斯矢量能夠準(zhǔn)確地捕捉到這些復(fù)雜的偏振情況。例如，在生物組織中，由于組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，光在傳播過程中會(huì)發(fā)生多次散射，導(dǎo)致偏振態(tài)的改變，斯托克斯矢量可以通過計(jì)算偏振度和偏振均勻度等參數(shù)，量化這種偏振態(tài)的變化程度，從而為我們提供關(guān)于生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性的重要信息。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
一、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的架構(gòu)與組成部件
1.各部件的功能與協(xié)同工作
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)鍵部件構(gòu)成，它們各司其職又協(xié)同合作，共同完成成像任務(wù)。光源是系統(tǒng)的能量提供者，采用低時(shí)間相干光源，其出射光譜波長(zhǎng)范圍為410-2400nm，為成像提供了豐富的光信息。二向色鏡就像一個(gè)光的分揀員，將不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行分離，反射特定波長(zhǎng)的光進(jìn)入后續(xù)光路。

偏振片則負(fù)責(zé)將光轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪本�偏振光，為后續(xù)的偏振相關(guān)操作奠定基礎(chǔ)。非偏振分束器、掃描振鏡、物鏡、透鏡和反射鏡等部件在協(xié)同工作中，實(shí)現(xiàn)光的準(zhǔn)直、聚焦、反射和掃描等功能，確保光能夠準(zhǔn)確地照射到樣品上并收集后向散射光。光譜儀部分的準(zhǔn)直透鏡、透射式光柵、衍射光柵、聚焦透鏡和CCD相機(jī)則負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行采集和處理。

2.系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)與優(yōu)化
系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)經(jīng)過精心優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的成像。這種設(shè)計(jì)不僅使系統(tǒng)體積更小，還減小了激光寬帶光源的色散對(duì)系統(tǒng)分辨率的影響。光在光路中經(jīng)過多次反射、折射和聚焦，每一個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)過精確計(jì)算和調(diào)整，確保光能夠按照預(yù)定的路徑傳播并與樣品發(fā)生相互作用。

例如，透鏡的焦距、光柵的刻線密度等參數(shù)都經(jīng)過優(yōu)化選擇，以實(shí)現(xiàn)最佳的光信號(hào)分離和聚焦效果。同時(shí)，光路中的各種光學(xué)元件的位置和角度也都經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)整，以確保光的偏振態(tài)和強(qiáng)度在傳播過程中得到精確控制，從而提高成像的質(zhì)量和分辨率。

二、偏振控制的實(shí)現(xiàn)機(jī)制
1.偏振控制對(duì)成像的重要意義
精確的偏振控制對(duì)于獲取高質(zhì)量的成像結(jié)果具有決定性意義。不同的偏振態(tài)能夠反映生物組織內(nèi)部不同的結(jié)構(gòu)和特性信息，通過精確控制偏振態(tài)，我們可以選擇性地探測(cè)和突出組織中的特定結(jié)構(gòu)或成分。

例如，在某些生物組織中，特定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)或蛋白質(zhì)成分可能對(duì)特定偏振態(tài)的光有更強(qiáng)的散射或反射，通過調(diào)整偏振態(tài)，我們可以增強(qiáng)這些結(jié)構(gòu)或成分在成像中的對(duì)比度，從而更清晰地觀察和分析它們。同時(shí)，精確的偏振控制還可以減少噪聲和干擾，提高成像的信噪比，使我們能夠獲取更準(zhǔn)確、更可靠的生物組織信息。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
一、單通道分時(shí)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)
1.牛腱肉組織成像分析
早期利用偏振熒光顯微鏡測(cè)量生物分子轉(zhuǎn)動(dòng)特征，如1990年Florine-Casteel成像單層囊泡測(cè)量脂質(zhì)順序；羰花青染料常用于標(biāo)記膜類結(jié)構(gòu)，1979年Axelord研究其在紅細(xì)胞膜中的取向；1990年Dix等測(cè)量細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)粘度；2013年Wang等測(cè)量COS-7細(xì)胞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)；2023年Zhang等研究淀粉樣蛋白-脂質(zhì)相互作用，對(duì)研究神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機(jī)制意義重大。

在單通道分時(shí)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，以牛腱肉組織為樣本，我們獲得了一系列有價(jià)值的成像結(jié)果。圖（a）和（b）分別展示了牛腱肉組織水平通道和垂直通道的強(qiáng)度圖，從這些強(qiáng)度圖中，我們可以看到樣品內(nèi)部纖維呈均勻分布狀態(tài)。然而，這種單通道強(qiáng)度圖所提供的微觀結(jié)構(gòu)信息相對(duì)較少，就像我們透過一層模糊的玻璃觀察物體，只能看到大致輪廓。

而圖（c）是通過斯托克斯參數(shù)合成的強(qiáng)度圖，與單通道強(qiáng)度圖相比，整體信號(hào)有所增強(qiáng)。這就好比我們打開了一盞更亮的燈，讓我們能夠看到更多細(xì)節(jié)。進(jìn)一步觀察圖（d），這是根據(jù)計(jì)算模型得到的樣品相位延遲的深度分辨圖像，其中交叉偏振信息反映了樣本的雙折射特性。我們可以清晰地看到牛腱肉內(nèi)部的層狀纖維結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的分層圖案，這表明光在組織內(nèi)深度方向上的相位延遲呈周期性變化。這種周期性變化就像一種獨(dú)特的 “指紋”，為我們識(shí)別和分析生物組織的結(jié)構(gòu)和特性提供了重要線索。

圖（e）為牛腱肉組織的退偏圖，退偏特性是光在生物組織中多次散射引起的，其取值范圍為0-1。當(dāng)DOPU為0時(shí)，表示光完全退偏，當(dāng)DOPU為1時(shí)，表示光仍然是完全偏振態(tài)。退偏圖像反映了光在生物組織中多次散射后的強(qiáng)度，由于生物組織結(jié)構(gòu)不均勻特性的隨機(jī)性，退偏特性能夠描述生物組織結(jié)構(gòu)變化的某種空間相關(guān)特征。例如，在組織中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜或不均勻的區(qū)域，光的退偏程度可能會(huì)更高，通過退偏圖我們可以直觀地觀察到這些區(qū)域的分布和變化情況。

二、雙通道實(shí)時(shí)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的成果
1.實(shí)驗(yàn)前的校準(zhǔn)與信號(hào)處理
在進(jìn)行雙通道實(shí)時(shí)探測(cè)實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)兩個(gè)正交通道的信號(hào)進(jìn)行尺寸校正與對(duì)準(zhǔn)處理是至關(guān)重要的一步。如圖（a）所示，校準(zhǔn)前兩個(gè)通道（channel 1和channel 2）的縱斷面信號(hào)曲線峰值位置錯(cuò)開，這意味著兩個(gè)通道的信號(hào)存在偏差，可能會(huì)影響后續(xù)的成像結(jié)果。通過一系列精確的校準(zhǔn)操作，包括調(diào)整光學(xué)元件的位置、參數(shù)等，我們使兩個(gè)通道的信號(hào)達(dá)到了匹配校準(zhǔn)狀態(tài)。

校準(zhǔn)后再次繪制同一幀位置處的水平和垂直通道的縱斷面信號(hào)曲線（如圖（b）所示），可以看到虛線框內(nèi)的峰值位置對(duì)齊且峰值強(qiáng)度大小大致相同，表明兩個(gè)正交通道信號(hào)匹配校準(zhǔn)完畢。盡管兩個(gè)通道的縱斷面信號(hào)曲線的峰值位置相同，但由于光纖和其他投射元件的不完全匹配，峰值和曲線輪廓仍存在一些差異，這導(dǎo)致水平和垂直通道探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)有差異。不過，斯托克斯合成方法的應(yīng)用巧妙地對(duì)兩個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行了補(bǔ)充，使得我們能夠獲得對(duì)比度較高的強(qiáng)度圖，就像將兩幅略有差異的拼圖組合在一起，形成了一幅更完整、更清晰的畫面。

2.雞胸肉組織成像結(jié)果解讀
選取離體雞胸肉組織進(jìn)行雙通道實(shí)時(shí)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，我們得到了如圖所示的成像結(jié)果。圖（a）為利用PS-SDOCT系統(tǒng)重建出的雞胸肉組織的強(qiáng)度圖，從圖中可以清晰地看到組織的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分布情況。圖（b）為雞胸肉組織相位延遲的深度分辨圖像，對(duì)傅里葉逆變換（FFT）處理后的信號(hào)進(jìn)行深度分離后，雖然每個(gè)通道可用的像素?cái)?shù)量減少了一半，組織中的成像深度也減小為分時(shí)探測(cè)的一半，但條紋的走向仍與組織表面平行，這充分驗(yàn)證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)探測(cè)的成像性能。

在實(shí)驗(yàn)過程中，兩個(gè)參考臂的光路長(zhǎng)度差異導(dǎo)致垂直和水平偏振光之間產(chǎn)生光程差，我們利用這一光程差分離傅里葉空間輸出平面上兩個(gè)正交偏振光束分量的OCT圖像，使得兩個(gè)通道的OCT圖像分別位于CCD相機(jī)的上下兩側(cè)。在提取樣本的偏振信息時(shí)，通過在兩個(gè)通道處截取相同的信號(hào)，使兩個(gè)通道的光譜像素一一對(duì)應(yīng)，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙通道實(shí)時(shí)探測(cè)實(shí)驗(yàn)不僅能夠快速獲取生物組織的圖像信息，還能夠準(zhǔn)確地反映組織的偏振特性，為生物組織的研究和診斷提供了有力的工具。

總結(jié)與展望
生物組織的偏振特性能夠揭示其獨(dú)特特性，如雙折射特性和退偏特性等。搭建的微米分辨率譜域PSOCT系統(tǒng)，可非侵入地重建生物組織樣本深度分辨的各向同性強(qiáng)度圖像以及各向異性偏振參數(shù)圖像。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)SDOCT系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入?yún)⒖急郏瑢?shí)現(xiàn)了偏振模塊功能擴(kuò)展，既能通過分時(shí)探測(cè)分別檢測(cè)水平和垂直偏振通道干涉信號(hào)，又能通過實(shí)時(shí)探測(cè)將兩個(gè)正交通道干涉信號(hào)成像在相機(jī)不同區(qū)域。

偏振成像技術(shù)在臨床診斷應(yīng)用中面臨降低系統(tǒng)成本和提高成像速度的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)PSOCT系統(tǒng)存在諸多問題，而提出的單光譜儀單相機(jī)雙參考臂微米分辨率譜域PSOCT系統(tǒng)可解決這些問題，實(shí)現(xiàn)分時(shí)和實(shí)時(shí)探測(cè)。離體樣本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和理論模型的正確性，為臨床診斷提供了新的偏振成像方法。未來工作重點(diǎn)將是基于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)活體實(shí)時(shí)成像并推動(dòng)其在臨床診斷中的應(yīng)用。同時(shí)，目前系統(tǒng)在定量評(píng)價(jià)成像性能方面存在不足，如通過調(diào)整偏振控制器實(shí)現(xiàn)最大偏振抑制比的方法無法定量評(píng)估系統(tǒng)性能，后續(xù)需研究信噪比和調(diào)整誤差對(duì)偏振參數(shù)測(cè)量的影響，還可考慮用保偏光纖替代單模光纖提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，并對(duì)單模光纖移動(dòng)等因素導(dǎo)致的系統(tǒng)偏振特性變化進(jìn)行測(cè)量分析，為技術(shù)臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于：胡燕趙, 高萬榮. 偏振敏感及強(qiáng)度雙通道光學(xué)相干層析成像方法研究[J]. 中國(guó)激光, 2024, 51(15): 1507105.