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，在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它能夠?qū)崿F(xiàn)對毫米量級深度的薄層組織的層析測量，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，經(jīng)探測器接收并通過計(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、皮膚燒傷程度評估、人體肺部腫瘤評估、牙齒齲齒研究、視網(wǎng)膜成像檢測和風(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通常需通過水平和垂直偏振通道進(jìn)行測量，這往往需要使用兩個獨(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)，以確保兩個相機(jī)采集信號時無時間延遲，同時需要保證兩個電荷耦合器件（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，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，如對光譜儀改造難度大、偏振分束器導(dǎo)致信號串?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)分時探測，也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時探測，且避免了上述問題，同時也為實(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，其偏振態(tài)可能會因單模光纖的偏振特性不穩(wěn)定而隨機(jī)變化，這就好比一個原本有序前行的隊(duì)伍，在通過一條崎嶇不平的道路時會變得混亂無序。為了解決這個問題，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，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，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，采用低時間相干光源，其出射光譜波長范圍為410-2400nm，為成像提供了豐富的光信息。二向色鏡就像一個光的分揀員，將不同波長的光進(jìn)行分離，反射特定波長的光進(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)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號并進(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)最佳的光信號分離和聚焦效果。同時，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.偏振控制對成像的重要意義
精確的偏振控制對于獲取高質(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比度，從而更清晰地觀察和分析它們。同時，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、單通道分時探測實(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量生物分子轉(zhuǎn)動特征，如1990年Florine-Casteel成像單層囊泡測量脂質(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等測量細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)粘度；2013年Wang等測量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。

在單通道分時探測實(shí)驗(yàn)中，以牛腱肉組織為樣本，我們獲得了一系列有價值的成像結(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，表示光完全退偏，當(dāng)DOPU為1時，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)時探測實(shí)驗(yàn)的成果
1.實(shí)驗(yàn)前的校準(zhǔn)與信號處理
在進(jìn)行雙通道實(shí)時探測實(shí)驗(yàn)之前，對兩個正交通道的信號進(jìn)行尺寸校正與對準(zhǔn)處理是至關(guān)重要的一步。如圖（a）所示，校準(zhǔn)前兩個通道（channel 1和channel 2）的縱斷面信號曲線峰值位置錯開，這意味著兩個通道的信號存在偏差，可能會影響后續(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，我們使兩個通道的信號達(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曲線（如圖（b）所示），可以看到虛線框內(nèi)的峰值位置對齊且峰值強(qiáng)度大小大致相同，表明兩個正交通道信號匹配校準(zhǔn)完畢。盡管兩個通道的縱斷面信號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到的信號強(qiáng)度也會有差異。不過，斯托克斯合成方法的應(yīng)用巧妙地對兩個通道的信號進(jìn)行了補(bǔ)充，使得我們能夠獲得對比度較高的強(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)時探測實(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，對傅里葉逆變換（FFT）處理后的信號進(jìn)行深度分離后，雖然每個通道可用的像素?cái)?shù)量減少了一半，組織中的成像深度也減小為分時探測的一半，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)時探測的成像性能。

在實(shí)驗(yàn)過程中，兩個參考臂的光路長度差異導(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正交偏振光束分量的OCT圖像，使得兩個通道的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，通過在兩個通道處截取相同的信號，使兩個通道的光譜像素一一對應(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)時探測實(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�，�?shí)現(xiàn)了偏振模塊功能擴(kuò)展，既能通過分時探測分別檢測水平和垂直偏振通道干涉信號，又能通過實(shí)時探測將兩個正交通道干涉信號成像在相機(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)分時和實(shí)時探測。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)時成像并推動其在臨床診斷中的應(yīng)用。同時，目前系統(tǒng)在定量評價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估系統(tǒng)性能，后續(xù)需研究信噪比和調(diào)整誤差對偏振參數(shù)測量的影響，還可考慮用保偏光纖替代單模光纖提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，并對單模光纖移動等因素導(dǎo)致的系統(tǒng)偏振特性變化進(jìn)行測量分析，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]. 中國激光, 2024, 51(15): 1507105.