全场OCT以牺牲共焦性换取速度
全场傅里叶域光学相干层析成像(FF-FD-OCT)用相机并行成像整个横向区域,而不是扫描聚焦光斑。这种并行方式带来极高的体成像速率,但也失去了点扫描OCT用来抑制离焦光和多次散射光的共焦门。来自系统或样品深部的像差会扭曲点扩散函数并降低信噪比(SNR)。
论文的答案是计算重建这一门控。通过在多个斜向照明下采集体数据,可在后期处理中合成数字共焦体,这一思想最初在反射矩阵成像(RMI)框架内提出。作者指出,此前的实现多为时域、离轴,或基于迈克尔逊干涉仪,因而降低了灵敏度、速度和可用空间带宽积(SBP)。
马赫-曾德尔结构保住可用空间带宽积
系统采用马赫-曾德尔干涉仪结构。扫频激光源(880 nm至805 nm)的光经光纤耦合器分为物光和参考臂。在物光臂中,双轴振镜通过4f系统成像到样品上,因此可在不改变照明区域位置的情况下改变照明角度。独立的参考准直器在相机上提供固定参考波。
采集快速且密集:每次扫频和每个扫描器位置,在768×768传感器像素上以65,000 fps记录500幅干涉图,有效A线速率为73 MHz,即每秒18.3吉体素。每个样品共采集128个体数据,每个对应不同扫描器位置,遵循费马螺旋模式,另采集128个轴上体数据用于对比。所有数据均在数值孔径0.13下采集。作者称该配置可最优利用SBP,有效采集吞吐量最多提升四倍。
剪切校正把斜视数据对齐成一体
斜向照明在每个深度引入相位梯度,在原始重建中表现为剪切:同一层的不同横向位置会沿轴向偏移,偏移量与照明方向成正比。物理上这源于相机平面上物光与参考波之间光程差的横向差异。
作者在沿波数轴做傅里叶变换前施加共轭相位梯度进行补偿,这同时在各次测量间重新对齐物体的横向空间频率内容。将这些剪切校正后的场按照明角度求和,即得到数字共焦体。论文指出,该剪切校正相当于物理扫描参考光瞳的计算对应物,但由于可在后期处理中对k空间补零,光瞳可无混叠地平移,从而获得最多四倍的视场或分辨率。
最小二乘优化与CLASS算法等价
论文将散射和像差表述为超定系统,从而得到交替最小二乘问题的闭式解。由此得到的迭代优化等价于当前最先进的单次散射闭环累积(CLASS)算法。CLASS最大化像差校正场的相干和,而该和只有在像差被完全校正时才达到最大。
未优化的初始估计(未施加任何校正)等于此前的CASS图像。每次迭代随后校正观测场,使其更接近共同物体估计,从而对它们进行相位对齐。在透镜组织演示中,优化通常在几次迭代后收敛,但全局运行了100次迭代,局部运行了20次。
测试靶中分辨率翻倍且信噪比提升
在USAF靶中,系统的理论分辨率为λ/4NA = 1.54 µm,对应第8组第3号元素(1.55 µm),这是优化数字共焦正面图中仍可分辨的最小元素。传统FF-FD-OCT只能分辨第7组第3号元素(3.10 µm)。论文称这符合预期的横向分辨率翻倍。
在透镜组织中,优化数字共焦图像显示出更好的图像质量和更高的SNR,而在198×198 µm等晕块、49 µm重叠上的局部优化在整个视场内产生一致质量。作者将透镜组织中15 dB的SNR增益几乎全部归因于输入像差校正,因为该处输出像差较弱。他们还报告优化图像相比轴上相干平均有显著SNR提升,并将其归因于更好地抑制了相位随照明变化的自相关和多次散射噪声。
深度相关像差需要逐层顺序估计
在PSF模体中,输入和输出像差先在表面估计,再应用于每个深度。点散射体随深度增加而模糊,在介质内0.3 mm和0.6 mm深度(折射率n = 1.5)恢复的像差显示出深度相关的离焦。输入像差中的偏心离焦表明照明光瞳与探测光瞳之间存在失准。
从表面向下逐层校正,将深度z处估计的光瞳函数作为深度z+1的初始估计,可在整个体内恢复强信号,并使散射体在所有深度均可分辨。论文指出,最小二乘优化容易收敛到局部极小、极大、鞍点或局部规范自由度;在最大深度处,若无初始估计则无法恢复像差,反而收敛到斑点状解。
模型眼质量取决于照明配准精度
对于模型眼,探测到的物光场的傅里叶变换被设置为与眼瞳重合,因为大部分像差预计出现在该处。作者将照明矢量的理论值与通过其配准流程获得的值进行比较。使用配准值提高了估计像差的分辨率,并产生SNR更好的优化正面图,揭示了模型眼的纹理,而使用理论值则不然。
在99 µm × 99 µm块、25 µm重叠上的局部优化使散射体更清晰可辨,但也抬高了空白区域的噪声,以增加动态范围的红色插图显示。论文将此归因于算法在最大化相干和时未区分信号与噪声,并提出稀疏促进正则化,或用邻近块的估计替换斑点状输出像差作为可能的缓解措施。
缺少单次散射信号时数字共焦优势消失
论文自身的比较确定了优先级:对于优化数字共焦图像质量,校正输入像差与校正输出像差同等重要。在输出像差较弱的透镜组织中,改善几乎全部归因于输入校正。运动给每个体数据带来随机相位,阻碍单次散射分量的相干求和,且原则上与输入像差无法区分。
斜向照明相比传统FF-FD-OCT的优势来自相干求和过程中多次散射和自相关噪声的部分抵消,因为它们的相位随照明变化。当单次散射信号缺失或极弱时,这一优势消失,正如在模型眼空白区域所观察到的。作者还指出,该结构因采用马赫-曾德尔光纤耦合配置而不兼容多模照明;扫描会改变体数据间的照明相位前沿,超出预期梯度;强烈的在体样品运动将独特地扰动每个孔径内的相位;而支持动态应用(如光视网膜成像)的高体成像速率在一定程度上丧失。处理时间方面,初始重建、配准、剪切校正和对齐在3分钟内完成,模型眼体数据的完整优化(90层,每层2304个32×32像素等晕块,20次迭代)在128 GB内存和NVIDIA RTX 4090的机器上耗时不到19分钟。
本文引用的文献
Digital confocal imaging in holographic optical coherence tomography at high space-bandwidth product
一种马赫-曾德尔配置的斜照明全场傅里叶域OCT系统在后期处理中合成数字共焦体,相比传统FF-FD-OCT横向分辨率翻倍并提升SNR,其最小二乘优化等价于CLASS算法。
