同轴明场和暗场自适应光学光学相干断层扫描

《Optics & Laser Technology》：Coaxial bright and dark field adaptive optics optical coherence tomography

　　

具有同轴明场和环形暗场模式的CBAD-AO-OCT（同轴明暗场自适应光学光学相干断层扫描）系统克服了深度与对比度之间的权衡。研究人员推导了异色混合效率因子，首次阐明了通过同轴双路径设计克服散射的机制。采用45°棒状反射镜的同轴设计分离了直接光与散射光；暗场中的AO（自适应光学）校正了静态像差。暗场模式在全轴向分辨率下揭示了更深层的结构；融合处理减少了散斑噪声，这在禽类肌肉和骨骼图像上得到了验证。

**论文解读：同轴明暗场自适应光学光学相干断层扫描系统研究**

**研究背景与问题**
光学相干断层扫描（OCT）作为高分辨率、非侵入性、深度分辨的生物组织显微成像技术，已在眼科、皮肤病学、口腔医学、心血管疾病及植物科学等领域广泛应用，并拓展至光学元件无损检测和半导体器件检查。然而，传统OCT系统在强散射生物组织中的成像深度受限，主要原因在于其对称数值孔径（NA）配置——照明与检测采用相同NA，使得相干门只能筛选单次背向散射光子，而弹道光子信号随深度呈指数衰减。同时，OCT固有的空间相干性导致散斑噪声，掩盖结构细节并降低图像质量。在临床和临床前研究中，对散射环境中深层组织结构的成像需求日益增长。为克服这些限制，研究者开发了多种策略，如波前整形、双轴OCT（DA-OCT）和空间偏移OCT（SO-OCT），但这些非共轴方法往往涉及复杂的光学对准，牺牲了成像速度和光子效率。
在此背景下，研究人员基于前期对共轴明暗场（CBAD）结构的研究，提出了第二代共轴明暗场自适应光学OCT（CBAD-AO-OCT）系统，通过在暗场支路集成可变形反射镜（DM）来校正固有静态像差，保持系统紧凑性的同时提升深度信号保留能力。该研究发表于《Optics》。

**关键技术方法**
研究人员采用了三种主要技术方法：
1. 基于扩展惠更斯-菲涅耳模型（extended Huygens-Fresnel model）的时空干涉分析，推导了明场和暗场的外差效率因子，验证了暗场对深部散射信号的敏感性。
2. 傅里叶光学分析（Fourier optics analysis），将明场视为低通滤波、暗场视为环形高通滤波，模拟了空间频率响应和分辨率特性。
3. 蒙特卡罗光子模拟（Monte Carlo photon simulation），追踪光子在不同数值孔径下的传播行为，验证了环形暗场孔径对广角背向散射光子的收集效率。
样本来源为离体禽类翼组织（软组织）和禽类骨骼（硬组织），无临床队列数据。

**研究结果**

**2.1 基于惠更斯-菲涅耳模型的时空干涉分析**
通过扩展Huygens-Fresnel模型导出明场和暗场的外差效率因子表达式（ψ_b和ψ_d），发现暗场信号在约1 mm深度处超越明场，且增大照明半径可延缓暗场信号衰减，但会引入更大像差。实际系统选择1 mm光束半径作为最佳权衡。

**2.2 基于傅里叶光学的成像特性研究**
傅里叶光学模拟表明，明场作为低通滤波器主要捕获轴向背向散射光子，暗场通过环形高数值孔径收集广角散射光，提供高频结构信息。融合图像对比度（C=2.50）高于明场（C=1.50）和暗场（C=2.02），且通过非相关散斑分布抑制了散斑噪声。

**2.3 明暗场配置下的蒙特卡罗OCT光子模拟**
蒙特卡罗模拟显示，增大检测数值孔径可提高暗场环形孔径的光子收集效率。在深层组织中，暗场模式能捕获因散射角较大而无法进入明场孔径的微弱背向散射光子，从而保持较高信号质量。

**2.4 信噪比表征**
理论信噪比（SNR）为99.07 dB，实测灵敏度为97.3 dB，明暗场通道灵敏度一致。

**2.5 透明胶带仿体的深度增强**
对多层透明胶带成像，暗场模式下将检测孔径从2 mm增至5 mm显著提升了深层信号保留率，且暗场图像具有更清晰的边缘和层间过渡。

**2.6 微球模型中的对比度与分辨率增强**
对嵌入琼脂糖的100 μm聚苯乙烯微球成像，自适应光学校正后暗场模式捕获了更多各向同性散射光子，校正后的图像分辨率和锐度均优于未校正图像。

**2.7 软组织成像：禽类翼组织**
在离体禽类翼组织中，暗场成像的对比噪声比（CNR）从明场的0.18提升至0.26，经自适应光学校正和加权融合后CNR达0.34。有效成像深度延长0.145 mm（相对强度>100 a.u.），表明暗场可恢复深层微弱背向散射信号。

**2.8 硬组织成像：禽类骨骼**
离体禽类骨骼成像中，自适应光学校正后暗场CNR从0.19 dB（明场）升至0.20 dB，融合后CNR达0.22。有效成像深度延长0.142 mm，证实消除静态像差可从高散射介质中提取更高质量的结构信息。

**讨论与结论**
研究人员开发的CBAD-AO-OCT系统利用传统配置中未被充分利用的广角背向散射光，通过45°棒状反射镜的同轴结构解耦照明与检测NA，实现明暗场信号同步采集。无波前传感器自适应光学模块校正暗场固有静态像差，确保高耦合效率。明暗场图像分别包含不同角度范围的背向散射空间频率信息，融合后生成高分辨率、高对比度OCT图像。系统中心波长为850 nm，未来可延至更长波长以提升成像深度。当前局限包括光谱域OCT固有的深度信号滚降以及动态活体组织中的运动伪影问题。
结论：研究人员开发并验证了CBAD-AO-OCT系统，通过解耦照明与检测，同步获取明场和暗场信号，有效收集背向散射光子。暗场中的无波前传感器自适应光学成功补偿了系统固有静态像差，使环形检测接近衍射极限。在软硬组织实验中，通过去散斑图像融合有效提高了深层组织的CNR。该研究证明，使用850 nm中心光源的共轴明暗场设计结合自适应光学，可在不牺牲分辨率的情况下从深层组织中提取微弱散射信号，为复杂生物介质的高对比度成像提供了新策略，并有望扩展至长波长临床应用。