合并后的多重二极管宽带.doc

合并后的多重二极体宽带光源在1300nm高分辨率的光学相干断层扫描王辉，迈克尔w 金，安德鲁若琳生物医学工程部门,凯斯西储大学,俄亥俄州克利夫兰44106,美国2007年5月18日接收，并于2007年7月30日收到修改文件; 2007年8月通过接受。摘要 我们证明了一个紧凑的,便宜,而且可靠,具有广阔fiber-coupled光源带宽和足够的激励的1300nm高分辨率的光学相干断层扫描(OCT)成像在实时应用。通过四个,具有不同波长的分二极体(SLED)，光源中部有一个带宽145nm中心波长在1325nm，超过10 mw的激励。30个离体阶段的小鸡胚胎心的图片组合雪橇光源( 5 um轴向组织分辨率)进行了比较,结果表明:与一个单一的SLED光源(10 um纵向组织分辨率)。高分辨率的组合SLED光源的OCT系统提供了更好的图像质量(较小的散斑噪声)和更大的能力去观察在胚胎心脏的精细结构。爱什维尔B.V. 2007年保留所有权利。1.介绍 光学相干断层扫描的表现，有微米级、无损伤的活体检查生物组织形态学,已成功地应用于临床自光学相干断层扫描是基于低频-相干干涉技术,这个轴向图像分辨率由光源的带宽和中心波长决定。假设一个光源以呈Gaussian-like谱的形状，纵向分辨率z可以表示为0:44= 其中是光源的中心波长，是带宽在全宽度最大(全宽半高带宽)。 轴向分辨率在组织小于5 nm的高分辨率OCT 在1300nm已经被证实使用不同的方法1-7。以较高的轴向分辨率的OCT图像清楚地表明改进的图像质量取决于散斑大小和显示更精细结构更高的对比的能力，这可以很大的提高在临床诊断的可能 5。通常的宽带光源进行OCT成像在1300um的产生就是抽一个纤维 要么是飞秒（femotosecond）激光器或高功率连续的波(CW型)激光器2、4、8。宽频谱显示从发生在纤维的非线性效应被称为超连续发生(SCG)。然而,SCG存在一些局限性的临床应用。首先,这飞秒激光器粗大,昂贵的和需要细心维护运转平稳。第二,采用有限元飞秒粗大激光脉冲输出结果,必须如此耦合至纤维在自由的空间,从而使该系统不方便和静止的。第三,一些SCG光有较强的多余的噪声来源4号、9号它限制系统的灵敏度。可能在不久的将来纤维飞秒激光将提供一个良好的解决方案,如果一个合适的纤维用于抽样6、7、10。然而,当前光纤飞秒激光器的使用受限制于这方面的应用。对于稳定的OCT系统，光二极管光源是首选,因为他们廉价,紧凑,运行可靠,并具有低噪声。当用OCT成像不透明的组织,中心波长1300nm的光二极管为首选，因为他们比以短波长为中心的光二极管更加深入渗透。不幸的是,其中心波长大约1300nm单一的光二极管带宽，限制到接近40-75nm。导致OCT轴向图像分辨率在空气中是12-15um(在组织中是9-12un)。最近，带宽在150nm，中心聚焦在1.0-1.2um采用量子点的光二极管(QDSLED)已经被证实。然而,QDSLED的输出功率仍然限于1兆瓦并且商业不可用的。 施密特提出了一种提高OCT图像质量的方法。通过结合发光二极管(LED)抵消中心波长在1300nm和通过2个发光二极管来展示OCT成像。这次演示结果表明OCT成像在空气中的纵向分辨率大约为10um,但是光功率输出低。我们注意到一个宽带光源,结合了四种光二极管最近在向商业中开发,(Q1350-HP SuperlumDiodes Ltd）,然而,另一方面,据我们所知,实证了这个光源用于OCT成像中尚未被报告过。同样,两个大约800nm的光二极管被组合在一起，为了实现一种超高分辨率,对视网膜OCT成像，但并适合不透明的样品。在本文中,我们展示了一种中心为1300nm的OCT光源进行高分辨率OCT成像,由4个光二极管组成，利用光纤耦合器和电流的调谐抵消光学上的中心波长。与带宽为145nm,和超过10兆瓦的输出功率,结合的光二极管是基于光纤的、可靠的,结构紧凑的,并且可以很容易地集成到一个OCT系统。一个30个小鸡胚胎心的OCT成像过程，使用组合的光源和一个单一的光二极管，通过使用相同的仪器和样品来对比。2. 方法和结果新组合的宽带光二极管光源是通过组合四个拥有独立的激励的光纤二极管产生的。为了产生一个最小波纹可能的宽带干扰频谱,每一组的光二极管根据他们的中心波长和输出功率被选中。结合的布局图1的显示。S1325(Inphenix、美国)有有着1300nm的中心波长,和大约70nm的全宽半高带宽以及一个15mw的输出功率。S1325有相似的规范，像光二极管一样普遍的被单一的使用在OCT系统中。图1 .施密特OCT系统和一个结合光二极管光源的宽带，进行高分辨率的OCT成像。PD:光电探测器；环形器；TD光学延迟线；FC光纤耦合器;Ga振镜扫描仪。 光二极管S1355(Denselight、新加坡)有着1350nm的中心波长,和50nm半宽全高的带宽,以及15mw的输出功率。第三和第四的光二极管(S1265和S1380)是由WT&T(加拿大)标准定制,并有1265nm至1380nm的中心波长。S1265和S1380的中心波长可调谐超过10nm的范围。每个二极管的光谱被显示在图2a。 四个光二极管与三个宽带光纤耦合器(FCs)的配合使用。S1325和S1355通过组合利用FC(FC1)达到80:20的分光比。被选来做光滑混合光谱图形。S1355被用于填充S1265和S1380之间的间隙。S1270和S1380通过组合用于分光比为50:50宽带光纤耦合器(FC2)。FC2和FC1的输出,然后然后又组合应用于另一个分光比为50:50的宽带光纤耦合器(FC3)来产生最终输出图谱。通过调整S1265和S1380的输入电流。我们优化了小波纹和最大输出功率的混合光谱来解释文中的这个问题。通过调整和S1380和S1265的输入电流,我们优化了小波纹和最大输出功率的混合光谱。图2.单独的光二极管(a)光二极管光谱的用途组合。根据输出功率光谱的测量。(b)测量的点扩展函数和每一个二极管的相干长度。这个混合光谱的图像在图3a。最后的输出信号频谱的半宽全高带宽为145nm,输出功率超过10mw,波纹小于1dB。一种时域OCT系统(见图1),建立了相干函数测量和显示光源OCT成像性能。结合宽带源的耦合成一个分光比为50:50的光纤耦合器(FC4),然后分裂成一个参考臂和样品臂。在样品臂,光是平行的,然后聚焦在样品上。在参考臂,一振镜与立方体反射镜是用来产生一个时延。从样品和参考臂回来的光汇合到探测器上。OCT信号被放大,在被样检和显示前，经带通滤波器和对数解调。3毫米的延迟线以15赫兹重复速率进行扫描。滤波器的中心频率被设置成300千赫60赫兹的带宽。 通过随着样品，利用镜子来测量相干函数来表征系统性能。每个光二极管的相干函数被测量和画在图2b。最短的相干长度(13 um)由S1325测定,体现了典型常用的光二极管的相干长度用于OCT中。图3a显示了相干函数混合图谱。图3.混合的光二极管:(一)光二极管的混合光谱显示图1(a),(b)测量的点扩展函数混合光谱和(c)测量解调的点扩展函数在对数尺度。在空气中测量为650um的相干长度,对应于在组织中轴点扩展函数为5um的相干长度。相比之下,典型单二极管光源,混合的光二极管提高了轴向分辨率近半,甚至能与展示的SCG产生的宽带光源相比。然而,组合后的光二极管光源是更紧凑,便宜,可靠和便携。尽管这个光谱很小,但观察旁瓣也可以看到相干功能。这些出现的主要归因于混合光谱的矩形形状。图3c展示了对数型解调的信号。这绘制依比例决定，反应56dB衰减的样品臂。这参考臂的功率,以最大限度地优化了其敏感性,即样品臂102 dB，功率为3mw。横向分辨率大约是12 um，是由样品臂的扫描仪的棱镜组测定而来。图4.OCT图像的小鸡胚胎心在离体阶段30的状态图。(a)OCT图像获得与组合光二极管的光源(在组织中轴向分辨率为5um)。(2400(h)x1000(v)pixel,2mm4mm)(b)OCT图像获得与一个单一的光二极管光源(在组织中纵向分辨率是9.5um)。(2400(h)x1000(v)pixel,2mm(h)x4mm(v) (9Xa)的九倍放大的图片在相同的盒子区域(a)。 (9X b)9倍放大的图片在相同的盒子区域(b)。LV:左心室,RV:右心室;TR:骨小梁周围可见。 图4展示的OCT图像是离体小鸡胚胎心在阶段30发展状况。图4a的箭头指向位于心脏的骨小梁周围可见图。图4a是这样获得的:使用组合的宽带光源与在组织中的一个纵向分辨率4.8um激光束。作为对比，在图4b的OCT图像是由这样获得的：进行特性分析使用单一光二极管(S1325)与在组织中轴向分辨率9.6um激光束。已获得的图像是2mmx4mm(轴向x径向),2400x1000像素。对于单个的光二极管的图像,在样品上的功率是1.2mw。为了保持相同的灵敏性采集,在样品上的功率混合光二极管相同的衰减水平。除了功率、样品光学仪器都保持一致,两者兼备采集。图4 的9Xa和9Xb有9次放大,区域的图像分别在图4a和b。 高分辨率影像图4a和9Xa与低分辨率图像在图4b和9Xb很清晰的展现。具体地说,(a)图的散斑大小只是（b）图的一半，归因于使用较短的相干长度、小梁精细结构更好的定义与更高的对比度和峰缘。这些差别对于高质量的图像分辨率来说是很重要的，降低散斑噪声、改善细胞分裂结构的参与。3. 讨论与结果 这个混合宽带光源在这里证实,四个二极管实现了从不同供应。他们都很紧凑、可靠、轻便。这个光源唯一的弊端是相干函数的旁瓣效应。旁瓣效应大多归因于矩形谱的形状取得，当多个光二极管相结合时候。我们优化了波纹,以小于1 dB仔细选择该组件二极管,调节功率和中心波长的。如图4的表现中,旁瓣足够小,也就是说他们在不透明的组织不会明显成像，和图像对比度不受损害。如果有必要,通过数字图谱修饰旁瓣可能会有进一步的减少。 另一个限制这个光源的是其低效率。如有需要的，每个光纤耦合器,结合使用光二极管被限制在平均50%的损失。约10mw输出的光源表明四个混合光二极管的光功率输出总量的25%。其中10mw低于光学可利用的输出(例如光二极管S1325)。OCT成像有丰富的实时,并高于先前证明的宽带LED或SLED的组合。 光源的带宽可以更进一步整合扩展或在两边的光谱提高SLED宽度。然而,扩大光谱超过1400nm并不好，由于在1400nm有强水吸收峰点,这导致光谱在组织中会有极大的衰减。商业可用的多重SLEDS(Q1350-HP有限公司),有一个短相干长度在空气中大约4.5 um对应到一个带宽的230nm。然而,由于中心波长约为1375nm,明显的成分光谱超出1400nm,可以预计将在生物组织严重衰减。此外光功率限于5mw。延伸光谱短于1250nm可以很好的利用。但是将取决于在这个波长范围的光二极管的利用能力。 总之,通过四个组合的光二极管基础上，我们已经证明了宽带光源,结合高分辨率的OCT图像。这个平滑的光谱有着145nm带宽,和超过10mw的输出功率。实测相干长在空气中大约为6.5um（在组织中是4.8um),使在单个的光二极管中OCT成像的纵向分辨率能够达到其一半值。光源的分辨率行为类似于以前展示的宽带光源,加大纤维飞秒激光器功率，例如Cr:fosterite激光器，但价格便宜、更紧凑,更强的可移植性。为直观比较,在相同的条件下或得，两幅图像不同的轴向分辨率。新光源的高分辨成像可提高精细结构的能见度。在实时执行OCT时，该光源可能适合OCT成像在生物医学中的应用,尤其是临床上的应用。声明 这项工作是由美国国家卫生研究院(R24CA110943-01),PTAP支持。并进行相关设备构想的实施，其支持来自格兰特数量 RR12463-01 C06来自国家中心为研究资源,国立卫生研究院。参考文献1 B.E. 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