通过光学相干断层扫描模拟技术来确定不同生物体视网膜各层的折射率

时间:2025年10月11日
来源:Optik

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光学相干断层扫描(OCT)技术通过模拟干涉图和计算层厚度,首次获取了人类、猴、牛及犬视网膜各层的折射率,验证了方法在跨物种组织分析中的可靠性。

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Hassan Pakarzadeh | Masoumeh Gharibshahi
伊朗设拉子理工大学物理系

摘要

光学相干断层扫描(OCT)是一种非侵入性成像技术,能够生成不均匀生物组织的二维(2D)或三维(3D)图像,在眼科领域得到广泛应用。本研究通过模拟OCT干涉图来提取人类、猴子、牛和狗视网膜各层的折射率。利用超高斯光源,根据预先定义的层厚度计算了视网膜关键层的折射率,包括神经纤维层(NFL)、内丛状层和神经节细胞层(IPL+GCL)、内核层(INL)、外丛状层(OPL)、外核层和感光细胞内段(ONL+PIS)以及感光细胞外段(POS)。模拟结果显示,例如,人类、猴子、牛和狗的NFL折射率分别为1.376、1.374、1.380和1.355。通过将OCT干涉图中的峰值位置与已知视网膜层的实际厚度进行匹配,验证了这些数值的准确性。该方法为实验数据有限的样本提供了可靠的折射率测定方法。

引言

光学相干断层扫描(OCT)由David Huang于1991年提出,并由James Fujimoto命名,是医学成像领域的一项相对较新的技术[1]。OCT利用低相干光源产生的光干涉现象,具有高分辨率和非侵入性特点。标准OCT的分辨率为10-15微米,而特殊光源可将其提高至1-5微米[2][3]。该技术可实现横截面成像,穿透深度取决于具体的OCT装置,通常为2-3毫米。OCT最初应用于眼科[4],近年来在心脏病学[5][6]、皮肤病学[7]、胃肠病学[8]、血糖检测[9][10]以及眼病诊断[11]等多个医学领域展现出潜力。
OCT能够在不破坏组织的情况下,精确获取特定位置和时间的组织病理信息。OCT通常使用宽带光源,如宽带荧光光源、Ti:Al₂O₃激光器[12]、具有红外波段的飞秒KLM激光器、激光二极管等[13]。最初,OCT主要用于眼科成像,目前在该领域仍具有最显著的应用价值[14]。该技术能够实现对眼睛前段的非侵入性和非接触式成像,并详细显示视网膜的形态结构,包括视腔和视盘[15][16]。
与替代技术相比,光学方法因成本效益高和安全性好而在医学领域占据重要地位。OCT技术的最新进展使其能够成像不透明组织,适用于多种医学领域。成像深度受组织吸收和散射的影响,但通常可在大多数组织中达到2至3毫米的深度,这与常规组织学观察到的尺度相当。尽管OCT的成像深度可能不及超声,但其分辨率比标准临床超声高出10到100倍[17]。
尽管OCT技术取得了显著进展,但关于不同物种视网膜层折射率的精确数据仍较为有限。这些数据对于改进成像系统模拟和增强背散射信号的解释至关重要。本文通过模拟OCT干涉图,提取了人类、猴子、牛和狗等物种视网膜各层的折射率。利用超高斯光源和分析算法,根据预设的层厚度确定了各层的折射率。这些数据有助于更准确地建立眼睛的光学模型,从而提高眼病诊断和治疗的精度。

OCT的理论框架

OCT是一种用于生物组织高分辨率横截面成像的先进技术,尤其在眼科领域得到广泛应用[18]。其原理基于干涉测量,利用红外波长范围内的两束光之间的干涉现象。图1展示了OCT系统的示意图。
激光器发出的光通过分光器分为参考光束和样本光束。参考光束被镜子反射,而样本光束

模拟结果与讨论

本节以一个包含四层(顶部空气层除外)的测试样本开始,各层的折射率和厚度列于表1中。该测试样本的目的是验证我们的模型能否准确预测折射率。结果如图3所示,图中考虑了一个具有预设厚度和折射率的四层测试样本(见表1)。随后,在时间域(图3(a))和频率域进行了OCT模拟

结论

本文的主要目标是模拟OCT图像干涉图,并获取人类、猴子、牛和狗等不同生物体各视网膜层的折射率。为此,通过对超高斯光源的OCT图像进行时间和频率域的干涉图模拟,研究了不同视网膜样本,并在假设已知层厚度的情况下获得了各层的折射率。

资助情况

本文未获得任何资助。

CRediT作者贡献声明

Masoumeh Gharibshahi:撰写初稿、可视化处理、验证、方法设计、数据分析、概念构建。 Hassan Pakarzadeh:审稿与编辑、验证、项目管理、方法设计、数据分析、概念构建。

利益冲突

作者声明不存在任何可能影响本文研究的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

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