光學(xué)相干層析技術(shù)它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號(hào)，通過(guò)掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。

 

相比其它一些成像技術(shù)，例如超聲成像、核磁共振成像(MRI)、X-射線計(jì)算機(jī)斷層(CT)等，OCT 技術(shù)具備與之相比較高的分辨率(幾微米級(jí))，同時(shí)，與共聚焦顯微(、多光子顯微技術(shù)等超高分辨技術(shù)相比，OCT 技術(shù)又具有與之相比較大的層析能力?？梢哉f(shuō) OCT 技術(shù)填補(bǔ)了這兩類成像技術(shù)之間的空白。

 

光學(xué)相干層析成像的結(jié)構(gòu)及基本原理

 

 

光學(xué)相干層析成像基于干涉儀原理，利用近紅外弱相干光照射到待測(cè)組織，依據(jù)光的相干性產(chǎn)生干涉，采用超外差探測(cè)技術(shù)，測(cè)量反射回來(lái)的光強(qiáng)，用于組織淺表層成像。OCT 系統(tǒng)是由低相干光源、光纖邁克爾遜干涉儀和光電探測(cè)系統(tǒng)等構(gòu)成。

 

 

OCT的核心是光纖邁克爾遜干涉儀。低相干光源超輻射發(fā)光二極管(Superluminescence Diode，SLD)發(fā)出的光耦合進(jìn)入單模光纖，被2×2光纖耦合器均分為兩路，一路是經(jīng)透鏡準(zhǔn)直并從平面反射鏡返回的參考光;另一路是經(jīng)透鏡聚焦到被測(cè)樣品的采樣光束。

 

由反射鏡返回的參考光與被測(cè)樣品的后向散射光在探測(cè)器上匯合，當(dāng)兩者之間的光程差在光源相干長(zhǎng)度之內(nèi)時(shí)則發(fā)生干涉，探測(cè)器輸出信號(hào)反映介質(zhì)的后向散射強(qiáng)度。

 

掃描反射鏡并記錄其空間位置，使參考光與來(lái)自介質(zhì)內(nèi)不同深度的后向散射光發(fā)生干涉。根據(jù)反射鏡位置和相應(yīng)的干涉信號(hào)強(qiáng)度即町獲得樣品不同深度(z方向)的測(cè)量數(shù)據(jù).再結(jié)合采樣光束在x-y平面內(nèi)的掃描，所得結(jié)果經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，可獲得樣品的三維結(jié)構(gòu)信息。

 

OCT成像技術(shù)的發(fā)展

 

隨著超聲波檢查在眼科領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們希望發(fā)展一種更高分辨率的檢測(cè)手段。超聲生物顯微鏡(UBM)的出現(xiàn)在一定程度上滿足了這一要求，它通過(guò)使用更高頻率的聲波，可以對(duì)眼前段進(jìn)行高分辨率的成像。但是由于高頻率聲波在生物組織內(nèi)迅速衰減，它在的探測(cè)深度受到一定的限制。如果用光波代替聲波，其缺陷是否可以得到補(bǔ)償呢?

 

1987年，Takada等研究出光學(xué)的低相干干涉測(cè)量法，它是在纖維光學(xué)和光電組件的支持下發(fā)展成為進(jìn)行高分辨率光學(xué)測(cè)量的方法;Youngquist等則研究出光學(xué)相干反射計(jì)，其光源是一個(gè)直接與光纖耦聯(lián)的超級(jí)發(fā)光二極管，儀器中含有參考鏡面的一個(gè)臂位于內(nèi)部，而另一個(gè)臂中的光纖則與類似于照相機(jī)的設(shè)備相連接。這些都為OCT的出現(xiàn)奠定了理論和技術(shù)依據(jù)。

 

 

1991年，麻省理工學(xué)院華裔科學(xué)家David Huang等將研制的OCT用于測(cè)量離體的視網(wǎng)膜和冠狀動(dòng)脈。由于OCT具有前所未有的高分辨率，類似于光學(xué)活檢，因此很快就被發(fā)展用于生物組織的測(cè)量和成像。

 

由于眼部的光學(xué)特點(diǎn)，OCT技術(shù)在眼科臨床應(yīng)用發(fā)展得最快。1995年以前，Huang等科學(xué)家運(yùn)用OCT對(duì)離體及活體人眼的視網(wǎng)膜、角膜、前房及虹膜等組織進(jìn)行測(cè)量和成像，不斷完善OCT技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾年的改進(jìn)，OCT系統(tǒng)進(jìn)一步完善，并發(fā)展成為一種臨床實(shí)用的檢測(cè)工具，制成了商品化儀器，并最終確定了它在眼底及視網(wǎng)膜成像方面的優(yōu)越性。1995年OCT開(kāi)始正式用于眼科臨床。

 

1997年，OCT逐漸被應(yīng)用于皮膚科、消化道、泌尿系統(tǒng)和心血管方面的檢查。食管、胃腸、泌尿系OCT和心血管OCT均為侵入性檢查，類似于內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管，但它的分辨率更高，可觀察超微結(jié)構(gòu)。皮膚OCT為接觸性檢查，也可觀察超微結(jié)構(gòu)。

 

最初應(yīng)用于臨床的OCT為OCT1，分別由控制臺(tái)和動(dòng)力臺(tái)組成?？刂婆_(tái)包括OCT計(jì)算機(jī)、OCT顯示器、控制板和監(jiān)視屏;動(dòng)力臺(tái)包括眼底觀察系統(tǒng)、干涉光控制系統(tǒng)。由于控制臺(tái)和動(dòng)力臺(tái)為相對(duì)獨(dú)立的裝置，兩者之間由導(dǎo)線相連，所以儀器體積較大，所占空間較大。

 

OCT1的分析程序分為圖像處理和圖像測(cè)量。圖像處理包括圖像標(biāo)準(zhǔn)化、圖像校準(zhǔn)、圖像校準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)化、圖像高斯平滑、圖像中值平滑;圖像測(cè)量程序較少，只有視網(wǎng)膜厚度測(cè)量與視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度測(cè)量。但由于OCT1的掃描程序及分析程序均較少，因而很快被OCT2所取代。

 

OCT2是在OCT1的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件升級(jí)形成。也有一些儀器是將控制臺(tái)和動(dòng)力臺(tái)合二為一，形成OCT2的儀器，這種儀器減少了圖像監(jiān)視器，在同一個(gè)電腦熒屏上觀察OCT圖像和監(jiān)視患者的掃描部位情況，但操作與OCT1相似，是在控制板上手動(dòng)操作。

 

2002年OCT3的出現(xiàn)，標(biāo)志著OCT技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的階段。OCT3除操作界面更友好，全部操作都可用鼠標(biāo)在電腦上完成外，其掃描和分析程序日趨完善。更重要的是，OCT3的分辨率更高了，其軸向分辨率≤10 μm，橫向分辨率為20μm。OCT3獲取的軸向樣本從原來(lái)的1個(gè)A掃描的128個(gè)增加到768個(gè)，因此OCT3的積分從原來(lái)的131 072個(gè)增加到786 432個(gè)，構(gòu)建的掃描組織橫截面圖像的層次結(jié)構(gòu)更清晰。

 

OCT成像的技術(shù)種類

 

OCT 技術(shù)手段方面，根據(jù)探測(cè)信號(hào)的類型不同，OCT 主要有兩種技術(shù)手段：時(shí)域 OCT(Time Domain OCT，TD-OCT)和頻域 OCT(Fourier Domain OCT， FD-OCT)。

 

時(shí)域OCT技術(shù)

 

時(shí)域OCT技術(shù)原理圖如下：

 

 

光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)結(jié)合了低相干干涉和共焦顯微測(cè)量的特點(diǎn)。系統(tǒng)選用的光源為寬帶光源，常用的是超輻射發(fā)光二極管(SLD)。光源發(fā)出的光經(jīng)2×2耦合器分別通過(guò)樣品臂和參考臂照射到樣品和參考鏡，兩個(gè)光路中的反射光在耦合器中匯合，而兩臂光程差只有在一個(gè)相干長(zhǎng)度內(nèi)才能發(fā)生干涉信號(hào)。同時(shí)由于系統(tǒng)的樣品臂是一個(gè)共焦顯微鏡系統(tǒng)，探測(cè)光束焦點(diǎn)處返回的光束具有最強(qiáng)的信號(hào)，可以排除焦點(diǎn)外的樣品散射光的影響，這是OCT可以高性能成像的原因之一。把干涉信號(hào)輸出到探測(cè)器，信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)樣品的反射強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)解調(diào)電路的處理，最后由采集卡采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行灰度成像。

 

 

OCT 成像的主旨就是要得到樣品不同深度的反射率分布。如果參考鏡處的反射率一定，那么由于樣品結(jié)構(gòu)的不均勻性，從樣品不同深度散射回來(lái)的光的強(qiáng)度就不同，所以當(dāng)兩臂光相遇時(shí)產(chǎn)生的干涉信號(hào)里就帶有樣品不同深度的光反射率信息。由寬帶光源的低相干性可知，OCT干涉儀可以獲得較窄相干長(zhǎng)度，保證軸向掃描的成像分辨率在微米級(jí)。對(duì)于窄帶光源，如圖a所示，由于其相干長(zhǎng)度很長(zhǎng)，在相當(dāng)大的光程差范圍內(nèi)都能輸出干涉條紋變化。這樣的干涉條紋對(duì)比度與兩臂的光程差變化幾乎無(wú)關(guān)，無(wú)法確定零級(jí)條紋的位置，則無(wú)法找到等光程點(diǎn)，失去了精確定位的功能。而對(duì)于寬帶光源而言，如圖b所示，只有當(dāng)兩臂的光程差在這個(gè)很短的相干長(zhǎng)度之內(nèi)時(shí)，探測(cè)器才能檢測(cè)到干涉條紋的對(duì)比度變化。而且，在對(duì)比度最大的地方對(duì)應(yīng)著等光程點(diǎn)，隨著光程差的增加，對(duì)比度迅速銳減，因此具有很好的層析定位精度。于是可移動(dòng)參考臂的反射掃描鏡，來(lái)尋找變化后的平衡點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量反射掃描鏡的變化前后的位移即可測(cè)得相應(yīng)的光纖傳感器長(zhǎng)度的變化。

 

 

由于光源為低相干寬帶光源，故其相干長(zhǎng)度極短。而只有當(dāng)參考臂和測(cè)量臂光程差在光源的一個(gè)相干長(zhǎng)度之內(nèi)時(shí)，背向散射光和參考光才會(huì)產(chǎn)生干涉，且當(dāng)光程差接近零時(shí)才具有最大相干強(qiáng)度。因此，隨著參考鏡的軸向移動(dòng)，可選擇樣品中與之光程相等的層來(lái)進(jìn)行成像，而其他層的信息將被濾掉，從而實(shí)現(xiàn)了層析成像。

 

 

圖上所示為一個(gè)簡(jiǎn)單組織的一次縱向掃描的結(jié)果。此樣品組織由兩層構(gòu)成，折射率分別為n1和n2，與空氣的折射率 n 不同。樣品臂中，在兩種不同折射率介質(zhì)的交界面處會(huì)發(fā)生反射。當(dāng)參考臂的反射鏡掃描時(shí)，探測(cè)器的輸出端可以看到兩個(gè)干涉信號(hào)。其中第一個(gè)干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)著空氣與組織層1的交界面，第二個(gè)干涉信號(hào)對(duì)應(yīng)著組織層1與組織層2的交界面。在載波頻率處解調(diào)，就可以得到原始的干涉信號(hào)的光強(qiáng)。通過(guò)沿樣品表面 X 方向和 Y 方向移動(dòng)樣品臂可以獲得樣品的三維圖像。

 

頻域OCT技術(shù)

 

 

頻域 OCT 在近年來(lái)漸漸取代了時(shí)域 OCT，其重要原因在于其無(wú)需在參考臂中進(jìn)行光程掃描，直接一次性獲取縱向掃描。如此，頻域OCT 系統(tǒng)的成像速度將得到極大提高。時(shí)域 OCT 采集的是隨參考臂光程變化的強(qiáng)度信號(hào)，它的每一個(gè)縱向掃描時(shí)間都等于參考臂光程變化一個(gè)周期的時(shí)間。頻域 OCT 的參考臂無(wú)需掃描，它一次性地采集某一橫向位置的深度方向的干涉光譜信號(hào)，也就是頻域信號(hào)。深度方向的時(shí)域信號(hào)就編碼在這個(gè)光譜里。每一個(gè)縱向掃描實(shí)際就對(duì)應(yīng)一個(gè)干涉光譜，對(duì)光譜做傅里葉變換即可恢復(fù)出時(shí)域信號(hào)。頻域 OCT 省去了傳統(tǒng)時(shí)域 OCT 當(dāng)中深度掃描的時(shí)間，極大提高了成像采集速度。

 

獲得干涉光譜目前主要有兩種方法，一種是基于光譜儀，另一種是基于掃頻光源。前者我們稱之為光譜頻域 OCT(SD-OCT)，后者我們稱之為掃頻 OCT(SS-OCT)。

 

 

SD-OCT是通過(guò)一個(gè)基于光柵和透鏡的光譜儀，將干涉信號(hào)分光再聚焦到線陣電荷耦合元件harge-Coupled Device，CCD)上獲得干涉光譜的。

 

 

SS-OCT則是通過(guò)采用一個(gè)輸出波長(zhǎng)隨時(shí)間高速掃描的掃頻光源，再通過(guò)探測(cè)器記錄下每一波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)而得到干涉光譜。

 

光學(xué)相干層析技術(shù)的應(yīng)用

 

早期的OCT大多應(yīng)用于眼科，因?yàn)檠劬ο鄬?duì)來(lái)說(shuō)屬于透光性較好的介質(zhì)。隨著 OCT 技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于透光性不那么好、散射較強(qiáng)的其他組織，OCT 也逐漸有了許多應(yīng)用。在過(guò)去十幾年里，OCT與光纖技術(shù)和內(nèi)窺技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用擴(kuò)展到了胃腸道、皮膚、肺部、腎臟、心血管等諸多領(lǐng)域。

 

在眼科方面的應(yīng)用

 

OCT 技術(shù)的第一個(gè)臨床應(yīng)用領(lǐng)域就是眼科學(xué)。由于利用了寬帶光源的低相干性，OCT 具有出色的光學(xué)切片能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)次表面高分辨率的層析成像，其探測(cè)深度遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的共焦顯微鏡，尤其適合眼組織的成像研究，能夠提供傳統(tǒng)眼科無(wú)損診斷技術(shù)無(wú)法提供的視網(wǎng)膜斷層結(jié)構(gòu)圖像，不僅能清晰地顯示出視網(wǎng)膜的細(xì)微結(jié)構(gòu)及病理改變，同時(shí)還可以進(jìn)行觀察并做出定量分析，其在眼科診斷方面的研究是 OCT 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，對(duì)眼科疾病診斷做出重大貢獻(xiàn)，目前已成為視網(wǎng)膜疾病和青光眼強(qiáng)有力的診斷工具。

 

隨著 OCT 性能的提高，可以預(yù)測(cè) OCT 對(duì)眼科將產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響，從而可以提高疾病早期診斷的靈敏度和特異性，改變監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展的能力。OCT 對(duì)于理解視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)和功能，解釋視網(wǎng)膜疾病的發(fā)病機(jī)理，確定新型治療方案，監(jiān)測(cè)疾病治療效果等方面起著越來(lái)越重要的作用。目前在臨床上 OCT 主要用于青光眼、黃斑病變、玻璃體視網(wǎng)膜疾病、視網(wǎng)膜下新生血管的早期診斷及術(shù)后隨診。

 

在皮膚科方面的應(yīng)用

 

OCT 技術(shù)已經(jīng)達(dá)到人體皮膚成像的目的。高分辨率的 OCT 能檢測(cè)到人體健康皮膚的表皮層、真皮層、附屬器和血管。Welzel等實(shí)現(xiàn)了 OCT 系統(tǒng)的人體皮膚成像，成像系統(tǒng)中波長(zhǎng)為 830nm，深度分辨率為 15μm，探測(cè)深度為 0.5~1.5mm，成像時(shí)間為10~40s。Wang 等還可以描繪出軸向分辨率<10μm的在體小鼠皮膚和人體胃腸道的 OCT成像，將甘油和丙二醇涂于小鼠皮膚表面 OCT 成像，可見(jiàn)表皮、表皮基底層，真皮乳頭層、真皮網(wǎng)絡(luò)層，皮下組織，筋膜，肌肉和毛囊。

 

OCT 可以用于損傷修復(fù)監(jiān)測(cè)。Yeh 等用 OCT、多光子顯微鏡(Multiphoton microscope，MPM)在皮膚組織仿真模型中監(jiān)測(cè)激光熱損傷和隨后的損傷修復(fù)。離體的皮膚組織仿真模型由含有1型膠原蛋白、纖維細(xì)胞的真皮和不同角蛋白酶的表皮組成。非侵入性光成像技術(shù)被用作隨時(shí)間變化的基質(zhì)損傷和修復(fù)的系列測(cè)量，并與組織病理學(xué)檢查結(jié)果對(duì)比。

 

在心血管系統(tǒng)的應(yīng)用

 

OCT 作為非侵入性檢測(cè)技術(shù)用于活體血液成像，在生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷中具有很大的價(jià)值。光學(xué)多普勒層析成像(Optical Doppler tomography，ODT)是將激光多普勒流量計(jì)與 OCT相結(jié)合，也稱作彩色多普勒相干層析成像(Color Doppler optical coherence tomography，CDOCT)，可達(dá)到人體血流的高分辨率成像和實(shí)時(shí)檢測(cè)。Chen 等用 ODT 獲得了在體雞胚絨毛膜和嚙齒類動(dòng)物腸系膜的活體血流層析速度成像，并監(jiān)測(cè)對(duì)于血管活性藥物的干預(yù)和光動(dòng)力學(xué)治療后血流動(dòng)力學(xué)的改變及血管結(jié)構(gòu)的變化。

 

在跨科手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

 

在跨科手術(shù)方面，OCT可在去除腫瘤的手術(shù)過(guò)程中分析有無(wú)癌細(xì)胞。一般而言，外科醫(yī)生取出腫瘤周圍組織時(shí)，總是希望能清除所有的癌細(xì)胞。而被清除的腫瘤及周圍的組織會(huì)送至病理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一周的分析，以做出手術(shù)后的書(shū)面報(bào)告。由于OCT影像在組織學(xué)/病理學(xué)應(yīng)用均為相同的分辨率，因此手術(shù)室中的OCT系統(tǒng)能夠讓外科醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中精確地知道需要清除多少組織，同時(shí)留下多少安全邊緣部份，采用如此的做法便不會(huì)錯(cuò)誤去除未感染癌癥的組織，因而省卻后續(xù)手術(shù)的費(fèi)用及痛苦。OCT技術(shù)能夠讓醫(yī)生以組織學(xué)的分辨率水平，實(shí)時(shí)看見(jiàn)影像，以便在第一次進(jìn)行去除腫瘤的外科手術(shù)時(shí)做出更好的決定。

 

日后會(huì)有更多采用OCT技術(shù)的醫(yī)療應(yīng)用。例如，OCT能夠搭配穿刺切片切除早期階段的小腫瘤。對(duì)于罹患乳癌的病患，OCT可搭配視覺(jué)及“智能”信號(hào)處理技術(shù)，引導(dǎo)細(xì)針插入精確的腫瘤位置，以查明疑似感染的組織，盡可能減少手術(shù)的侵入性。對(duì)于心血管疾病患者，OCT可搭配極小型導(dǎo)管支架，更準(zhǔn)確地找出血管內(nèi)支架或檢查斑塊沉積。在這些類型的應(yīng)用中，先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)不僅能夠達(dá)到絕佳的影像畫(huà)質(zhì)，而且能夠進(jìn)行組織分類。

 

非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

 

OCT 研究的最初目的是為生物醫(yī)學(xué)的層析成像，并且醫(yī)學(xué)應(yīng)用仍然繼續(xù)占主導(dǎo)地位。除了在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，隨著 OCT 技術(shù)的發(fā)展，OCT 技術(shù)正在向其他領(lǐng)域推進(jìn)，特別是工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，如位移傳感器、薄底片的厚度測(cè)量以及其他可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)物的測(cè)量。

 

最近，低相干技術(shù)已作為高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。OCT 技術(shù)還可用于測(cè)量高散射聚合物分子的殘余孔隙、纖維構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的完整性。還可以用于測(cè)量材料的鍍層。OCT 技術(shù)還能用于材料科學(xué)，J.P.Dunkers 等人使用OCT 技術(shù)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了無(wú)損傷的檢測(cè)。 M.Bashkansky 等人利用 OCT 系統(tǒng)對(duì)陶瓷材料進(jìn)行了檢測(cè)，拓展了 OCT 技術(shù)的應(yīng)用范圍。S.R.Chinn 等還對(duì) OCT 在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)多層光學(xué)存儲(chǔ)和高探測(cè)靈敏度。

 

OCT技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

 

未來(lái)OCT的發(fā)展趨勢(shì)大致可以認(rèn)為是從單純結(jié)構(gòu)成像OCT向功能和結(jié)構(gòu)綜合成像的OCT發(fā)展。通常生物組織在產(chǎn)生病變之前其功能參數(shù)就已開(kāi)始發(fā)生變化，因此，功能參數(shù)對(duì)疾病早期診斷是非常有用的。這些功能參數(shù)通常包含血流速度、含氧壓、組織結(jié)構(gòu)變化、雙折射性質(zhì)等，功能型OCT通過(guò)探測(cè)這些變化進(jìn)行功能成像提供更多信息。近年來(lái)得到快速發(fā)展的功能型的OCT技術(shù)包括：多普勒OCT、偏振光敏感OCT、光譜型OCT和雙光線OCT。

 

光學(xué)相干層析成像作為一種新穎的成像技術(shù)，能對(duì)活體組織內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在體、高分辨率斷層成像，與傳統(tǒng)成像診斷方法相比，顯示出極大的優(yōu)越性，在醫(yī)學(xué)疾病診斷中具有很大的潛力。

 

本文轉(zhuǎn)載自傳感器技術(shù)。

 

 

推薦閱讀：