【導(dǎo)讀】光學(xué)相干層析(Optical Coherence Tomography，簡稱 OCT)是 20 世紀(jì) 90 年代初發(fā)展起來的低損、高分辨、非侵入式的醫(yī)學(xué)、成像技術(shù)。它的原理類似于超聲成像，不同之處是它利用的是光，而不是聲音。
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，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，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)，同時，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。可以說 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組織，依據(jù)光的相干性產(chǎn)生干涉，采用超外差探測技術(shù)，測量反射回來的光強(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)透鏡聚焦到被測樣品的采樣光束。
由反射鏡返回的參考光與被測樣品的后向散射光在探測器上匯合，當(dāng)兩者之間的光程差在光源相干長度之內(nèi)時則發(fā)生干涉，探測器輸出信號反映介質(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)的干涉信號強(qiáng)度即町獲得樣品不同深度(z方向)的測量數(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，它通過使用更高頻率的聲波，可以對眼前段進(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)測量的方法;Youngquist等則研究出光學(xué)相干反射計，其光源是一個直接與光纖耦聯(lián)的超級發(fā)光二極管，儀器中含有參考鏡面的一個臂位于內(nèi)部，而另一個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用于測量離體的視網(wǎng)膜和冠狀動脈。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量和成像。
由于眼部的光學(xué)特點，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)家運用OCT對離體及活體人眼的視網(wǎng)膜、角膜、前房及虹膜等組織進(jìn)行測量和成像，不斷完善OCT技術(shù)。經(jīng)過幾年的改進(jìn)，OCT系統(tǒng)進(jìn)一步完善，并發(fā)展成為一種臨床實用的檢測工具，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，分別由控制臺和動力臺組成。控制臺包括OCT計算機(jī)、OCT顯示器、控制板和監(jiān)視屏;動力臺包括眼底觀察系統(tǒng)、干涉光控制系統(tǒng)。由于控制臺和動力臺為相對獨立的裝置，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;圖像測量程序較少，只有視網(wǎng)膜厚度測量與視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度測量。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)行軟件升級形成。也有一些儀器是將控制臺和動力臺合二為一，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，是在控制板上手動操作。
2002年OCT3的出現(xiàn)，標(biāo)志著OCT技術(shù)進(jìn)入一個新的階段。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的1個A掃描的128個增加到768個，因此OCT3的積分從原來的131 072個增加到786 432個，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)探測信號的類型不同，OCT 主要有兩種技術(shù)手段：時域 OCT(Time Domain OCT，TD-OCT)和頻域 OCT(Fourier Domain OCT， FD-OCT)。
時域OCT技術(shù)
時域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量的特點。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耦合器分別通過樣品臂和參考臂照射到樣品和參考鏡，兩個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相干長度內(nèi)才能發(fā)生干涉信號。同時由于系統(tǒng)的樣品臂是一個共焦顯微鏡系統(tǒng)，探測光束焦點處返回的光束具有最強(qiáng)的信號，可以排除焦點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。把干涉信號輸出到探測器，信號的強(qiáng)度對應(yīng)樣品的反射強(qiáng)度，經(jīng)過解調(diào)電路的處理，最后由采集卡采集到計算機(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的光的強(qiáng)度就不同，所以當(dāng)兩臂光相遇時產(chǎn)生的干涉信號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度，保證軸向掃描的成像分辨率在微米級。對于窄帶光源，如圖a所示，由于其相干長度很長，在相當(dāng)大的光程差范圍內(nèi)都能輸出干涉條紋變化。這樣的干涉條紋對比度與兩臂的光程差變化幾乎無關(guān)，無法確定零級條紋的位置，則無法找到等光程點，失去了精確定位的功能。而對于寬帶光源而言，如圖b所示，只有當(dāng)兩臂的光程差在這個很短的相干長度之內(nèi)時，探測器才能檢測到干涉條紋的對比度變化。而且，在對比度最大的地方對應(yīng)著等光程點，隨著光程差的增加，對比度迅速銳減，因此具有很好的層析定位精度。于是可移動參考臂的反射掃描鏡，來尋找變化后的平衡點，通過測量反射掃描鏡的變化前后的位移即可測得相應(yīng)的光纖傳感器長度的變化。
由于光源為低相干寬帶光源，故其相干長度極短。而只有當(dāng)參考臂和測量臂光程差在光源的一個相干長度之內(nèi)時，背向散射光和參考光才會產(chǎn)生干涉，且當(dāng)光程差接近零時才具有最大相干強(qiáng)度。因此，隨著參考鏡的軸向移動，可選擇樣品中與之光程相等的層來進(jìn)行成像，而其他層的信息將被濾掉，從而實現(xiàn)了層析成像。
圖上所示為一個簡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)的交界面處會發(fā)生反射。當(dāng)參考臂的反射鏡掃描時，探測器的輸出端可以看到兩個干涉信號。其中第一個干涉信號對應(yīng)著空氣與組織層1的交界面，第二個干涉信號對應(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的光強(qiáng)。通過沿樣品表面 X 方向和 Y 方向移動樣品臂可以獲得樣品的三維圖像。
頻域OCT技術(shù)
頻域 OCT 在近年來漸漸取代了時域 OCT，其重要原因在于其無需在參考臂中進(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。時域 OCT 采集的是隨參考臂光程變化的強(qiáng)度信號，它的每一個縱向掃描時間都等于參考臂光程變化一個周期的時間。頻域 OCT 的參考臂無需掃描，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，也就是頻域信號。深度方向的時域信號就編碼在這個光譜里。每一個縱向掃描實際就對應(yīng)一個干涉光譜，對光譜做傅里葉變換即可恢復(fù)出時域信號。頻域 OCT 省去了傳統(tǒng)時域 OCT 當(dāng)中深度掃描的時間，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是通過一個基于光柵和透鏡的光譜儀，將干涉信號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則是通過采用一個輸出波長隨時間高速掃描的掃頻光源，再通過探測器記錄下每一波長的信號進(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，因為眼睛相對來說屬于透光性較好的介質(zhì)。隨著 OCT 技術(shù)的不斷發(fā)展，對于透光性不那么好、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)對次表面高分辨率的層析成像，其探測深度遠(yuǎn)超過傳統(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)眼科無損診斷技術(shù)無法提供的視網(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)展的重點方向之一，對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 OCT 對眼科將產(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)測疾病進(jìn)展的能力。OCT 對于理解視網(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)測疾病治療效果等方面起著越來越重要的作用。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 能檢測到人體健康皮膚的表皮層、真皮層、附屬器和血管。Welzel等實現(xiàn)了 OCT 系統(tǒng)的人體皮膚成像，成像系統(tǒng)中波長為 830nm，深度分辨率為 15μm，探測深度為 0.5~1.5mm，成像時間為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。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)被用作隨時間變化的基質(zhì)損傷和修復(fù)的系列測量，并與組織病理學(xué)檢查結(jié)果對比。
在心血管系統(tǒng)的應(yīng)用
OCT 作為非侵入性檢測技術(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時檢測。Chen 等用 ODT 獲得了在體雞胚絨毛膜和嚙齒類動物腸系膜的活體血流層析速度成像，并監(jiān)測對于血管活性藥物的干預(yù)和光動力學(xué)治療后血流動力學(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)過程中分析有無癌細(xì)胞。一般而言，外科醫(yī)生取出腫瘤周圍組織時，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送至病理實驗室進(jìn)行一周的分析，以做出手術(shù)后的書面報告。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)過程中精確地知道需要清除多少組織，同時留下多少安全邊緣部份，采用如此的做法便不會錯誤去除未感染癌癥的組織，因而省卻后續(xù)手術(shù)的費用及痛苦。OCT技術(shù)能夠讓醫(yī)生以組織學(xué)的分辨率水平，實時看見影像，以便在第一次進(jìn)行去除腫瘤的外科手術(shù)時做出更好的決定。
日后會有更多采用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。對于罹患乳癌的病患，OCT可搭配視覺及“智能”信號處理技術(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)字信號處理技術(shù)不僅能夠達(dá)到絕佳的影像畫質(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)測量領(lǐng)域，如位移傳感器、薄底片的厚度測量以及其他可以轉(zhuǎn)換成位移的被測物的測量。
最近，低相干技術(shù)已作為高密度數(shù)據(jù)存儲的關(guān)鍵技術(shù)。OCT 技術(shù)還可用于測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)對復(fù)合材料進(jìn)行了無損傷的檢測。 M.Bashkansky 等人利用 OCT 系統(tǒng)對陶瓷材料進(jìn)行了檢測，拓展了 OCT 技術(shù)的應(yīng)用范圍。S.R.Chinn 等還對 OCT 在高密度數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，實現(xiàn)多層光學(xué)存儲和高探測靈敏度。
OCT技術(shù)的未來發(fā)展趨勢
未來OCT的發(fā)展趨勢大致可以認(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)就已開始發(fā)生變化，因此，功能參數(shù)對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通過探測這些變化進(jìn)行功能成像提供更多信息。近年來得到快速發(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)，能對活體組織內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時、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：
