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光学相干断层扫描技术

光学相干断层扫描(OCT)技术


       光学相干断层扫描技术 (Optical CoherenceTomography,简称 OCT)是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术,特别是生物组织活体检测和成像方面具有诱人的应用前景,已尝试在眼科、牙科和皮肤科的临床诊断中应用,是继 X-CT 和 MRI 技术之后的又一大技术突破,近年来已得到了迅速的发展。

目录:

  1. 背景
  2. 简介
  3. 工作原理
  4. 应用

a)     眼科的应用

b)     病理科的应用

c)     非医学领域的应用

  1. 结论

背景

      随着科学的进步,当今医学成像技术已经在医学诊断中起着重要的作用,各种探测方法和显示手段趋于更精确、更直观、更完善从而有助于人们观察生物组织,了解材料结构,它的发展是物理、数学、电子学、计算机科学和生物医学等多门学科相互结合的结果。

     从显微镜的发明到 X 射线在医学上的应用使人们以图像的形式观察到了肉眼不能直接看到的形态结构,推动了医学诊断的发展。目前,各种医学成像技术不断发展,用于生物医学领域的研究,不同的成像原理可以用于观察不同的器官组织,不但给出组织的形态,还对组织特征进行识别和检测。

     各种成像技术中,光学相干断层扫描技术/光学相干层析成像[1]  (OpticalCoherence Tomography)是一项新兴的光学成像技术,当从散射介质中返回的弹道光子和蛇行光子与参考光的光程差在光源的相干长度范围内,发生干涉,而漫射光子与参考光的光程差大于光源的相干长度,不能发生干涉,从而把带有被测样品信息的弹道光子和蛇行光子提取出来,进行成像,它可以实现对生物组织高分辨率的非侵入层析测量,具有广泛的应用前景。光学相干层析成像技术是从光学相干域反射仪(或光学低相干反射仪)发展而来的,1991 年,美国麻省理工学院(MIT)的 David Huang 等人在 Science 上首先报道了光学相干层析成像(简称 OCT)技术。之后 Schmitt 等将此技术用于生物组织光学特性参数测量,取得了很好的效果。1996 年 Carl Zeiss Meditec Inc. of California 把眼科的 OCT系统做成临床医疗器械投放市场。

     OCT 技术问世以来,各个研究机构为了扩展它的应用范围和提高性能进行了大量的研究工作,出现了许多新方法,为 OCT 技术在医学领域的广泛应用打下基础。

简介

      光学相干断层扫描技术(光学相干层析技术[2]  ,Optical Coherence Tomography, OCT)是近十年迅速发展起来的一种成像技术,它利用弱相干光干涉仪的基本原理,检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号,通过扫描,可得到生物组织二维或三维结构图像。

工作原理

     OCT专业全称又叫光学相关断层扫描。是最近几年应用于眼科的新型技术。OCT是一种非接触、高分辨率层析和生物显微镜成像设备。它可用于眼后段结构(包括视网膜、视网膜神经纤维层、黄斑和视盘)的活体上查看、轴向断层以及测量,是特别用作帮助检测和管理眼疾(包括但不限于黄斑裂孔、黄斑囊样水肿、糖尿病性视网膜病变、老年性黄斑变性和青光眼)的诊断设备。OCT现在分为时域和频域两类,其实各有优缺点。时域OCT性价比高,足以完成大多数眼底及青光眼疾病的检查。而且技术比较成熟。

     OCT[3]  基Michelson的干涉度量学 , 以超发光二极管发光体作为光源 。经光导纤维进入光纤耦联器 , 光束被分 为两束,一束经过眼的屈光介质射向视网膜 , 另一束进人参照系统 。 两个光路中反射或反向散射的光线在光纤耦联器被重新整合为一束并为探测器所探测 , 对不同深度组织所产生的反向散射强度和延搁时间进行测 量 。通过对伪彩色的灰阶值进行实时的显示来获得图像 , 像红 、黄 、亮绿这样明亮的颜色代表发射强的区域 , 而蓝黑等暗色代 表低反射区 , 绿代表中等反射区 。

     参照镜面和光源的距离可以调节 , 当两个光路的光程差与光源的相干波长相匹 配时才会产生干涉 , 所以的轴向分辨率由光源的相干波长决定 , 与光源的光谱带宽成反比 。 OCT的横向分辨率不仅受波长的影响 , 瞳孔直径和横向像素密度也是重要影响因 素。

     此外,当将OCT技术拓展到对生物组织进行成像时,其利用近红外线及光学干涉原理进行成像。简单地说就是将光源发出的光线分成两束,一束发射到被测物体(血管组织),这段光束被称为信号臂,另一束到参照反光镜,称为参考臂。然后把从组织(信号臂)和从反光镜(参考臂)反射回来的两束光信号叠加。当信号臂和参考臂的长度一致时,就会发生干涉。从组织中反射回来的光信号随组织的形状而显示不同强弱。把它与从反光镜反射回来的参考光信号叠加,光波定点一致时信号增强(增加干涉),光波定点方向相反时信号减弱(削减干涉)。形成干涉的条件是频率相同,相位差恒定。利用干涉原理,OCT比较标准光源与反射信号以增强单一反射,减弱散射光线的放射。由于干涉只发生在信号臂和参考臂长度相同时,所以改变反光镜的位置,就改变了参考臂的长度,则可以得到不同深度的组织的信号。这些光信号经过计算机处理便可得到组织断层图像。

     目前OCT分为两大类:时域OCT(TD-OCT)和频域OCT(FD-OCT)。冠状动脉内OCT最常见的形式为时域OCT(TD-OCT)。时域OCT是把在同一时间从组织中反射回来的光信号与参照反光镜反射回来的光信号叠加、干涉,然后成像。频域OCT的特点是参考臂的参照反光镜固定不动,通过改变光源光波的频率来实现信号的干涉。FD-OCT分为两种:(1)激光扫描OCT(SS-OCT),这种OCT利用波长可变的激光光源发射不同波长的光波;(2)光谱OCT(SD-OCT),它利用高解像度的分光光度仪来分离不同波长的光波。在中国市场上只有TD-OCT,即M2-OCT。它有两个光源,主光源是超亮度发光二极管,发射宽带近红外线(中心波长1310um,带宽40-50um)。从光源发出的近红外线通过光纤及探头到达人体组织。组织反向散射回来的光波被探头收集,同参考臂的光波信号结合形成干涉,然后经过计算机解析,构建出显示组织内部微观结构的高解析度图像。M2-OCT最大的限制是穿透深度只有1.5mm左右。另外,因为近红外线很难穿过红细胞,OCT成像时需阻断血流或冲洗血管以排除血管中的血液。这种方法的缺点是造成心肌缺血,而且操作较复杂,限制了OCT的临床应用。新一代的OCT成像系统-FD-OCT最大的优先是更高速度的扫描,每秒钟的扫描帧数为100帧,回撤速度大20mm/s,因此只需注射一次造影剂就可完成冠脉血管的成像,彻底摈弃了球囊阻断血流的方法,大大提高了操作的安全性。FD-OCT在扫描速度提高的同时图像的分辨率也得到了提高,更清楚的看到病变的微细结构特征。FD-OCT拓宽了OCT检查的适应症,左主干病变、开口病变等均可获得满意的图像。

       频域OCT技术比起时域来说能使系统改善灵敏度的同时显著地提高了采样速度。在谱域OCT中,全部的深度结构(A扫描)被同步获得而不需要深度扫描。其核心部件是宽带光源照明的迈克尔逊(Michelson)干涉仪和光谱仪,获取速度仅由光谱仪中CCD摄像机的读出速度所限制,而记录的后向散射光的强度仅作为光谱频率而不是时间的函数。同时谱域OCT信号在光谱密度中被采样,且作为一个傅立叶重构的结果,改善了信噪比SNR。

       OCT最早是卡尔.蔡司公司与上世纪90年代发明的,到现在已有3-5代。其产品按功能分类有眼前结OCT和眼后节OCT,按技术分类为时域OCT和频域OCT。

     

应用

眼科的应用

        OCT是一种新的光学诊断技术,可进行活体眼组织显微镜结构的非接触式、非侵入性断层成像。OCT是超声的光学模拟品,但其轴向分辨率取决于光源的相干特性,可达10um ,且穿透深度几乎不受眼透明屈光介质的限制,可观察眼前节,又能显示眼后节的形态结构,在眼内疾病尤其是视网膜疾病的诊断,随访观察及治疗效果评价等方面具有良好的应用前景。

        下面具体来说一下,OCT在医学中的具体应用。OCT是20世纪90年代初期发展起来的一种新型非接触性无创光学影像诊断技术,是利用眼中不同组织对光(用830nm近红外光)的反射性不同,通过低相干性光干涉测量仪,比较反射光波和参照光波测定发射光波的延迟时间和反射强度,分析出不同组织的结构及其距离,经计算及处理成像,并以伪彩形式显示组织的断面结构。轴向分辨率可达10微米。它对黄斑部疾病的诊断有重要应用价值。但OCT的分辨率是靠组织结构的发光性质不同对组织进行区分,视网膜断层中真正较易明确区分的有神经上皮光带、色素上皮光带和脉络膜光带,神经上皮层间的结构尚难分辨。

       OCT的扫描方式有水平、垂直、环形、放射状以及不同角度的线性扫描,检查者可根据病变的部位、性质以及检查目的来选择合适的扫描方式。因OCT横向分辨率与扫描长度有关,扫描线越长,分辨率越低。为了便于资料的比较以及采集资料的规范,可以选择固定的扫描长度和固定的扫描顺序。如对黄班的扫描,可选择扫描线长度为4mm或者4.5mm,间隔45°的线性扫描作为基本扫描。

病理科的应用

        OCT技术最重要的应用之一是探测人体软组织的早期癌变。癌症的早期诊断是挽救病人生命的关键,唯一确定的诊断方法是通过活组织检查,问题是需要花费一定的诊断时间,且给出的结论与分析人员的经验等主观因素有很大关系,准确测定癌变区的边界就更加困难。OCT则依据癌变组织具有与健康组织不同的光谱特性和结构,得到组织清晰的像,由此实时而准确地进行诊断。因为采用了计算机进行信号处理,所得结果与操作人员的主观因素无关。另外,OCT技术将成为对皮下组织病变进行实时诊断而无需活组织检查的一种权威方法,但在此之前还需要更多的临床试验揭示其优点及待解决的问题。[5] 

非医学领域的应用

        OCT 研究的最初目的是为生物医学的层析成像,并且医学应用仍然继续占主导地位。除了在医学领域的应用,随着 OCT 技术的发展,OCT 技术正在向其他领域推进,特别是工业测量领域,如位移传感器、薄底片的厚度测量以及其他可以转换成位移的被测物的测量。

        最近,低相干技术已作为高密度数据存储的关键技术。OCT 技术还可用于测量高散射聚合物分子的残余孔隙、纤维构造和结构的完整性。还可以用于测量材料的镀层。OCT 技术还能用于材料科学,J.P.Dunkers 等人使用OCT 技术对复合材料进行了无损伤的检测 。 M.Bashkansky 等人利用 OCT 系统对陶瓷材料进行了检测,拓展了 OCT 技术的应用范围。S.R.Chinn 等还对 OCT 在高密度数据存储中的应用进行了研究,实现多层光学存储和高探测灵敏度。

结语

       OCT 技术以其非接触性和非破坏性、有极高的探测灵敏度与噪声抑制能力、高分辨率无损伤和在体检测上对活体组织无辐射等优越性以及造价低、结构简单等优点,在材料科学和生物医学等领域的无损检测方面有着重要的应用价值和广阔的发展前景。

相关产品:

光学相干断层扫描(OCT)光谱仪

参考资料

1.  高上凯.医学成像系统:清华大学出版社,2000

2.  光学相干层析成像综述  .中国知网[引用日期2015-01-29]

3.  朱永凯.光学相干层析成像及光学相干显微技术的理论与应用研究[D].西安:西安交通大学机械学院,2005.

4.  赵堪兴,杨培增,徐亮.《眼科学》第七版:人民卫生出版社,2008:53-54

5.  OCT技术及在医疗诊断中的应用  .百度文库[引用日期2013-03-25]

6.  光学相干断层扫描的应用现状及研究进展  .中国知网[引用日期2015-01-29]

7. 光学相干层析医学图像处理及其应用_孙延奎