光學(xué)相干層析技術(shù)課件

1、光學(xué)相干層析技術(shù)課件 姓名：王玲 學(xué)號(hào)：121630 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 光學(xué)相干層析技術(shù)光學(xué)相干層析技術(shù)(optical coherence tomography,OCT)是近年來(lái)繼共焦掃描顯微鏡之后發(fā)展是近年來(lái)繼共焦掃描顯微鏡之后發(fā)展 起來(lái)的新型光學(xué)成像技術(shù)起來(lái)的新型光學(xué)成像技術(shù)。它利用弱相干光干涉儀的基本它利用弱相干光干涉儀的基本 原理原理，檢測(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱相檢測(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱相干干光的背光的背向向 散散射信號(hào)射信號(hào)。通過(guò)掃描通過(guò)掃描，可，可得到生物組織二維或得到生物組織二維或三三維結(jié)構(gòu)圖維結(jié)構(gòu)圖 像。它是一種非接觸、無(wú)損傷成像技術(shù)，具有較高的分辨像。它是

2、一種非接觸、無(wú)損傷成像技術(shù)，具有較高的分辨 率，率，可可達(dá)到達(dá)到115m，比傳統(tǒng)的超聲波探測(cè)高，比傳統(tǒng)的超聲波探測(cè)高1到到2個(gè)數(shù)量個(gè)數(shù)量 級(jí)級(jí)，成像速率達(dá)到成像速率達(dá)到1幅幅/秒秒，可，可以實(shí)現(xiàn)二維或以實(shí)現(xiàn)二維或三三維成像維成像。其其 靈敏度能夠大于靈敏度能夠大于100dB，在在高高散射生物組織中散射生物組織中成成像深度可像深度可 達(dá)達(dá)3mm。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 從探測(cè)深度、分辨率、簡(jiǎn)單實(shí)用等角度綜合考從探測(cè)深度、分辨率、簡(jiǎn)單實(shí)用等角度綜合考 慮慮，光學(xué)相干層析術(shù)被認(rèn)為是很有發(fā)展前途的一種光學(xué)相干層析術(shù)被認(rèn)為是很有發(fā)展前途的一種 新型光學(xué)成像技術(shù)新型光學(xué)成像技術(shù)。 光學(xué)相干層析技術(shù)（光學(xué)相

3、干層析技術(shù)（OCT）由于不存在輻射危）由于不存在輻射危 害，已發(fā)展成為面向醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一種寶貴的非侵入害，已發(fā)展成為面向醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一種寶貴的非侵入 式成像技術(shù)。目前，已經(jīng)在用于診斷和生物醫(yī)學(xué)成式成像技術(shù)。目前，已經(jīng)在用于診斷和生物醫(yī)學(xué)成 像領(lǐng)域贏得了一席之地。像領(lǐng)域贏得了一席之地。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 OCT基本工作原理 光學(xué)相干層析成像技術(shù)是以光學(xué)低相干領(lǐng)域反射測(cè)量技光學(xué)相干層析成像技術(shù)是以光學(xué)低相干領(lǐng)域反射測(cè)量技 術(shù)為基礎(chǔ)，使用超發(fā)光二極管、激光二極管和光纖，摒棄了術(shù)為基礎(chǔ)，使用超發(fā)光二極管、激光二極管和光纖，摒棄了 生物組織光學(xué)研究常用的笨重且昂貴的激光器。與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域生物組織光學(xué)研究常用

4、的笨重且昂貴的激光器。與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 常用的常用的X X射線及核磁共振層析技術(shù)相比，它具有無(wú)損傷非介入射線及核磁共振層析技術(shù)相比，它具有無(wú)損傷非介入 的特點(diǎn)，可在自然條件下用于人體內(nèi)部器官的病變檢測(cè)，同的特點(diǎn)，可在自然條件下用于人體內(nèi)部器官的病變檢測(cè)，同 時(shí)與超聲波和時(shí)與超聲波和X X射線等醫(yī)學(xué)常用檢測(cè)技術(shù)相比具有超過(guò)這些技射線等醫(yī)學(xué)常用檢測(cè)技術(shù)相比具有超過(guò)這些技 術(shù)數(shù)倍以上的分辨率術(shù)數(shù)倍以上的分辨率(1(11515mm) )；與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡相比，它；與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡相比，它 采用弱相干性來(lái)抑制背景能量，從而具有極強(qiáng)的光學(xué)剖面分采用弱相干性來(lái)抑制背景能量，從而具有極強(qiáng)的光學(xué)剖面分 析能力結(jié)構(gòu)特性

5、及多種光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量析能力結(jié)構(gòu)特性及多種光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 OCT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 該系統(tǒng)的核心是一個(gè)邁克爾遜干涉儀，它利用低相干該系統(tǒng)的核心是一個(gè)邁克爾遜干涉儀，它利用低相干 干涉技術(shù)，通過(guò)一個(gè)時(shí)空變換的過(guò)程，將對(duì)時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn)干涉技術(shù)，通過(guò)一個(gè)時(shí)空變換的過(guò)程，將對(duì)時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn) 變成為對(duì)空間距離的測(cè)量。干涉儀的一臂裝有反射鏡作為變成為對(duì)空間距離的測(cè)量。干涉儀的一臂裝有反射鏡作為 參考臂，另一臂置于待測(cè)樣品上作為樣品臂。從光源輸出參考臂，另一臂置于待測(cè)樣品上作為樣品臂。從光源輸出 的弱相干光進(jìn)入的弱相干光進(jìn)入2 22 2光纖耦合器，被分為兩束分別進(jìn)入干光纖

6、耦合器，被分為兩束分別進(jìn)入干 涉儀的樣品臂和參考臂。涉儀的樣品臂和參考臂。一一束為信號(hào)探測(cè)光，經(jīng)透鏡聚焦束為信號(hào)探測(cè)光，經(jīng)透鏡聚焦 后照射到樣品內(nèi)部而得到后向散后照射到樣品內(nèi)部而得到后向散( (反反) )射光；另一束為反射射光；另一束為反射 鏡反回的參考光。從反射鏡返回的參考光與被測(cè)樣品后向鏡反回的參考光。從反射鏡返回的參考光與被測(cè)樣品后向 散散( (反反) )射的信號(hào)探測(cè)光二者經(jīng)光纖耦合器形成干涉信號(hào)，射的信號(hào)探測(cè)光二者經(jīng)光纖耦合器形成干涉信號(hào)， 然后被光電探測(cè)器探測(cè)輸出經(jīng)電路轉(zhuǎn)化為干涉強(qiáng)度信號(hào)。然后被光電探測(cè)器探測(cè)輸出經(jīng)電路轉(zhuǎn)化為干涉強(qiáng)度信號(hào)。 信號(hào)強(qiáng)度反映了樣品的散信號(hào)強(qiáng)度反映了樣品的散

7、( (反反) )射強(qiáng)度。射強(qiáng)度。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 邁克爾遜干涉儀 邁克爾遜干涉儀是光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中最主要的組成部分之邁克爾遜干涉儀是光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中最主要的組成部分之 一。一。 它是一種典型的分振幅干涉儀它是一種典型的分振幅干涉儀 。下圖是其光路圖。下圖是其光路圖。 平行玻璃板平行玻璃板G1和和G2相互平行，相互平行， 平面鏡平面鏡M1和和M2相垂直，相垂直，G1和和G2與與 M1和和M2成成45 。 。光源 光源S發(fā)出的光射到發(fā)出的光射到 分光板分光板G1(背面鍍有銀的薄層背面鍍有銀的薄層)上半透上半透 明表面把入射光分成強(qiáng)度幾乎相等的明表面把入射光分成強(qiáng)度幾乎相等的 反射

8、光束和透射光束，反射光束經(jīng)平反射光束和透射光束，反射光束經(jīng)平 面鏡面鏡M1再反射回來(lái)穿過(guò)再反射回來(lái)穿過(guò)G1進(jìn)入觀察進(jìn)入觀察 系統(tǒng)；透射光束透過(guò)補(bǔ)償板系統(tǒng)；透射光束透過(guò)補(bǔ)償板G2經(jīng)平面經(jīng)平面 鏡鏡M2再反射回來(lái)，被分光板再反射回來(lái)，被分光板G1半透半透 明表反射也進(jìn)入觀察系統(tǒng)，從而形成明表反射也進(jìn)入觀察系統(tǒng)，從而形成 干涉現(xiàn)象。干涉現(xiàn)象。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 OCT在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 現(xiàn)在光相干層析成像技術(shù)作為一種非侵襲性的診斷現(xiàn)在光相干層析成像技術(shù)作為一種非侵襲性的診斷 工具，在臨床醫(yī)學(xué)中開(kāi)始發(fā)揮其巨大的作用，因?yàn)楣ぞ撸谂R床醫(yī)學(xué)中開(kāi)始發(fā)揮其巨大的作用，因?yàn)镺CTOCT 圖圖 像的軸向分辨率可以

9、達(dá)像的軸向分辨率可以達(dá)1010 ，比現(xiàn)在任何一種臨床診斷設(shè)，比現(xiàn)在任何一種臨床診斷設(shè) 備的分辨率高達(dá)備的分辨率高達(dá)1010倍以上，且這種光纖式結(jié)構(gòu)不僅便宜而倍以上，且這種光纖式結(jié)構(gòu)不僅便宜而 且很容易進(jìn)入導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡進(jìn)行合作，在人體內(nèi)部的組織且很容易進(jìn)入導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡進(jìn)行合作，在人體內(nèi)部的組織 器官檢查中得到很高的分辨率，特別在眼科學(xué)、心臟學(xué)、器官檢查中得到很高的分辨率，特別在眼科學(xué)、心臟學(xué)、 皮膚病等學(xué)科診斷中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。皮膚病等學(xué)科診斷中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 眼 科 對(duì)于青光眼的診斷和處理目前在臨床是十分棘手的問(wèn)對(duì)于青光眼的診斷和處理目前在臨床是十分棘手的問(wèn) 題，眼內(nèi)壓

10、測(cè)量經(jīng)常不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出青光眼的病情進(jìn)展，題，眼內(nèi)壓測(cè)量經(jīng)常不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出青光眼的病情進(jìn)展， 只有在視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維缺少只有在視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維缺少50%以上時(shí)，視野缺損和視神以上時(shí)，視野缺損和視神 經(jīng)乳頭凹陷這樣的后期臨床癥狀才能檢測(cè)到經(jīng)乳頭凹陷這樣的后期臨床癥狀才能檢測(cè)到。OCT對(duì)視網(wǎng)對(duì)視網(wǎng) 膜結(jié)構(gòu)的高分辨率成像，對(duì)眼科臨床上診斷青光眼、斑變膜結(jié)構(gòu)的高分辨率成像，對(duì)眼科臨床上診斷青光眼、斑變 質(zhì)和斑水腫十分可靠。質(zhì)和斑水腫十分可靠。 視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層是在青光眼中受影響的解剖視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層是在青光眼中受影響的解剖結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)， 由于由于OCT的高分辨率可敏感地測(cè)量視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層的厚的高分辨率可敏感

11、地測(cè)量視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層的厚 度且觀測(cè)到視盤(pán)的外形變化，可以在度且觀測(cè)到視盤(pán)的外形變化，可以在OCT中明確的判別。中明確的判別。 而且而且OCT檢查幾乎不會(huì)給病人造成任何不適。檢查幾乎不會(huì)給病人造成任何不適。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 心心 血血 管管 OCT對(duì)冠狀動(dòng)脈成像，對(duì)于激光消融術(shù)和其它去除對(duì)冠狀動(dòng)脈成像，對(duì)于激光消融術(shù)和其它去除 血管阻塞物技術(shù)十分重要，以往的技術(shù)無(wú)法明確地區(qū)分血管阻塞物技術(shù)十分重要，以往的技術(shù)無(wú)法明確地區(qū)分 病理和健康組織的外形輪廓。現(xiàn)在病理和健康組織的外形輪廓?，F(xiàn)在OCT可以在開(kāi)放的外可以在開(kāi)放的外 科手術(shù)中和導(dǎo)管外科手術(shù)中探測(cè)血管壁。在冠狀動(dòng)脈科手術(shù)中和導(dǎo)管外科手術(shù)中

12、探測(cè)血管壁。在冠狀動(dòng)脈 OCT影像中，由于較大的后向散射和脂肪鈣化斑狀的陰影像中，由于較大的后向散射和脂肪鈣化斑狀的陰 影效應(yīng)，脂肪鈣化斑狀層，纖維動(dòng)脈粥樣化和正常動(dòng)脈影效應(yīng)，脂肪鈣化斑狀層，纖維動(dòng)脈粥樣化和正常動(dòng)脈 壁對(duì)比十分明顯。絕大多數(shù)的心肌梗塞是由心臟中的動(dòng)壁對(duì)比十分明顯。絕大多數(shù)的心肌梗塞是由心臟中的動(dòng) 脈中小的粥樣斑塊破裂造成，而不是大粥樣斑塊破裂引脈中小的粥樣斑塊破裂造成，而不是大粥樣斑塊破裂引 起，而這小粥樣斑塊破裂的趨勢(shì)在目前技術(shù)中是檢測(cè)不起，而這小粥樣斑塊破裂的趨勢(shì)在目前技術(shù)中是檢測(cè)不 出來(lái)的，具有高分辨率的出來(lái)的，具有高分辨率的OCT可以做到可以做到。 光學(xué)相干層析技術(shù)課

13、件 光在血液中占多數(shù)的散射是由于在紅細(xì)胞質(zhì)和血清之光在血液中占多數(shù)的散射是由于在紅細(xì)胞質(zhì)和血清之 間折射系數(shù)不同引起的，當(dāng)增加血清的折射系數(shù)接近細(xì)胞間折射系數(shù)不同引起的，當(dāng)增加血清的折射系數(shù)接近細(xì)胞 質(zhì)時(shí)（這時(shí)需要在血管中充盈鹽水、也可以通過(guò)泵入葡萄質(zhì)時(shí)（這時(shí)需要在血管中充盈鹽水、也可以通過(guò)泵入葡萄 糖、靜脈對(duì)比劑實(shí)現(xiàn)），散射可以大大降低，血管壁的細(xì)糖、靜脈對(duì)比劑實(shí)現(xiàn)），散射可以大大降低，血管壁的細(xì) 微結(jié)構(gòu)可以清晰可見(jiàn)，可和病理學(xué)的分辨率相媲美（當(dāng)然微結(jié)構(gòu)可以清晰可見(jiàn)，可和病理學(xué)的分辨率相媲美（當(dāng)然 由于血管的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一些運(yùn)動(dòng)偽影），提高了由于血管的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一些運(yùn)動(dòng)偽影），提高了OCT在血

14、在血 液中對(duì)血管壁的成像圖像質(zhì)量液中對(duì)血管壁的成像圖像質(zhì)量。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 皮皮 膚膚 由于大多數(shù)的皮膚疾病都伴有其結(jié)構(gòu)的改變，現(xiàn)在各由于大多數(shù)的皮膚疾病都伴有其結(jié)構(gòu)的改變，現(xiàn)在各 種各樣的診斷方法都努力提高顯示皮膚結(jié)構(gòu)圖像的空間分種各樣的診斷方法都努力提高顯示皮膚結(jié)構(gòu)圖像的空間分 辨率。目前辨率。目前OCT對(duì)皮膚結(jié)構(gòu)成像的分辨率可達(dá)對(duì)皮膚結(jié)構(gòu)成像的分辨率可達(dá)1520m， 這比其它的診斷方法要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。普通的這比其它的診斷方法要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。普通的OCT對(duì)皮對(duì)皮 膚成像的深度為膚成像的深度為1.52.0mm，對(duì)一般皮膚疾病的檢查診斷，對(duì)一般皮膚疾病的檢查診斷 是足夠的。由于它的

15、無(wú)創(chuàng)傷性和沒(méi)有任何副作用的特點(diǎn)，是足夠的。由于它的無(wú)創(chuàng)傷性和沒(méi)有任何副作用的特點(diǎn)， 以及不僅提供組織結(jié)構(gòu)信息，而且還可以提供組織功能信以及不僅提供組織結(jié)構(gòu)信息，而且還可以提供組織功能信 息，息，OCT可以檢測(cè)人體內(nèi)部諸如：炎癥、壞死等病理反可以檢測(cè)人體內(nèi)部諸如：炎癥、壞死等病理反 應(yīng)，特別對(duì)角化過(guò)度、角化不全和真皮內(nèi)空洞形成等皮膚應(yīng)，特別對(duì)角化過(guò)度、角化不全和真皮內(nèi)空洞形成等皮膚 疾病方面顯示出極大的優(yōu)勢(shì)疾病方面顯示出極大的優(yōu)勢(shì)。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 基于導(dǎo)管內(nèi)窺鏡光學(xué)生檢 基于導(dǎo)管基于導(dǎo)管內(nèi)窺鏡內(nèi)窺鏡OCTOCT系統(tǒng)包括一個(gè)密封可旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)包括一個(gè)密封可旋轉(zhuǎn)的 中空導(dǎo)線和單膜光纖。通過(guò)以中

16、空導(dǎo)線和單膜光纖。通過(guò)以4r/s4r/s 的頻率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線、光的頻率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線、光 纖和內(nèi)部固定的光學(xué)部件來(lái)完成光束的掃描。導(dǎo)管纖和內(nèi)部固定的光學(xué)部件來(lái)完成光束的掃描。導(dǎo)管 內(nèi)窺鏡的直徑為內(nèi)窺鏡的直徑為1mm1mm，它足夠小，允許進(jìn)入人體的冠狀動(dòng)，它足夠小，允許進(jìn)入人體的冠狀動(dòng) 脈或內(nèi)窺鏡系統(tǒng)脈或內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。OCTOCT圖像可以顯示出食管、氣管、血管圖像可以顯示出食管、氣管、血管 各種管壁層的結(jié)構(gòu)?；趯?dǎo)管的各種管壁層的結(jié)構(gòu)?；趯?dǎo)管的OCTOCT系統(tǒng)，對(duì)食道組織各系統(tǒng)，對(duì)食道組織各 層的分辨率可達(dá)到層的分辨率可達(dá)到1010mm，超過(guò)，超過(guò)MRIMRI、超聲的影像分辨率。、超聲的影像分辨率。 現(xiàn)在

17、認(rèn)為對(duì)于食管癌治療的最重要問(wèn)題是早期發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在認(rèn)為對(duì)于食管癌治療的最重要問(wèn)題是早期發(fā)現(xiàn)，OCTOCT 系統(tǒng)可以快速實(shí)時(shí)確診組織的惡變部位，這對(duì)于一般內(nèi)窺系統(tǒng)可以快速實(shí)時(shí)確診組織的惡變部位，這對(duì)于一般內(nèi)窺 鏡是無(wú)法做到的。同時(shí)也為內(nèi)窺鏡的進(jìn)一步治療提供了指鏡是無(wú)法做到的。同時(shí)也為內(nèi)窺鏡的進(jìn)一步治療提供了指 導(dǎo)方向。最后導(dǎo)方向。最后OCTOCT系統(tǒng)圖像在細(xì)胞水平上分辨率可以對(duì)冠系統(tǒng)圖像在細(xì)胞水平上分辨率可以對(duì)冠 狀動(dòng)脈成像術(shù)、微血管修復(fù)等外科和顯微外科手術(shù)的提高狀動(dòng)脈成像術(shù)、微血管修復(fù)等外科和顯微外科手術(shù)的提高 起到促進(jìn)作用。起到促進(jìn)作用。 光學(xué)相干層析技術(shù)課件 OCT技術(shù)的缺陷 OCT不能像電子

18、顯微鏡那樣確定組織的分子結(jié)構(gòu)，它的分辨率要小于活檢組不能像電子顯微鏡那樣確定組織的分子結(jié)構(gòu)，它的分辨率要小于活檢組 織鏡檢。應(yīng)用短脈沖光源織鏡檢。應(yīng)用短脈沖光源OCT 可以把縱向分辨率提高到可以把縱向分辨率提高到24m，但橫向分，但橫向分 辨率提高十分困難。同時(shí)理論的分辨率有時(shí)會(huì)在實(shí)際應(yīng)用有所降低。辨率提高十分困難。同時(shí)理論的分辨率有時(shí)會(huì)在實(shí)際應(yīng)用有所降低。 OCT成像探測(cè)組織的深度為成像探測(cè)組織的深度為24m，在較深的下邊，光子便會(huì)多次散射喪失，在較深的下邊，光子便會(huì)多次散射喪失 相干的可能。相干的可能。 對(duì)于組織內(nèi)部細(xì)微的差別（如正常細(xì)胞和癌細(xì)胞的區(qū)別）這時(shí)需要一個(gè)光譜對(duì)于組織內(nèi)部細(xì)微的差別（如正常細(xì)胞和癌細(xì)胞的區(qū)別）這時(shí)需要一個(gè)光譜 特性具有高度靈敏度，這在特性具有高度靈敏度，這在OCT系統(tǒng)做不到，因此不能完成諸如基因改變等系統(tǒng)做不到，因此不能完成諸如基因改變等 診斷。診斷。 由于在體內(nèi)組織中反射和后散射自然特性，給由于在體內(nèi)組織中反射和后散射自然特性，給OCT的應(yīng)用設(shè)置了一些限制。的應(yīng)用設(shè)置了一些限制。 對(duì)于一些平面結(jié)構(gòu)組織和圓柱形反射體，需要對(duì)對(duì)于一些平面結(jié)構(gòu)組織和圓柱形反射體，需要對(duì)OCT系統(tǒng)角度準(zhǔn)直獲得接近系統(tǒng)角度準(zhǔn)直獲得接近 于正常的入射。兩個(gè)點(diǎn)以上的樣本組織的反射體，反射到達(dá)探測(cè)器某點(diǎn)相位于正常的