光學相干層析成像技術的發(fā)展應用綜述 層析 成像 相干 光學 綜述

光學相干層析成像技術的開展應用綜述層析成像相干光學綜述光學相干層析成像技術的開展應用綜述本文關鍵詞：層析，成像，相干，光學，綜述

光學相干層析成像技術的開展應用綜述本文簡介：光學相干層析成像技術〔OpticalCoherenceTomo-graphy,OCT〕是一種非侵入、非接觸和無損傷的光學成像技術，它將低相干干預儀與共焦掃描顯微術結(jié)合在一起，利用高靈敏度的外差探測技術，可以對生物組織或其他散射介質(zhì)內(nèi)部的微觀構(gòu)造進展高分辨率的橫斷面層析成像【1】.OCT技術的研究始于

光學相干層析成像技術的開展應用綜述本文內(nèi)容：

光學相干層析成像技術〔OpticalCoherenceTomo-graphy,OCT〕是一種非侵入、非接觸和無損傷的光學成像技術，它將低相干干預儀與共焦掃描顯微術結(jié)合在一起，利用高靈敏度的外差探測技術，可以對生物組織或其他散射介質(zhì)內(nèi)部的微觀構(gòu)造進展高分辨率的橫斷面層析成像【1】.OCT技術的研究始于20世紀90年代初，作為一種新型的生物醫(yī)學成像技術，它的出現(xiàn)極大地豐富了光學檢測手段在醫(yī)療和病理診斷方面的應用，成為醫(yī)學臨床的研究熱點。

在此后的二十多年里，OCT的技術程度迅速進步，并廣泛應用于生命科學根底研究、臨床醫(yī)學應用及非均勻散射材料檢測等方面[1-4].

1OCT技術概述

OCT利用低相干干預〔LowCoherenceInterferom-etry,LCI〕的根本原理和寬帶光源的低相干特性產(chǎn)生組織內(nèi)部微觀構(gòu)造的高分辨率二維層析圖像【2】,構(gòu)造如圖1所示。寬帶光源發(fā)出的低相干光經(jīng)過邁克爾遜干預儀的分束鏡分成兩局部，一束進入?yún)⒖急劢?jīng)參考鏡反射，另一束進入樣品臂經(jīng)樣品發(fā)生后向散射。參考鏡反射光和樣品后向散射光經(jīng)分束鏡重新回合后發(fā)生干預，由于樣品后向散射光中含有樣品的微觀構(gòu)造信息，因此可以根據(jù)干預信號重構(gòu)樣品的一維深度圖像，并由一系列橫向位置臨近的一維深度圖像合成樣品的二維橫斷面層析圖像和三維外表形貌圖像。

傳統(tǒng)的醫(yī)學成像技術有計算機斷層掃描〔CT〕、超聲波成像〔US〕、核磁共振成像〔NMRI〕等，而光學成像技術有光學相干層析成像術〔OCT〕、共聚焦光學顯微術、擴散光層析成像術等；這些成像技術的原理不同，因此分辨率、穿透深度和適應對象也不一樣【2】.超聲技術可以實現(xiàn)深層組織構(gòu)造成像，但分辨率較低；共焦顯微技術能到達亞微米級的分辨率，但成像深度受到光學散射的限制，在大局部組織內(nèi)只有幾百微米；OCT技術利用了光源的低相干特性，可以實現(xiàn)高分辨率成像，并且成像深度可以到達數(shù)毫米，同時OCT還具有非侵入、無接觸和無損傷的優(yōu)點，可以實時成像，并且探測靈敏度非常高，因此在生命科學根底研究和臨床醫(yī)學應用等方面具有極大的開展前景。

2OCT技術的開展

1991年，美國麻省理工學院的D.Huang等人在Science發(fā)表了論文"OpticalCoherenceTomography";,首次提出OCT的概念，即時域OCT【1】.時域OCT利用機械裝置對樣品進展逐點或逐行掃描，獲取樣品內(nèi)部不同深度的構(gòu)造信息，受機械裝置的穩(wěn)定性和掃描速度的影響，時域OCT的靈敏度和成像速度受到了限制【5】.1995年，奧地利維也納大學的A.F.Fercher等人提出了頻譜干預測量法獲取散射組織深度信息的譜域OCT技術【7】.1997年，美國麻省理工的S.Chin等人報道了掃頻源OCT技術[8].譜域OCT和掃頻源OCT通過干預光譜的傅里葉逆變換獲取樣品的深度信息，統(tǒng)稱為傅里葉域OCT[7,8].傅里葉OCT的成像過程不需要對樣品進展軸向機械掃描，參考鏡始終保持靜止狀態(tài)，既保證了相位穩(wěn)定性，又進步了成像速度【7】.此外，傅里葉域OCT利用樣品可探測深度范圍內(nèi)的所有后向散射光與參考光集合共同產(chǎn)生干預光譜信號，這種深度信息的并行探測特性解決了成像速度進步與信號采集時間減少之間的矛盾，在進步靈敏度的同時也進步了圖像的信噪比。研究說明，傅里葉OCT的靈敏度、信噪比和成像速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的時域OCT[5,6,9].

在生物組織成像中，生物組織光學折射率的非均勻性引起散射特性變化，保證了OCT圖像的比照度，然而在疾病早期的診斷過程中，正常組織和病變組織的散射特性差異很小，難以通過組織構(gòu)造成像實現(xiàn)疾病診斷，為此人們開發(fā)了組織生理學功能成像的OCT技術。1992年，M.R.Hee等人根據(jù)樣品后向散射光的雙折射現(xiàn)象提出了偏振敏感OCT技術，對組織微觀構(gòu)造進展成像的同時，可以檢測組織的雙折射現(xiàn)象[10].1994年，IzattJA等人利用OCT技術與光學共焦顯微技術，創(chuàng)造了高橫向分辨率的光學相干顯微技術，可以實現(xiàn)生物組織細胞成像，并減少了遠離焦面的雜散光，進步了圖像比照度【3】.1997年，Z.P.Chen等人創(chuàng)造了多普勒OCT技術，可以同時獲得組織構(gòu)造的高分辨率層析圖像和血液流速信息，適宜高散射介質(zhì)中粒子流速的非侵入定位診斷[11].2000年，U.Morgner等人報道了光譜OCT,可以根據(jù)組織的光譜特性判斷組織的狀態(tài)[12].此外，光纖構(gòu)造的OCT顯著減小了系統(tǒng)的體積和重量，進步了探測靈敏性，可以實現(xiàn)人體胃腸等器官的內(nèi)窺成像[13].

3OCT技術的應用

目前，OCT技術廣泛應用于生物醫(yī)學領域。研究說明，OCT技術在眼科疾病、牙科疾病、心血管疾病、胃腸疾病、癌癥、皮膚病以及胚胎發(fā)育生物學等方面具有重要的應用價值【2】.

在眼科疾病的診斷方面，1996年，德國卡爾蔡司公司〔CarlZeissMeditec,Inc.〕制造了第一臺商用OCT眼科成像儀。2022年Antoacute;nioChampalimaud視力獎授予了OCT技術的創(chuàng)造者DavidWilliamsJamesFujimoto,EricSwanson,JoelSchuman,CarmenPuliafito,DavidHuang等人，以表彰他們對眼科疾病所作出的奉獻。OCT技術為活體人類視網(wǎng)膜提供了一種可視化手段，使研究視網(wǎng)膜構(gòu)造、說明人類眼睛疾病的機制和監(jiān)測臨床結(jié)果成為可能。在青光眼的診斷中，OCT技術被用于視神經(jīng)纖維層的厚度測量，而不需要測量眼壓和視場區(qū)域的變化；在糖尿病的診斷中，可以通過OCT對視網(wǎng)膜水腫的定量測量來判斷患者的糖尿病病情。此外，OCT技術在黃斑裂孔、黃斑變性、白內(nèi)障、角膜屈光手術等其他眼科疾病診療方面具有重要的應用價值，正如Humphrey儀器公司的眼外科醫(yī)生兼高級科學家RobertJim說："在描繪眼睛構(gòu)造方面，OCT的才能是其他成像儀器所不能比較的";.在牙科疾病的診斷方面，偏振敏感OCT利用牙齒外表釉質(zhì)的雙折射效應，用于早期齲齒的檢測[10];在血管疾病診斷方面，光學多普勒層析儀可以檢測高散射介質(zhì)下流體的流速，可以通過測量燒傷皮膚表層下的血流速度以及亞表層下微血管直徑來鑒定燒傷程度，也可以通過腦部各局部血液流速圖獲取腦部活動功能[11,14];在胃腸道疾病的診斷方面，OCT導管式內(nèi)窺鏡可以對探測區(qū)域進展層析成像[13];在癌癥的診斷方面，利用高分辨率的OCT層析圖像可以發(fā)現(xiàn)乳腺癌、皮膚癌、胃癌和口腔癌等早期病變[2,15];在皮膚疾病的診斷方面，OCT可以對皮膚的角質(zhì)層、表皮和真皮進展高分辨率成像，對皮膚癌等早期皮膚疾病的診斷具有重要意義[16];在胚胎發(fā)育生物學研究中，可以通過二維層析圖像觀察活體蛙、爪蟾和斑馬魚個體發(fā)育過程中的組織形態(tài)變化[17].除了生物組織成像外，OCT技術在散射介質(zhì)成像方面也顯示出了卓越性能，例如文獻平安、多層信息載體的信息獲取、半導體芯片質(zhì)量檢測、薄膜厚度測量和缺陷檢測等工業(yè)樣品檢測，畫作、古董、玉器和珠寶的檢測、分類和真?zhèn)螀^(qū)分，指紋信息獲取、防偽處理等方面顯示出卓越性能[18-20].總之，無論在生物醫(yī)學研究、臨床應用還是物體的無損檢測方面，OCT技術都具有重要的應用價值和廣闊的開展前景。

4OCT的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自OCT技術被報道以來，科研工作者針對OCT的分辨率、成像速度、靈敏度、信噪比等關鍵技術參數(shù)進展了深化研究，以進步系統(tǒng)的信噪比和靈敏度，同時實現(xiàn)高分辨率快速成像。

B.Povazay利用光子晶體光纖和緊湊構(gòu)造鈦藍寶石激光器的OCT系統(tǒng)獲得了亞微米級的分辨率，生物組織中的分辨率高達0.5m[21].R.Leitgeb等人分析了時域OCT和頻域OCT的性能，并針對頻域OCT的靈敏度提出了進步方法【5】.S.K.Dubey和S.D.Chang等人創(chuàng)造了掃頻光源的全場OCT技術，減少了橫向掃描過程，進步了成像速度，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性[18,22].

在我國，僅有少數(shù)大學和研究機構(gòu)開展了OCT技術的研究工作。1999年，清華大學搭建了國內(nèi)第一臺以超輻射發(fā)光二極管為光源的光纖構(gòu)造OCT系統(tǒng)，采用了傅立葉域光學延遲線的掃描方法，得到了洋蔥和兔子眼球的層析圖像[23];南開大學梁艷梅等人對光源波長為1300nm的OCT系統(tǒng)進展了研究；并提出了OCT技術的小波去噪方法。通過進步參考臂掃描速度，并使用數(shù)字帶通濾波器的方法，有效抑制了低頻和高頻噪聲，進步了系統(tǒng)的信噪比[24].天津大學李剛等人對復譜頻域OCT系統(tǒng)進展了深化研究，消除了圖像混疊，進步了圖像的分辨率，實現(xiàn)了全量程的有效深度探測[25];并建立了一種基于子譜分析的白光頻域OCT系統(tǒng)，在保證最大探測深度的同時，進步了信噪比和軸向分辨率[26].浙江大學丁志華等人對1300nm波段的掃頻源OCT技術進展了深化研究，采用基于OCT系統(tǒng)本身的預標定方法，實現(xiàn)了波數(shù)空間的線性校正；針對掃頻光源光譜的非高斯分布，施行了基于窗口函數(shù)的干預光譜整形方法，進步了軸向分辨率和信噪比；采用平衡探測技術抑制共模信號，并運用減除平均值的軟件處理方法，消除干預光譜中的直流項和自相關項，拓寬了成像范圍，進步了圖像質(zhì)量[27,28].中國科學院上海光機步鵬等人提出了一種基于正弦相位調(diào)制的頻域光學相干層析成像，利用正弦相位調(diào)制干預術探測復頻域干預條紋的實部和虛部，重建復頻域干預條紋，消除了復共軛鏡像、直流噪聲和自相關噪聲，并將成像深度范圍擴大到原來的2倍，實現(xiàn)了頻域光學相干層析成像的全深度探測[29].西安交通大學趙宏課題組對光纖構(gòu)造的高分辨率譜域OCT進展了理論和實驗研究；通過干預光譜的高斯整形和線性校正，進步了軸向分辨率，同時利用干預光譜解耦，消除了圖像噪聲，并進展了薄膜等多種微構(gòu)造的工業(yè)樣品成像實驗研究[30].

5存在的問題

盡管OCT在眼科疾病的臨床診斷方面已經(jīng)日趨成熟，但仍存在一些技術難題。OCT的軸向分辨率與光源的光譜有關，受到光源頻譜范圍的限制，軸向分辨率不可能無限進步，并且光源光譜的非高斯分布會降低軸向分辨率。在探測深度方面，受光源中心波長、光譜儀采樣間隔或掃頻激光器瞬時線寬的限制，OCT難以實現(xiàn)深層探測。成像速度方面，由于受到掃頻激光器掃描頻率或光譜儀器積分時間的限制，成像速度也不可能無限進步。另一方面，掃頻光源的光譜難以實現(xiàn)波數(shù)空間的線性輸出，光譜儀采集的光譜在波數(shù)空間也是非線性的，因此傅里葉變換前，必須對干預光譜數(shù)據(jù)在波數(shù)空間線性校正。由于傅里葉逆變換會帶來的復共軛鏡像、直流噪聲和自相關噪聲，故在成像過程中必須消除。

6總結(jié)

作為一種新型的成像技術，OCT引起了科研工作者的極大興趣和廣泛關注。OCT的總體開展趨勢是向高成像速度、高成像分辨率、高探測深度、小體積和低本錢方向開