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光學相干層析成像技術的發展應用綜述

光學相干層析成像技術( Optical Coherence Tomo-graphy,OCT) 是一種非侵入、非接觸和無損傷的光學成像技術,它將低相干干涉儀與共焦掃描顯微術結合在一起,利用高靈敏度的外差探測技術,能夠對生物組織或其他散射介質內部的微觀結構進行高分辨率的橫斷面層析成像[1].
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  光學相干層析成像技術( Optical Coherence Tomo-graphy,OCT) 是一種非侵入、非接觸和無損傷的光學成像技術,它將低相干干涉儀與共焦掃描顯微術結合在一起,利用高靈敏度的外差探測技術,能夠對生物組織或其他散射介質內部的微觀結構進行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學成像技術,它的出現極大地豐富了光學檢測手段在醫療和病理診斷方面的應用,成為醫學臨床的研究熱點。

  在此后的二十多年里,OCT 的技術水平迅速提高,并廣泛應用于生命科學基礎研究、臨床醫學應用及非均勻散射材料檢測等方面[1-4].

  1 OCT 技術概述

  OCT 利用低相干干涉( Low Coherence Interferom-etry,LCI) 的基本原理和寬帶光源的低相干特性產生組織內部微觀結構的高分辨率二維層析圖像[2],結構如圖 1 所示。寬帶光源發出的低相干光經過邁克爾遜干涉儀的分束鏡分成兩部分,一束進入參考臂經參考鏡反射,另一束進入樣品臂經樣品發生后向散射。參考鏡反射光和樣品后向散射光經分束鏡重新回合后發生干涉,由于樣品后向散射光中含有樣品的微觀結構信息,因此可以根據干涉信號重構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表面形貌圖像。

  傳統的醫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,因而分辨率、穿透深度和適應對象也不相同[2].超聲技術可以實現深層組織結構成像,但分辨率較低; 共焦顯微技術能達到亞微米級的分辨率,但成像深度受到光學散射的限制,在大部分組織內只有幾百微米; OCT 技術利用了光源的低相干特性,能夠實現高分辨率成像,并且成像深度可以達到數毫米,同時OCT 還具有非侵入、無接觸和無損傷的優點,能夠實時成像,并且探測靈敏度非常高,因而在生命科學基礎研究和臨床醫學應用等方面具有極大的發展前景。

  2 OCT 技術的發展

  1991 年,美國麻省理工學院的 D. Huang 等人在Science 發表了論文“Optical Coherence Tomography”,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行逐點或逐行掃描,獲取樣品內部不同深度的結構信息,受機械裝置的穩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等人提出了頻譜干涉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 通過干涉光譜的傅里葉逆變換獲取樣品的深度信息,統稱為傅里葉域 OCT[7,8].傅里葉 OCT 的成像過程不需要對樣品進行軸向機械掃描,參考鏡始終保持靜止狀態,既保證了相位穩定性,又提高了成像速度[7].此外,傅里葉域 OCT 利用樣品可探測深度范圍內的所有后向散射光與參考光匯合共同產生干涉光譜信號,這種深度信息的并行探測特性解決了成像速度提高與信號采集時間減少之間的矛盾,在提高靈敏度的同時也提高了圖像的信噪比。研究表明,傅里葉 OCT 的靈敏度、信噪比和成像速度明顯優于傳統的時域 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 圖像的對比度,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,難以通過組織結構成像實現疾病診斷,為此人們開發了組織生理學功能成像的 OCT技術。1992 年,M. R. Hee 等人根據樣品后向散射光的雙折射現象提出了偏振敏感 OCT 技術,對組織微觀結構進行成像的同時,能夠檢測組織的雙折射現象[10].1994 年,Izatt JA 等人利用 OCT 技術與光學共焦顯微技術,發明了高橫向分辨率的光學相干顯微技術,能夠實現生物組織細胞成像,并減少了遠離焦面的雜散光,提高了圖像對比度[3].1997 年,Z. P. Chen等人發明了多普勒 OCT 技術,能夠同時獲得組織結構的高分辨率層析圖像和血液流速信息,適合高散射介質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,可以根據組織的光譜特性判斷組織的狀態[12].此外,光纖結構的 OCT 顯著減小了系統的體積和重量,提高了探測靈活性,能夠實現人體胃腸等器官的內窺成像[13].

  3 OCT 技術的應用

  目前,OCT 技術廣泛應用于生物醫學領域。研究表明,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( Carl Zeiss Meditec,Inc. ) 制造了第一臺商用OCT 眼科成像儀。2012 年 António Champalimaud 視力獎授予了 OCT 技術的發明者 David Williams &James Fujimoto,Eric Swanson,Joel Schuman,CarmenPuliafito,David Huang 等人,以表彰他們對眼科疾病所作出的貢獻。OCT 技術為活體人類視網膜提供了一種可視化手段,使研究視網膜結構、闡明人類眼睛疾病的機制和監測臨床結果成為可能。在青光眼的診斷中,OCT 技術被用于視神經纖維層的厚度測量,而不需要測量眼壓和視場區域的變化; 在糖尿病的診斷中,可以通過 OCT 對視網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生兼高級科學家 Robert Jim 說: “在描繪眼睛結構方面,OCT 的能力是其他成像儀器所不能比擬的”.在牙科疾病的診斷方面,偏振敏感 OCT 利用牙齒表面釉質的雙折射效應,用于早期齲齒的檢測[10]; 在血管疾病診斷方面,光學多普勒層析儀能夠檢測高散射介質下流體的流速,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,也可以通過腦部各部分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導管式內窺鏡能夠對探測區域進行層析成像[13]; 在癌癥的診斷方面,利用高分辨率的 OCT 層析圖像能夠發現乳腺癌、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 能夠對皮膚的角質層、表皮和真皮進行高分辨率成像,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育過程中的組織形態變化[17].除了生物組織成像外,OCT 技術在散射介質成像方面也顯示出了卓越性能,例如文獻安全、多層信息載體的信息獲取、半導體芯片質量檢測、薄膜厚度測量和缺陷檢測等工業樣品檢測,畫作、古董、玉器和珠寶的檢測、分類和真偽辨別,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發展前景。
  
  4 OCT 的國內外研究現狀

  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進行了深入研究,以提高系統的信噪比和靈敏度,同時實現高分辨率快速成像。

  B. Povazay 利用光子晶體光纖和緊湊結構鈦藍寶石激光器的 OCT 系統獲得了亞微米級的分辨率,生物組織中的分辨率高達 0. 5μm[21].R. Leitgeb 等人分析了時域 OCT 和頻域 OCT 的性能,并針對頻域 OCT 的靈敏度提出了提高方法[5].S. K. Dubey 和 S. D. Chang 等人發明了掃頻光源的全場 OCT 技術,減少了橫向掃描過程,提高了成像速度,增強了系統穩定性[18,22].

  在我國,僅有少數大學和研究機構開展了 OCT技術的研究工作。1999 年,清華大學搭建了國內第一臺以超輻射發光二極管為光源的光纖結構 OCT 系統,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 系統進行了研究; 并提出了 OCT 技術的小波去噪方法。通過提高參考臂掃描速度,并使用數字帶通濾波器的方法,有效抑制了低頻和高頻噪聲,提高了系統的信噪比[24].天津大學李剛等人對復譜頻域 OCT 系統進行了深入研究,消除了圖像混疊,提高了圖像的分辨率,實現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,在保證最大探測深度的同時,提高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 技術進行了深入研究,采用基于 OCT 系統本身的預標定方法,實現了波數空間的線性校正; 針對掃頻光源光譜的非高斯分布,實施了基于窗口函數的干涉光譜整形方法,提高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,消除干涉光譜中的直流項和自相關項,拓寬了成像范圍,提高了圖像質量[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制的頻域光學相干層析成像,利用正弦相位調制干涉術探測復頻域干涉條紋的實部和虛部,重建復頻域干涉條紋,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結構的高分辨率譜域 OCT 進行了理論和實驗研究; 通過干涉光譜的高斯整形和線性校正,提高了軸向分辨率,同時利用干涉光譜解耦,消除了圖像噪聲,并進行了薄膜等多種微結構的工業樣品成像實驗研究[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提高,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提高。另一方面,掃頻光源的光譜難以實現波數空間的線性輸出,光譜儀采集的光譜在波數空間也是非線性的,因此傅里葉變換前,必須對干涉光譜數據在波數空間線性校正。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

  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 的總體發展趨勢是向高成像速度、高成像分辨率、高探測深度、小體積和低成本方向發展。在應用方面,OCT 極具發展潛力,從最早眼科疾病診斷到現在牙齒、心臟以及珍珠的清晰成像,應用范圍日益擴大。隨著 OCT 技術的日益成熟,快速、高分辨率的 OCT 技術不僅可以作為輔助醫療診斷設備,對生物組織進行光學活檢,也可以作為便攜式診斷儀來確定腫瘤的部位,實時引導外科醫生進行手術。總之,無論是基礎醫學研究還是臨床應用方面,OCT 技術都具有廣闊的發展前景。

    論文來源參考: 轉載請注明來源。原文地址:http://www.gyxbg.com.cn/html/zhlw/20191016/8206935.html   

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