光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography)

2020-12-21 14:45:20 浏览:1157

定义

光学相干断层成像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。

背景

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已在眼科、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。

工作原理

OCT成像系统由光源和迈克尔逊干涉仪组成,宽带光源发出的低相干光进入分光器,被引入到参考臂和样品臂。当两臂返回光的光程差在光源的相干长度范围内时,两臂返回光将在分光器中合并,并输送到检测器。OCT成像系统由光源和迈克尔逊干涉仪组成,宽带光源发出的低相干光进入分光器,被引入到参考臂和样品臂。当两臂返回光的光程差在光源的相干长度范围内时,两臂返回光将在分光器中合并,并输送到检测器。

OCT是最近几年应用于眼科的新型技术,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基于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。

OCT的应用

1、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。

2、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。

3、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。

参考文献

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[3] Endothelial Cell Loss and Central Corneal Thickness in Patients With and Without Diabetes After Manual Small Incision Cataract Surgery[J] . Priya Thomas Mathew,Sarada David,Nihal Thomas. Cornea . 2011 (4)
[4] Automated analysis of lesion depth and integrated reflectivity in PS‐OCT scans of tooth demineralization[J] . Michael H.Le,Cynthia L.Darling,DanielFried.  Lasers Surg. Med. 2010 (1)

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