光學(xué)相干層析技術(shù)

光學(xué)相干層析技術(shù)第一頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日光學(xué)相干層析技術(shù)(opticalcoherencetomography,OCT)是近年來繼共焦掃描顯微鏡之后發(fā)展起來的新型光學(xué)成像技術(shù)。它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱相干光的背向散射信號(hào)。通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。它是一種非接觸、無損傷成像技術(shù)，具有較高的分辨率，可達(dá)到1~15μm，比傳統(tǒng)的超聲波探測(cè)高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，成像速率達(dá)到1幅/秒，可以實(shí)現(xiàn)二維或三維成像。其靈敏度能夠大于100dB，在高散射生物組織中成像深度可達(dá)3mm。第二頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日

從探測(cè)深度、分辨率、簡(jiǎn)單實(shí)用等角度綜合考慮，光學(xué)相干層析術(shù)被認(rèn)為是很有發(fā)展前途的一種新型光學(xué)成像技術(shù)。光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT）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。第三頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日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)域常用的X射線及核磁共振層析技術(shù)相比，它具有無損傷非介入的特點(diǎn)，可在自然條件下用于人體內(nèi)部器官的病變檢測(cè)，同時(shí)與超聲波和X射線等醫(yī)學(xué)常用檢測(cè)技術(shù)相比具有超過這些技術(shù)數(shù)倍以上的分辨率(1～15μm)；與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡相比，它采用弱相干性來抑制背景能量，從而具有極強(qiáng)的光學(xué)剖面分析能力結(jié)構(gòu)特性及多種光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量。第四頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日OCT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第五頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日該系統(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)，通過一個(gè)時(shí)空變換的過程，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2×2光纖耦合器，被分為兩束分別進(jìn)入干涉儀的樣品臂和參考臂。一束為信號(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(反)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)樣品后向散(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)，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(反)射強(qiáng)度。第六頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日邁克爾遜干涉儀

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一。它是一種典型的分振幅干涉儀。下圖是其光路圖。平行玻璃板G1和G2相互平行，平面鏡M1和M2相垂直，G1和G2與M1和M2成45。。光源S發(fā)出的光射到分光板G1(背面鍍有銀的薄層)上半透明表面把入射光分成強(qiáng)度幾乎相等的反射光束和透射光束，反射光束經(jīng)平面鏡M1再反射回來穿過G1進(jìn)入觀察系統(tǒng)；透射光束透過補(bǔ)償板G2經(jīng)平面鏡M2再反射回來，被分光板G1半透明表反射也進(jìn)入觀察系統(tǒng)，從而形成干涉現(xiàn)象。第七頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日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工具，在臨床醫(yī)學(xué)中開始發(fā)揮其巨大的作用，因?yàn)镺CT圖像的軸向分辨率可以達(dá)10μm，比現(xiàn)在任何一種臨床診斷設(shè)備的分辨率高達(dá)10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)。第八頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日眼科對(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50%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。OCT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結(jié)構(gòu)，由于OCT的高分辨率可敏感地測(cè)量視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層的厚度且觀測(cè)到視盤的外形變化，可以在OCT中明確的判別。而且OCT檢查幾乎不會(huì)給病人造成任何不適。第九頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日心血管

OCT對(duì)冠狀動(dòng)脈成像，對(duì)于激光消融術(shù)和其它去除血管阻塞物技術(shù)十分重要，以往的技術(shù)無法明確地區(qū)分病理和健康組織的外形輪廓。現(xiàn)在OCT可以在開放的外科手術(shù)中和導(dǎo)管外科手術(shù)中探測(cè)血管壁。在冠狀動(dòng)脈OCT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)不出來的，具有高分辨率的OCT可以做到。第十頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日光在血液中占多數(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)胞質(zhì)時(shí)（這時(shí)需要在血管中充盈鹽水、也可以通過泵入葡萄糖、靜脈對(duì)比劑實(shí)現(xiàn)），散射可以大大降低，血管壁的細(xì)微結(jié)構(gòu)可以清晰可見，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OCT在血液中對(duì)血管壁的成像圖像質(zhì)量。第十一頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日皮膚由于大多數(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OCT對(duì)皮膚結(jié)構(gòu)成像的分辨率可達(dá)15~20μm，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)皮膚成像的深度為1.5~2.0mm，對(duì)一般皮膚疾病的檢查診斷是足夠的。由于它的無創(chuàng)傷性和沒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息，OCT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)。第十二頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日基于導(dǎo)管——內(nèi)窺鏡光學(xué)生檢

基于導(dǎo)管———內(nèi)窺鏡OCT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。通過以4r/s的頻率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線、光纖和內(nèi)部固定的光學(xué)部件來完成光束的掃描。導(dǎo)管———內(nèi)窺鏡的直徑為1mm，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)。OCT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OCT系統(tǒng)，對(duì)食道組織各層的分辨率可達(dá)到10μm，超過MRI、超聲的影像分辨率?，F(xiàn)在認(rèn)為對(duì)于食管癌治療的最重要問題是早期發(fā)現(xiàn)，OCT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OCT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)的提高起到促進(jìn)作用。第十三頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日OCT技術(shù)的缺陷OCT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OCT可以把縱向分辨率提高到2~4μm，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。OCT成像探測(cè)組織的深度為2~4μm，在較深的下邊，光子便會(huì)多次散射喪失相干的可能。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診斷。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。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)相位之外小于光源相干時(shí)間間隔的光波便形成散斑。第十四頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日OCT正在改進(jìn)的工作光源圖像采集探測(cè)易于使用的軟件

為使OCT技術(shù)成為醫(yī)生能夠使用和真正想用的診斷工具，還有幾個(gè)關(guān)鍵問題需要解決。OCT技術(shù)的先驅(qū)Fujimoto說：“OCT技術(shù)整合了許多子技術(shù)，系統(tǒng)的整體性能歸根到底取決于一些關(guān)鍵部位?！钡谑屙?yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日作為一種新興的成像技術(shù),OCT技術(shù)以其獨(dú)特的魅力在