【OTC在眼科應(yīng)用的進(jìn)展綜述報告4900字】

OTC在眼科應(yīng)用的進(jìn)展綜述報告目錄TOC\o"1-2"\h\u29676OTC在眼科應(yīng)用的進(jìn)展綜述 1323601.引言 1183012.OCT技術(shù)的起源和發(fā)展 251362.1OCT技術(shù)概況與分類 2211352.2傅里葉域OCT簡介 359812.3功能型OCT簡介 4167033OCT技術(shù)的眼科應(yīng)用 4120743.1眼睛結(jié)構(gòu)簡介 4259583.2眼科成像技術(shù)對比 5150183.3OCT眼科應(yīng)用概況 611046結(jié)束語 816461參考文獻(xiàn) 8光學(xué)相干層析成像技術(shù)(Opticalcoherencetomography,OCT)是一種極具潛力的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)，具有非侵入、無損傷、高分辨、高靈敏度等優(yōu)點。譜域OCT(SpectraldomainOCT,SD-OCT)是第二代OCT技術(shù)，它能實現(xiàn)mm量級的成像深度，mm量級的空間分辨率，以及nm甚至pm量級的高靈敏度探測，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域。眼科是OCT技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域。OCT的出現(xiàn)極大提升了眼科的基礎(chǔ)研究和臨床診斷水平。利用OCT技術(shù)不但能實現(xiàn)眼組織二維和三維的層析成像，還能精準(zhǔn)捕捉組織的形變與微尺度運動，對眼科的形態(tài)學(xué)研究和病理分析具有重要價值。本論文的研究工作圍繞SD-OCT的成像技術(shù)及其眼科應(yīng)用展開。關(guān)鍵字：眼科成像研究；OCT；相位檢測技術(shù)1.引言早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早診斷、早治療對于減少疾病的發(fā)生、提高疾病的治療效果非常重要。為了檢測和確定深層病變，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像方法需要提取組織進(jìn)行細(xì)胞活檢或添加特殊的造影劑以獲得標(biāo)記圖像。這些測試不僅對人體產(chǎn)生負(fù)面影響，而且在臨床實踐中也存在復(fù)雜、耗時、不經(jīng)濟的缺點。光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種具有前景的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)，它結(jié)合了內(nèi)窺鏡等非侵入、無創(chuàng)、非電離、高分辨率、高靈敏度和易于匹配的技術(shù)。由于體內(nèi)斷層掃描可以實時對組織進(jìn)行，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。眼科是OCT技術(shù)最早也是應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。目前，OCT技術(shù)已廣泛應(yīng)用于眼科基礎(chǔ)研究和臨床診斷。而且適用性還是很廣的。本文的研究工作就是基于這樣的背景。本文首先介紹了OCT技術(shù)的起源和發(fā)展，其次介紹和比較了常見的眼科成像技術(shù)，并介紹了OCT技術(shù)在眼科中的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀。2.OCT技術(shù)的起源和發(fā)展2.1OCT技術(shù)概況與分類光子在生物組織中傳播時的運動可分為三種類型的OCT。一類光子稱為彈道光子，它不被組織散射，仍沿直線傳播，保持原有的相干性，傳遞組織信息，其數(shù)量隨數(shù)量的增加以及傳播距離的增加呈指數(shù)下降；另一部分光子以入射方向為軸在小角度范圍內(nèi)傳播，保留了入射光子的大部分特性和相干性，稱為蛇形光子，傳播距離約為彈道光子的10倍；其余類型的光子在多次散射后失去相干性，稱為漫散射光子。圖2.1顯示了上述三種光子的運動軌跡。相應(yīng)地，生物組織的后向散射光為OCT技術(shù)使用對應(yīng)于彈道光子的單個反向散射光進(jìn)行成像。這類光子很好地保留了光源的相干性，傳達(dá)了組織信息，并且可以低通過相位光源的相位門，從而呈現(xiàn)不同散射光的效果。圖2.1光脈沖在散射介質(zhì)中的傳播示意圖OCT由麻省理工學(xué)院（MIT）的Huang等人于1991年在《科學(xué)》雜志上首次提出。他們使用先進(jìn)的光學(xué)低相干反射儀(OLCR)對生物樣本進(jìn)行橫向掃描，并成功實現(xiàn)了對孤立的人類視網(wǎng)膜和冠狀動脈壁的成像。本實驗展示了OCT技術(shù)對透明強散射樣品的成像能力，標(biāo)志著OCT技術(shù)的誕生。OCT技術(shù)結(jié)合了低干擾干涉技術(shù)、共焦顯微技術(shù)、外差檢測技術(shù)和數(shù)字圖像處理等技術(shù)，可以通過圖像重建獲得樣本的二維切片和三維結(jié)構(gòu).圖2.2展示了OCT圖像在各個維度上的獲取過程。最基本的深度圖像是通過沿光束方向（Z方向）的軸向檢測（A-scan）獲取的?？梢酝ㄟ^沿X方向的橫向掃描（B-scan）獲得樣品內(nèi)部的二維信息。通過同向掃描（C-scan）可以得到包含樣本內(nèi)部信息的三維矩陣，經(jīng)過數(shù)字化分析處理后，可以重建樣本內(nèi)部各層級的斷層結(jié)構(gòu)，三者可以重建三維立體圖像。圖2.2OCT圖像的實現(xiàn)過程。分別對應(yīng)(a)一維軸向信號，(b)二維斷層信號和(c)三維立體信號的獲得過程2.2傅里葉域OCT簡介SD-OCT技術(shù)起源于1995年，A.F.Fercher等人基于頻域探測技術(shù)提出了光譜干涉儀的技術(shù)方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。所采用的光源中心波長為780nm，帶寬為3nm，光電二極管陣列的像素數(shù)為320×288，衍射光柵為1800線對。他們通過采集參考臂和樣品臂的干涉信號，并對其進(jìn)行傅里葉變換以得到樣品軸向的深度信息。利用該系統(tǒng)，他們成功實現(xiàn)了眼模型內(nèi)部的一維測距以及人眼的在體角膜厚度測量。圖2.3基于頻域探測技術(shù)的光譜干涉儀結(jié)構(gòu)圖2.3功能型OCT簡介與其他技術(shù)相結(jié)合，多普勒OCT（D-OCT）、偏振敏感OCT（PS-OCT）、內(nèi)窺鏡OCT（E-OCT）等功能性O(shè)CT技術(shù)相繼出現(xiàn)。其他。功能性O(shè)CT的出現(xiàn)使得OCT技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場景越來越廣泛。D-OCT是OCT技術(shù)與多普勒技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物。在對樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的同時，可以檢測樣品內(nèi)部散布的粒子的流速信息。這種特殊的傳感功能正在生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域引起關(guān)注。在TD-OCT系統(tǒng)中，主要通過測量時間段內(nèi)外頻率差的變化來計算血流速度。在FD-OCT中，血流速度是基于樣本反向散射信號的相位信息得出的。這種方法靈敏度高，可以檢測生物組織中小血管中小血管的血流信息，達(dá)到微米級。ChenZ.等人于1997年報道。已經(jīng)證明，D-OCT可以在提供結(jié)構(gòu)信息的同時獲得有關(guān)血流速度的信息。OCT微血管光學(xué)血管造影（OCTAngiography，Angio-OCT）已經(jīng)出現(xiàn)在現(xiàn)有的D-OCT之上。該技術(shù)是一種可以實現(xiàn)血管網(wǎng)絡(luò)分割和可視化的DOCT技術(shù)。與傳統(tǒng)的熒光造影不同，該技術(shù)不必依賴有害的熒光造影劑進(jìn)行成像，并且具有深度分辨率能力，可以定量分析血流，提供微血管網(wǎng)絡(luò)的灌注，并允許對血流等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)分析，并對血流動態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。隨著高速相機和超快掃頻光源的發(fā)展，Angio-OCT的圖像質(zhì)量越來越完美，血管網(wǎng)絡(luò)三維網(wǎng)絡(luò)的可視化速度越來越快，滿足臨床實時成像的要求。因此，Angio-OCT在臨床應(yīng)用中比傳統(tǒng)的熒光血管造影更具價值。3OCT技術(shù)的眼科應(yīng)用3.1眼睛結(jié)構(gòu)簡介眼睛是一個非常復(fù)雜的人體器官，其組織結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。角膜是位于眼球前方的一層透明、彎曲的薄層，可以在一定程度上保護(hù)整個眼球。光線進(jìn)入角膜，穿過前房，進(jìn)入瞳孔。瞳孔是一個圓形孔，由虹膜組成，如果通過光學(xué)系統(tǒng)觀察人眼，瞳孔就像人眼的虹膜。虹膜是人眼中的有色區(qū)域，內(nèi)部有兩組肌肉，控制瞳孔的開閉和進(jìn)入眼睛的光量。一組是瞳孔括約肌，由副交感神經(jīng)支配，負(fù)責(zé)收縮瞳孔。根據(jù)光線強度調(diào)整瞳孔大小。另一組是擴張肌，由交感神經(jīng)支配，收縮時使瞳孔擴張。一般來說，瞳孔大小主要由瞳孔括約肌的收縮來控制。只有當(dāng)交感神經(jīng)興奮時，如緊張或恐懼，擴張器才會影響虹膜的擴張和收縮。鏡片位于虹膜后面，光線穿過瞳孔進(jìn)入鏡片。鏡頭是整個光學(xué)系統(tǒng)的主要焦點元件，是相機的鏡頭。晶狀體通過周圍睫狀肌和韌帶纖維的收縮和拉伸來改變形狀，因此進(jìn)入人眼的光會聚焦在視網(wǎng)膜（視網(wǎng)膜）上。視網(wǎng)膜充當(dāng)相機中的探測器，富含大量的感光細(xì)胞和豐富的血管網(wǎng)絡(luò)。感光器可以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過視神經(jīng)到達(dá)大腦，最終在大腦中進(jìn)行處理以進(jìn)行圖像處理。圖2.1人眼結(jié)構(gòu)示意圖眼睛分為前段和后段。眼前節(jié)代表眼睛前半部分區(qū)域的各種組織和結(jié)構(gòu)。眼前節(jié)包含眼睛的大部分組織，除視網(wǎng)膜外，所有與眼睛控制過程相關(guān)的結(jié)構(gòu)都位于眼前節(jié)。它還與許多常見的眼部疾病有關(guān)，例如白內(nèi)障、青光眼、干眼癥、翼狀胬肉等。本文的研究主要集中在人眼前部和鼠眼全眼的組織結(jié)構(gòu)和生理運動。3.2眼科成像技術(shù)對比可用于眼科成像的常見臨床技術(shù)除OCT技術(shù)外，還包括：超聲成像（超聲成像）、磁共振成像(MRI)和角度相機技術(shù)。OCT的成像過程類似于超聲成像，通過測量來自樣品的反射或反向散射光的強度和回波延遲來重建圖像。OCT技術(shù)的早期應(yīng)用研究已在眼科進(jìn)行，并已用于對眼前節(jié)和眼底的透明組織進(jìn)行成像。與其他生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)相比，OCT技術(shù)具有以下優(yōu)勢。一、該技術(shù)基于低干擾干涉原理，利用寬帶激光光源獲得短干涉長度，實現(xiàn)足級系統(tǒng)軸向分辨率，遠(yuǎn)高于常規(guī)超聲、MRI等系統(tǒng)。垂直和水平分辨率可獨立控制，垂直分辨率不受人眼視差影響；其次，由于組織在650nm1.4m波長范圍內(nèi)的吸收系數(shù)一般只有0.0030.07cm-1，因此OCT系統(tǒng)的光源采用近紅外光源，保證了系統(tǒng)的檢測深度。因此，OCT技術(shù)被稱為“光學(xué)活檢”，因為它可以在曝光控制的前提下實現(xiàn)無損的活體檢測。第四，通過數(shù)字成像技術(shù)獲得的OCT圖像實現(xiàn)實時成像顯示，滿足臨床檢測和手術(shù)干預(yù)的需要，更有利于圖像的后處理。此外，常規(guī)OCT的成像深度為2-7mm，有效填補了光學(xué)顯微鏡與超聲成像的技術(shù)空白。正是由于以上優(yōu)勢，OCT技術(shù)成為近20年來生物成像技術(shù)的研究熱點，發(fā)展勢頭迅猛。并廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，尤其是眼科。表3.1顯示了OCT技術(shù)與常見放射成像技術(shù)之間的性能參數(shù)比較。表3.1生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)性能參數(shù)對比表成像技術(shù)分辨率成像深度是否活體對比度機制成像速度MRI~2-3mm~100-200mm是H+的濃度慢超聲成像~50~10-20cm是聲波散射快光學(xué)顯微鏡~1~5-10切片否組織染色慢共焦顯微鏡~1~0.2-0.5mm是光反射或散射快OCT~1-15~2-3mm是光反射或散射快3.3OCT眼科應(yīng)用概況OCT技術(shù)在眼科的應(yīng)用開始于對視網(wǎng)膜的成像，它的出現(xiàn)使眼底活體檢查成為可能。此后，OCT技術(shù)迅速發(fā)展并商業(yè)化。德國卡爾·蔡司股份公司(CarlZeissMeditec,Inc)依次發(fā)布了三代視網(wǎng)膜OCT系統(tǒng)。借助OCT成像能實現(xiàn)神經(jīng)纖維、內(nèi)外叢狀層、內(nèi)外核層、視網(wǎng)膜色素上皮、視感受器、脈絡(luò)膜等結(jié)構(gòu)的檢測，實現(xiàn)多種視網(wǎng)膜疾病的檢查，現(xiàn)已成為醫(yī)生臨床診斷的重要依據(jù)。眼前節(jié)OCT成像始于1994年，Izatt課題組率先使用TD-OCT對眼前節(jié)（不包括晶狀體后表面）進(jìn)行成像。該系統(tǒng)具有20μm的分辨率和90dB的高信噪比。此后，OCT技術(shù)也成為眼前節(jié)成像和生理參數(shù)測量的重要傳感工具。然而，成像深度和速度的限制已成為TD-OCT應(yīng)用于前段的瓶頸。因此，越來越多的研究小組開始轉(zhuǎn)向FD-OCT技術(shù)和眼前節(jié)應(yīng)用研究。先后實現(xiàn)了角膜、房角、虹膜、晶狀體等眼前節(jié)結(jié)構(gòu)病變的診斷。FD-OCT技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于人眼控制、老花眼的開發(fā)和發(fā)展等研究項目。FD-OCT雖然相比TD-OCT顯著提升了系統(tǒng)性能，但成像深度和軸向分辨率仍然有限，無法滿足眼科成像的深度需求。目前，最常見的商用前節(jié)段OCT（VisanteOCT，CarlZeissMeditec）仍然是TD-OCT，橫向分辨率為60m，軸向分辨率僅為18m，導(dǎo)致許多微結(jié)構(gòu)分辨率較差。該產(chǎn)品的組織內(nèi)成像深度僅為6m，掃描速率僅為4KHz，無法一次性完成整個眼前節(jié)（包括角膜、虹膜、前房和晶狀體）的成像。國內(nèi)外研究小組一直在對OCT進(jìn)行深入研究。上海交通大學(xué)周氏課題組利用雙通道雙焦技術(shù)實現(xiàn)了11毫米的成像深度。這種方法實施起來不經(jīng)濟，而且生成的圖像有差距。邁阿密大學(xué)的Wang小組使用參考臂轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了11毫米成像。然而，這種技術(shù)是一種準(zhǔn)同時成像技術(shù)，需要后續(xù)的圖像拼接才能獲得整個眼前節(jié)的圖像。波蘭的Wojtkowski小組使用具有反鏡功能的成熟OCT系統(tǒng)實現(xiàn)了14毫米的成像深度。這種方法需要在同一樣本深度進(jìn)行多次采集，會影響系統(tǒng)的成像速度。因此，OCT成像深度的擴展仍然是研究人員的熱門研究課題。傳統(tǒng)的OCT檢測基于干涉信號的強度信息來實現(xiàn)樣品成像，能提供<10的成像分辨率。OCT相位檢測技術(shù)基于干涉信號中的相位信息進(jìn)行探測。其探測高靈敏高達(dá)nm甚至pm量級。2010年，K.Singh等人借用成像深度為1.2mm的譜域低相干干涉儀(spectral-domainlow-coherenceinterferometry)分次記錄了某一個A-scan方向上麻醉大鼠的視網(wǎng)膜和角膜的位移。2011年，Kinkelder等人借助雙參考臂SD-OCT系統(tǒng)記錄了人眼視網(wǎng)膜和角膜的軸向位移。PengLi等人借助相位敏感型OCT系統(tǒng)實現(xiàn)了對于離體小梁網(wǎng)的位移測量。OCT相位檢測技術(shù)的出現(xiàn)使得眼內(nèi)微尺度運動和變形的探測成為可能。該技術(shù)在眼科的應(yīng)用還將有極大發(fā)展。結(jié)束語OCT技術(shù)以其高分辨率、無損、實時的成像能力，以及與內(nèi)窺鏡等技術(shù)的便捷對接，在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域備受關(guān)注。SD-OCT是相對于第一代OCT（TD-OCT）的第二代OCT技術(shù)，在成像速度、信噪比、靈敏度和擴展功能等方面具有顯著優(yōu)勢。本課題在此基礎(chǔ)上，獲得了人眼整個前部和小鼠整個眼睛的圖像。同時，我們正在實現(xiàn)眼組織形態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確測量和眼內(nèi)生理脈搏的實時監(jiān)測，并針對干眼癥、近視、白內(nèi)障、ICL等異常眼部進(jìn)行OCT成像應(yīng)用研究。參考文獻(xiàn)[1].眼科OCT檢查是照CT？兩碼事[J].名醫(yī),2022(01):13.[2]胡帆,楊賽,王冬梅,周強,孫小莉,吳健.眼科光學(xué)相干斷層掃描儀關(guān)鍵性指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)化檢測中質(zhì)量控制研究[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2021,18(09):24-28.[3]WuDunnDarrell,TakusagawaHanaL,SitArthurJ,RosdahlJulliaA,RadhakrishnanSunita,HoguetAmbika,HanYing,ChenTeresaC.OCTAngiographyfortheDiagnosisofGlaucoma:AReportbytheAmericanAcademyofOphthalmology.[J].Ophthalmology,2021,128(8).[4]QinJia,AnLin.OpticalCoherenceTomographyforOphthalmologyImaging.[J].Advancesinexperimentalmedicineandbiology,2021,3233.[5]LoCody,VuongLaurel,MicieliJonathan.Recentadvancesandfuturedirectionsontheuseofopticalcoherencetomographyinneuro-ophthalmology[J].TaiwanJournalofOphthalmology,2021,11(1).[6]ChopraReena,WagnerSiegfriedK,KeanePearseA.Optic