【摘要】 光学相干断层成像术(optical coherence tomography，OCT)是一种能对生物组织浅表微结构进行断层成像的新技术，我们对时域光学相干断层成像术（time domain optical coherence tomography,TDOCT）与傅立叶域光学相干断层成像术（fourier domain optical coherence tomography,FDOCT）的成像原理、两者性能参数进行了比较，介绍了三维OCT在眼科的应用，以及近年来得到快速发展的新OCT技术，包括:多普勒OCT、偏振敏感OCT、光谱型OCT和双光线OCT，以及OCT技术在生物医学领域的应用前景。
【关键词】 光学相干断层成像术；傅立叶域OCT；三维OCT；OCT应用前景
New progress of optical coherence tomography in clinical applications
XiaoLi Shen, LiNa Huang
Shenzhen Eye Hospital of Medical College of Jinan University, Shenzhen 518001, Guangdong Province,China
Abstract
Optical coherence tomography(OCT)is an interferometric imaging technique that provides cross sectional views of the subsurface microstructure of biological tissue. The theory and performance parameters of time domain optical coherence tomography(TDOCT) and fourier domain optical coherence tomography (FDOCT) are compared in this paper. We introduce the threedimensional OCT applied in ophthalmology, technological advances in OCT that have been made over the recent years, following an introduction of new OCT technology: optical Doppler tomography(ODT),polarizationsensitive OCT (PSOCT), spectroscopic OCT and dualbeam OCT. Finally, the prospect of applications of OCT in biomedical field is reviewed.
KEYWORDS: optical coherence tomography；fourier domain optical coherence tomography；threedimensional OCT；the prospect of OCT
0引言
光学相干断层成像术(optical coherence tomography，OCT)是一种实时、在活体、高分辨率、无损成像方法，最初用于眼睛等透明组织成像，其后又发展为非透明组织的浅表成像，其分辨率可达几微米，分辨效果接近组织病理切片水平。十几年来，OCT技术已取得了长足的进步，其成像速率、图像分辨率和信噪比等性能有了很大的提高，相信，随着OCT技术的发展，傅立叶域OCT将来有可能取代传统时域OCT。OCT技术结合多普勒技术、光学技术、内窥镜等技术，在生物医学领域有着广泛的应用前景。
1 OCT的发展历程
光学相干断层成像术（optical coherence tomography,OCT）是20世纪90年代初发展起来的一种新型的实时、在活体、高分辨率、无损的医学成像技术［1］。1991年美国麻省理工学院Huang等［2］首先利用研制的OCT对离体人视网膜和视盘进行了观察，经过几年的改进，最终确立了它在视网膜成像方面的优越性。OCT自1991年首次问世以来，一直成为国际上光学领域的研究热点。科学家们不断完善OCT技术并于1995年开始正式用于眼科临床。最初应用于临床的OCT为OCT1，扫描程序只有10个，分析程序有7个。由于扫描、分析程序均较少，因而很快被OCT2所取代。OCT2扫描程序增加了2个，分析程序增加了4个，在视网膜厚度测量和RNFL厚度测量方面，OCT2的可重复性更佳，对黄斑厚度的测量其变异值<11μm。2002年，Stratus OCT，即OCT3的出现标志着OCT技术进入一个新的阶段。OCT3全部操作都可用鼠标在计算机上完成，扫描和分析程序日趋完善，分辨率更高。OCT3提供了18种扫描程序，19种分析程序，黄斑区扫描图像可以辨认出更多层次，可以更清楚地观察视网膜各层结构的病变。此外，还首次提供了RNFL的正常参考值及视盘分析程序，为OCT在青光眼的诊断方面提供了更广阔的应用前景。从OCT1到OCT3，均是时域OCT（time domain optical coherence tomography,TDOCT)通过光学延迟线的快速变化来实现纵向深度扫描(即A扫描)。为了得到一个纵向的深度图像，参考臂要进行来回的机械扫描，这就大大限制了它的成像速度。针对TDOCT的这点不足之处，Fercher 等［3］提出了傅立叶域OCT（fourier domain optical coherence tomography, FDOCT）,其通过获取宽带光谱各频率成分的干涉信号来实现。后者大大提高了成像速度和图像的分辨率，并且可以将数据处理成三维图像，提供了直观、清晰的视网膜各层可视性图像，在OCT发展史上是一座里程碑。随着OCT技术的不断成熟发展，临床和科研对OCT图像精确度及可靠性的需求更高，FDOCT将来有可能取代传统TDOCT。
2 TDOCT与FDOCT的成像原理
2.1 TDOCT的成像原理 TDOCT系统的核心是一个宽带光源(SLD，超亮发光二极管)照明的迈克尔逊干涉仪。如图1所示，光束通过分束镜分成参考光和样品光，由于不同深度的被检测组织的空间结构不同，其对光的反向散射的特性也不同，因此被检组织的空间结构信息被隐藏在从探测光路返回来的光线中，此光线与参考光路反射回来的光线之间会产生时间差，即光学延迟时间（timeoflight delay）。应用低相干光干涉度量学原理检测时间差，可获取组织反射的幅度和时间延迟信息，经计算机处理后就可以得到该组织的二维图像［4］ 。
2.2 FDOCT的成像原理 FDOCT直接测量的是干涉信号的光谱，样品不同深度的信息是通过对所测光谱的快速傅立叶逆变换得来的，不涉及直接物理位移的A扫描。如图2所示,宽带超发射二极管光源（SLD）的输出导入到手持式麦克尔逊干涉仪探针中，光束被分为两路，参考臂一端是反射镜，而另一路包括成像透镜将光聚焦到样品上，此成像透镜也被用来收集样品背向散射和反射光。两路光返回后再合成，直接进入光谱仪，其干涉模式经过分析得到频谱OCT图像［5］。其与TDOCT仪器结构上的差别为FDOCT的参考镜是固定的，扫描时不需要来回的移动,并配备光谱仪。
3 TDOCT与FDOCT性能参数对比
OCT性能参数主要包括轴向与横向分辨率、穿透深度、成像速度、灵敏度及图像获取时间等。OCT的轴向分辨率是最重要的性能参数，由光源的相关波长决定，并与光源的光谱宽带成反比。光源及传导系统的精确性、稳定性与图像信号强度关系密切。轴向分辨率的计算公式如：lc=2ln2π·λ2△λ,其中平均波长为λ，光谱宽度为Δλ。横向分辨率是另一重要性能参数，由照射待测物体的光斑大小决定，光束聚焦所形成的最小光斑ω与光束的聚焦角度成反比，即与光束的直径d成反比，与聚焦透镜的焦距f成正比，如下公式示: ω=λf/πd。其中，λ是光波的波长，所以，要形成非常小的光斑，需要一个较大的聚焦角度，所以横向分辨率受到可用的聚焦角度的限制。而对于视网膜成像，聚焦角度受到瞳孔大小和眼睛聚焦的限制［6］。OCT的另一重要性能参数是组织穿透深度，主要受生物组织的散射性质影响。非透明生物组织在1300nm波长区与800nm相比，由于光散射的减少，使得穿透深度更深，更适合于皮肤等OCT成像。目前，800nm波段的光源主要用于眼科成像，技术较为成熟。成像速度是另一重要性能参数。FDOCT检测技术使得成像速度比普通分辨率的TDOCT系统约快15～50倍，比超高分辨率的TDOCT快约100倍。这是由于FDOCT增加了衍射光栅,并采用多线采集器接收相干光信号，扫描过程不需要振镜的振动，从而得到超高的成像速度［7］。因为视网膜的反射光非常弱，所以要获得视网膜的高质量图像，OCT设备必须达到极高的灵敏度。OCT系统利用了光学通讯检测微弱光学信号技术，可以达到很高的测量灵敏度。缩短图像获取时间对于减少由受检者的眼球运动造成的图像失真及提高受检者在断层成像测量中的舒适性来说是很重要的。Stratus OCT，即OCT3，是TDOCT的典型代表，现将Stratus OCT与FDOCT的各项性能参数进行对比(表1)［8］。
图1TDOCT的成像原理。（略）
图2FDOCT的成像原理。（略）
表1Stratus OCT与FDOCT各项性能参数对比（略）
4三维OCT在眼科的应用
对于任何OCT系统，因为眼部运动会引起伪影，所以可行的图像采集时间是有限的。传统的TDOCT系统图像采集速度有限，所以视网膜三维成像在以前是不可能的。由于FDOCT增加了光源的宽带，提高了信噪比(FDOCT的信噪比可高出TDOCT 30倍［9］)，具有极大的成像速度和分辨率优势，正在取代传统的TDOCT技术。随着FDOCT技术的成熟，三维OCT应运而生。三维OCT因为采用了傅立叶域技术，采集速度非常快，尽量避免人眼运动的影响，保证了采集数据的准确性。采集的数据量丰富，采集范围内不会忽略小的病变，避免了早期小病变的漏诊。而且三维OCT可从三维结构上对疾病产生形象直观的认识。Hangai等［10］认为，三维OCT成功的显示了与黄斑裂孔有关的玻璃体后界膜牵拉引起的视网膜微细结构变化。Yamaike 等［11］研究发现，三维OCT可以显示视网膜中央静脉阻塞引起的黄斑囊样水肿的视网膜微细结构，并可以测量囊肿的大小和精确定位囊肿在视网膜各层中的位置。三维OCT还可监测黄斑囊样水肿的病情变化，以及评价治疗黄斑囊样水肿药物的疗效。Ojima等［12］研究发现，三维OCT还可清晰显示中心浆液性脉络膜视网膜病变患者感光细胞层的微细结构变化，以及精确测量黄斑中心凹周围神经上皮层脱离的高度和范围。总之，三维OCT一方面为临床提供了更多的诊断信息，为疾病的检测和药物疗效的评价提供了更可靠、有效的手段；另一方面，可以开辟新的研究领域，比如青光眼、黄斑裂孔、中心浆液性脉络膜视网膜病变、糖尿病视网膜病变、老年黄斑变性等疾病的早期诊断［13］。
5 OCT技术的发展趋势
未来OCT的发展趋势大致可以认为是从单纯结构成像OCT向功能和结构综合成像的OCT发展。通常生物组织在产生病变之前其功能参数就已开始发生变化，因此，功能参数对疾病早期诊断是非常有用的。这些功能参数通常包含血流速度、含氧压、组织结构变化、双折射性质等［14］，功能型OCT通过探测这些变化进行功能成像提供更多信息。近年来得到快速发展的功能型的OCT技术包括：多普勒OCT、偏振光敏感OCT、光谱型OCT和双光线OCT。
5.1多普勒OCT 光学多普勒断层成像术(optical Doppler tomography，ODT)，它是OCT功能的扩展。ODT是激光多普勒流速计与OCT技术的结合，可以同时获得生物组织内部组织结构以及流体的流速分布图。当入射光被运动的粒子散射时，光谱会产生频移，即多普勒效应，从而在被测干涉信号中存在多普勒频移，通过测量多普勒频移可得到空间各点的流速，测量干涉条纹的振幅和频率可得到结构图像［15］。利用这一原理设计的ODT可以对浅表层血管的血液流速及血管结构进行断层成像。血流动力学在糖尿病性视网膜病变和青光眼的整个发展过程中都有变化，使用ODT能够观察视网膜动力学，提高了它作为临床诊断工具的潜力。Yazdanfar等［16］通过ODT测量人视网膜血流搏动,证明了其测量视网膜血流动力学的可行性。Tang等［17］将ODT用于遗传性毛细血管扩张症，可清晰的显示皮肤黏膜毛细血管的不正常结构和血流动力学特征，以及确定皮肤表层微血管的血流速度、直径等。
5.2偏振光敏感OCT 它是一种光偏振OCT分析技术，在普通OCT的基础上增加光的偏振原理进行改进得到的。偏振光敏感OCT（polarizationsensitive optical coherence tomography,PSOCT)，基本构成同OCT，仅在激光发生装置和信号检测装置上各增加了一个偏光器。两者差别在于，前者同时运用了散射和偏振光原理，后者仅利用了光的散射原理。前者通过提取具有光偏振特性样品的背向散射光的偏振态信息进行成像的，可检测某些组织双折射性质的改变。由于样品双折射性的变化可揭示组织结构以及功能或其他方面的变化，故PSOCT特别适合检测具有胶原质、胆固醇晶体、神经纤维、牙釉质和牙本质等具有双折射性质的组织。例如，由于热损伤引起胶原变性，从而引起其双折射性减弱，因此利用偏振敏感OCT测量胶原蛋白双折射性质的改变，来评估皮肤组织热损伤深度［18］。Gotzinger等［19］利用PSOCT对圆锥角膜的偏振性质进行测量和成像，可获得圆锥角膜的反射、延迟、轴线定位等双折射参数的三维数据。
5.3光谱型OCT 光谱型OCT是OCT和光谱分析技术相结合。它根据光源的光谱特性提取待测样品的吸收及散射等信息，定量分析散射组织衰减系数及组分浓度。可用于检测发色团的含量、血红蛋白的氧饱和等，目前这种方法已用于临床实验。Faber等［20］认为光谱OCT可以用于评估血氧饱和度及无创血糖的监测。
5.4双光线OCT 双光线OCT［21］可消除轴性眼球运动对OCT图像的影响，这是由于它以角膜前表面作为参考平面。为了提高轴性分辨率，运用了有效波长为50nm的光谱整合光源，而且屈光间质的散射都得到补偿。与传统OCT对比发现改进的OCT轴性分辨率提高，特别是对黄斑中心凹的成像，可显示传统OCT显示不出的微细结构。
6 OCT技术在生物医学领域的应用
OCT技术被首先应用于眼科，这是OCT最成功最重要的应用领域。因为光学相干层析成像图像纵向分辨率可达微米级，易于小型化，并能融合到导管和内窥镜中去。所以，其在皮肤、口腔科的诊断，以及心血管疾病、胃肠道疾病、癌症早期诊断等方面的应用也日趋广泛。
6.1 OCT在眼科光动力学疗法中的应用 光动力学疗法(photodynamic therapy，PDT)是通过激发局部光敏剂的化学反应进行疾病诊断和治疗的一种新技术。经静脉注射的光敏剂在眼内新生血管组织积聚，局部发生炎症反应，新生血管因内皮细胞损伤、血小板激活和血栓形成而封闭。OCT作为一种非侵入性检查手段，可提供视网膜断层扫描图像，在分辨组织水肿或瘢痕化、典型性或隐匿性脉络膜新生血管（choroidal neovascularization，CNV）方面与组织学检查有很高的一致性［22］，已成为诊断CNV的常规手段之一。研究发现，OCT对CNV诊断的敏感性可达96.71％，在预测CNV活性方面，OCT的敏感性达95.65％，特异性为59.01％［23］。Li等［24］研究了OCT在光动力疗法中发现、监测、定量分析微血管变化的可行性。Standish等［25］利用多普勒OCT监测PDT过程中微血管变化情况，并对PDT疗效进行早期预测。OCT可观察PDT后视网膜下液或视网膜内液体的吸收情况，国内外关于利用OCT监测CNV在PDT治疗过程中病理结构的变化已有很多报道［26］。
[1] [2] 下一页 |
