从光学相干层析成像到光学频域成像

激光与光电子学进展2009.01

特别报道／生物光子学

人

体健康状态的无创实时监测与疾病的早期诊断是提高全民健康水平和控制医疗成本的根本保证，也是现代医学技术发展的内在要求和必然趋势。研究行之有效的实时监测与早期诊断方法，发展高分辨无创光学成像技术，以用于常见病、多发病、慢性病和重大疾病的定期筛查与早期诊断，具有非常重要的现实意义，

也必将产生深远的社会效益。光学方法不仅可以实现对活体组织的无损伤、非侵入、非电离辐射及实时的探测和成像，而且可用于活体生物组织的显微结构分析、特性参数测量，在生命科学的基础研究和临床应用中具有极大应用前景，倍受瞩目。如光学相干层析成像术(OCT)、

共聚焦光学显微术、扩散光层析成像术，以及基于荧光和拉曼光谱的成像术或光谱分析术等[1~4]，

这些光学方法均可通过内窥方式检测人体脏器，与常规的医学影像学方法相比，具有更高的灵敏度与分辨率。尤其是OCT 技术，已成为医学诊断技术的国际发展前沿，能实现疾病的筛查与早期诊断、过程监视和手术介导等多种医学功能，并已

图1OCT 成像原理与显微光学活检图像

究的重要内容，而用光学方法来记录生物电活动也是研究热点。但该技术存在如荧光基线漂移、细胞收缩引起的运动伪迹和膜电位绝对值的测量等国际公认的技术难点，限制了其应用范围。对此，可以构建多通路荧光细胞膜电位记录系统。在国家自然科学基金

(60378018)

的资助和博士点基金资助项目

(200806980024)下，我们成功开发了用于心脏电生理

研究的光学标测系统。

该系统利用图像匹配、多波长多探测器测量校正和比值法计算膜电位绝对值等手段，以期能较好地克服以上问题。利用该系统能实现实时检测细胞膜电位，动态显示电兴奋的传导过程，为人体生理、病理研究提供新的技术手段并提高我国基础电生理研究的技术水平，为临床诊断的进一步应用奠定了基础。

1Grinvald A.,Hildesheim R..VSDI:a new era in functional imaging of cortical dynamics[J].Nature Reviews

Neuroscience ，2004，11(5):874~885

2Petersen C.,Ferezou I.,Bolea S..Visualizing the cortical representation of whisker touch:voltage-sensitive

dye imaging in freely moving mice[J].Neuron ,2006,50(4):617~6293张镇西等编，生物医学光子学新技术及应用[M]，北京:科学出版社，2008

参考文献

从光学相干层析成像到光学频域成像丁志华教授吴彤孟婕王凯杨亚良

王玲吴兰刘旭

浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州３１００２７Ｅ－Ｍａｉｌ：ｚｈ＿ｄｉｎｇ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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中国光学期刊网ＦＥＡＴＵＲＥ／Ｂｉｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ

在眼疾病检查、肿瘤早期诊断、骨关节炎早期诊断、粥样斑块确认与介导消融等诸多领域得到应用。

典型的OCT 成像原理与显微光学活检图像如图1所示。低相干光源的带宽决定了系统的轴向分辨率，系统横向分辨率则由成像探头的聚焦光斑决定。OCT 不仅可以获得样品的结构图像，还可获取样品的功能图像。功能成像是常规OCT 结构成像的重要拓展。目前发展的OCT 功能成像主要包括多普勒OCT 、偏振OCT 、光谱OCT 。多普勒OCT 将多普勒技术与OCT 结构成像技术有机结合，能实现高分辨组织结构和血流动力学的同步成像。偏振OCT 利用光的矢量特性来探测生物组织内部的双折射分布信息；光谱OCT 依据组织不同成份对光谱吸收与散射特性的差异来构筑图像。

成像速度一直是OCT 技术发展的核心，要将现行OCT 技术推广到临床应用中，必须解决实时成像问题。时域OCT 通过参考臂机械扫描或其他光程扫描方式来获取深度信息，成像速度受到一定限制。目前，处于热点研究中的傅里叶域(包括谱域和频域)OCT 则是提高成像速度的主要途径。谱域OCT 通过增加干涉光谱的并行探测维度来实现深度信息的即时提取，成像速度因而可以极大地提高，目前已报道了10~400KHz 的轴向扫描速度，实现了实时成像。但是，谱域OCT 能否真正突破现行时域OCT 性能的关键是光谱仪的光谱分辨率与光谱范围，以及线阵探测器的灵敏度与动态范围，同时涉及系统复杂化和仪器成本的提高。频域OCT ，又

称为光学频域成像(OFDI)，具备谱域OCT 同样的快速成像能力，并兼有时域OCT 系统简单化和平衡探测优势。作为第二代OCT 的OFDI 技术，其典型内窥成像系统如图2所示。系统核心部分是扫频光源，它一般由半导体光放大器作为激光增益介质，采用基于光栅和多面转镜的快速滤波器结构，实现对光频率的快速扫描。

对于中心波长在1310nm 附近的扫频光源，其扫频范围通常达到110nm~120nm ，扫频速率达到64kHz ，平均光强为30mW 。

OCT 最初应用是对光学透明结构如眼睛的前房和视网膜的观察。近些年来，

以心血管疾病为代表的慢性非传染性疾病已成为威胁人类生命健康最常见的疾病，在死因排列中位居第一。如心肌梗塞，它是由供应心脏的血管发生狭窄或堵塞，心肌无法获得足够的氧气及营养，而引起的心脏肌肉坏死。

心血管狭窄或堵塞的主要原因是冠状动脉管腔因粥状硬化所形成的肿块。这种由纤维帽包容的脂肪沉积斑块很容易破裂，并导致心肌梗塞。最近，美国哈佛医学院的一支研究小组，报道了他们利用研制的OFDI 内窥成像仪，

首次获得了人体冠状动脉血管的3D 图像，第一次从技术上实现让心脏病专家肉眼观测冠状动脉3D 图像来诊断潜在的病理变化[5]。OFDI 内窥成像仪仅在短短几秒内获得3D 图像，而且降低了来自动脉血液的信号干扰。参见图3，OFDI 内窥成像仪能够精确呈现病人右冠状动脉内部新设置的药物洗脱支架(暗蓝色)、

指示炎症的巨噬细胞(绿色)，以及油脂沉积(黄色)，并以漫游视见形式展现人体动脉内部。这种3D 图像能够让心脏病专家更清楚地观测患者动脉内部状况，检测到易导致心脏病发作的动脉内发炎区或色斑沉淀。

由于OCT/OFDI 成像深度只能达到1~3mm ，无法

图3病人右冠状动脉OFDI 图像。左图为冠状动脉切面图，右图为漫游观察视图，

白色箭头对应于右图中的点线位置

图2OFDI 内窥成像系统

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