频域光学相干层析成像及其在眼科中的应用

２ Ｃ Ｔ 原理与结构 Ｏ
标准时域 Ｏ 系统的核心是一个 Ｃ Ｔ（ Ｔ Ｄ Ｏ Ｃ Ｔ） 迈克尔逊干涉仪 。 光源发出的低相干光经过分光镜 分别入射到参考镜 和 样 品 组 织 ， 一路经透镜扩束投 射在全反射镜上发 生 反 射 作 为 参 考 光 ， 另一路由透 镜共焦系统聚焦在 样 品 上 作 为 信 号 光 ， 参考光与样 品后向散 射 的 信 号 光 产 生 的 干 涉 信 号 被 探 测 器 接 受 。 由于来自样品不同深度的散射信号具有不同的 对应参考臂的某一 位置 ， 只有来 自 样品 某 相位延迟 ， 一特定深度的散射信号才能与参考光相干 ， 由于光源 的相干长度很短 ， 只有信号光与参考光处在近似等光 程 时 才 能 产 生 干 涉 信 号， 使系统成像能具有高分辨 率。在 Ｏ Ｃ Ｔ 中扫描过程分为横向扫 描 和纵 向扫描 。 纵向扫描可通过光学延迟或者频谱反推的方法得到 ； 而横向扫描即 犡 犢 方向 的扫描可 通过 移 动样品组 织 或者将探测光扫描整个样品组织来实 现 。 两者 结 合 就可以得到样品组织的断层图像以及三维结构 。 时域 Ｏ Ｃ Ｔ 一般通过 移 动 参 考 镜 来 实 现 光 学 延 迟 。 与时域 Ｏ 在频域 Ｏ 直接测量 Ｃ Ｔ 相 比， Ｃ Ｔ 中， 的是干涉信号的光谱 ， 它只需横向扫描 ， 而相对耗时
１ 引 言
由于 光 学 成 像 技 术 能 提 供 无 创 的 诊 断 图 像 ， 因 此它在医学领域具有重要的意义 。 光学相干层析成 像（ 是近十年发展起来的一种基于光学相干 Ｏ Ｃ Ｔ） 特性的新型医学成像技术 。Ｏ Ｃ Ｔ 的概 念是 １ ９ ９ １年
［ １］ 由 Ｄ．Ｈ 他们采用 Ｏ ｕ ａ ｎ Ｃ Ｔ 技术成功 ｇ 等 提出的 ，
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中 国 激 光
３ ６卷
因此 不 会给 人体带 来 Ｏ Ｃ Ｔ 采用近红外光作为光源 ， 危害 。 经实验证实 ， 牙科 、 心 血管 Ｏ Ｃ Ｔ 技术在眼 科 、 疾病 、 胃肠道检测 、 乳 腺 癌 早 期 诊 断、 皮肤癌的早期 都具有重要的应用 诊断以及发育生物 学 等 研 究 中 ， 。 但 是 到 目 前 为 止， 眼科依旧是 Ｏ Ｃ Ｔ 应用 其中 最 重 要 的 原 因 是 因 为 眼 介 质 的 高 的主要领域 ， 价值 透光性 。Ｏ Ｃ Ｔ 已经成为研究眼底部分的一项常规 手段 ， 在研究眼前部分应用的相对较少 ， 但是有研究 显示 Ｏ Ｃ Ｔ 对于角膜 病 理 的 细 节 和 房 角 及 虹 膜 的 结 构改变的成像和测量有很大帮助 等
还 可以对非 透 Ｏ Ｃ Ｔ 除了能对透明组织成像外 ， 明组织有效成像 。 由于它具有非接触性和非侵入性 的特点 ， 因 此 可 在 自 然 条 件 下 进 行 实 时 在 体 测 量。
地对人 眼 视 网 膜 的 显 微 结 构 和 冠 状 动 脉 壁 成 像 。
） 、 国家 ８ ） 、 上海市科委科研计划 （ ７ ３ 计划 （ ２ ０ ０ ５ Ｃ Ｂ ７ ２ ４ ３ ０ ２ ６ ３ 计划 （ ２ ０ ０ ８ ＡＡ ０ ３ ０ １ １ ８ ０ ７ Ｄ Ｚ ２ ２ ０ １ ０ 资助课题 。 基金项目 ：国家 ９ 作者简介 ：王纬超 （ ， 男， 博士研究生 ， 主要从事生物医学光学成像方面的研究 。Ｅ ： １ ９ ８ ５－ ） ｍ ａ ｉ ｌ ｉ ｏ ｒ ｉ ５ ２ ６＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ 导师简介 ：任秋实 （ ， 男， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事激光生物医学方面的研究 。 ： １ ９ ６ ３－ ） Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｒ ｅ ｎ ｓ ｈ＠ｓ ｔ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ｑ ｊ ： Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｘ ｉ ｅ ｎ ｔ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 通信联系人 。 ＠ｓ ｐ ｇ ｊ
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频域光学相干层析成像及其在眼科中的应用
王纬超 刘宇嘉 Ｔ ｏ ｂ ｉ ａ ｓＢ ｒ ａ ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ 席 鹏 周传清 江珊 任秋实
（ 上海交通大学生命科学与技术学院 ，上海 ２ ） ０ ０ ２ ４ ０ 摘要 光学相干层析成像 （ 是一种具有高分辨率 、 非接触 、 非侵入的成像技术 ， 它通过测量生物组织的后向散 Ｏ Ｃ Ｔ） 射光的干涉信号 ， 对生物组织的内部结构进行层析成 像 。Ｏ 特 Ｃ Ｔ 技术作为一种诊断技术被广泛应用于医学领 域， 无需进行纵向扫描就可得到 全 部 深 度 位 置 的 特 征 信 息 ， 因此成像速 别是眼科图像诊断 。 由于频域 Ｏ Ｃ Ｔ（ Ｆ Ｄ Ｏ Ｃ Ｔ） 度比传统时域 Ｏ 快， 更适合于眼科应用 。 构 建 了 一 套 基 于 光 纤 的 频 域 光 学 相 干 层 析 成 像 系 统 ， 纵向 Ｃ Ｔ（ Ｔ Ｄ Ｏ Ｃ Ｔ） 扫描速度达到了每秒 ２ 实现临床诊断 。 分辨率达到了 １ ０μ ｍ， ４ ０ ０ ０ 次以上 。 通过调节系统可对眼底视网膜成像 ， 关键词 医用光学 ；光学相干层析 ；眼科 ；频域 ；视网膜 中图分类号 Ｏ ： ／ ４ ３ ６ 文献标识码 Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ７ ８ ８ 犆 犑 犔 ２ ０ ０ ９ ３ ６ 狊 １． ０ １ ８ １
第３ ６卷 ２ ０ ０ ９年６月
中 国 激 光 犆 犎 犐 犖 犈 犛 犈犑 犗 犝 犚 犖 犃 犔犗 犉犔 犃 犛 犈 犚 犛
光学前沿 — — — 激光技术及应用 专 刊
Байду номын сангаас
（ ） ０ ２ ５ ８ ７ ０ ２ ５ ２ ０ ０ ９ Ｓ ｕ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ １ ０ １ ８ １ ０ ４ 文章编号 ： ｐ ｐ
演示 了 人 类 视 网 膜 的 活 体 光 学 相 干 层 析 成 １ ９ ９ ３年， ［ ］ ］ ２ ３ 像 。 开 始 眼 科 的 临 床 研 究［ 。十 多 年 的 １ ９ ９ ５ 年， 时间里 ， 光学领域的科研工作者广泛展 开 Ｏ Ｃ Ｔ 系统
］ ４ 研制与应用研究［ ， 在各方面都获得了巨大进展 。
［ ７］ ［ ６］ ［ ］ ５
的纵向扫描则由光谱测量所取代 。 根据衍射层析成
９］ 像（ ） 的 相 关 理 论［ ， 介质内 Ｄ ｉ ｆ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｔ ｏ ｍ ｏ ｒ ａ ｈ ｇ ｐ ｙ
散射势与被接收到的散射场信号之间存在傅里叶变 即 换关系 ， ｝ ， （ ） 犉ｓ（ 狕）∝ 犉 犜｛ 犃ｓ（ 犓） １ 式中 犉 为 散 射 势 能， 为由样品内返回的 狕） 犃ｓ（ 犓） ｓ（ 背向散射场的光谱 。 由于干涉图样和光谱强度之间 互为傅里叶正逆变换 ， 在光谱仪的输出端 ， 将光谱强 度进行傅里叶逆变换就可以得到与通过低相干干涉 测量法得到的相同信号 。 样品不同深度的信息通过 对所测光谱的傅 里 叶 逆 变 换 得 到 ， 因 此， 费 时 的、 机 械的 Ｏ Ｃ Ｔ 深度扫描就被光谱测量所代替了 。 本实验 研 制 了 一 套 基 于 光 纤 的 频 域 Ｏ Ｃ Ｔ系 统， 如图１ 所示 。 下面通过对频域 Ｏ 系统各个部 Ｃ Ｔ 分的基本特性及功 能 作 用 的 分 析 讨 论 ， 来了解该系 统的主要硬件部分 。
。最近， Ｂ ａ ａ ｅ ｖ ｇ ｙ
成功用 Ｏ Ｃ Ｔ 监视了激光角膜消融 。
通过测量样 Ｏ Ｃ Ｔ 利用宽 带 光 源 的 低 相 干 特 性 ， 品后向散射光的干涉信号对生物组织的内部微观 结
］ ８ 构进行高分辨率层析成像［ 。 传统的时域 Ｏ Ｃ Ｔ 有很
多致命的瓶颈 ， 由于受到扫描速度等 因 素的 影响 ， 使 得真正意义上的实时成像成为一种空 想 。 而低 相 干 测量技术中的频域干涉法是通过一个分光计把光 束 相比 之 下 ， 它 分成多个波长的光波干涉而测 量获得 ， 具有无需进行纵向扫描的突出特点 。 本实 验 的频 域 系统相比普通 Ｏ 加入了分光 Ｏ Ｃ Ｔ（ Ｆ Ｄ Ｏ Ｃ Ｔ） Ｃ Ｔ 系统 ， 光栅 、 由线阵 Ｃ Ｃ Ｃ Ｄ 等器件 。 光栅分光后 ， Ｃ Ｄ 做探测 接收时间比起普通 Ｏ 元件来提取光谱 ， Ｃ Ｔ 系统 中 点 探测器的接收时间大为增加 ， 还增加了采集的数据 。