光学相干层析成像原理和在医学领域的应用

2019年2月光学相干层析成像原理和在医学领域的应用李恒（南京市第二十九中学（高中部），江苏省南京市210000）

【摘要】光学相干层析成像是一种基于低相干干涉原理对样品进行断层成像的技术，凭借着无损伤、非侵入、高分辨、操作简单、便携等优点，在生物医学领域得到了广泛的应用。本文综述了光学相干层析成像技术的发展历程；解释了光学相干层析成像技术的基本原理；分析了时域和频域两种不同结构的光学相干层析光路原理；比较了光学相干层析成像和其它显微成像技术的优缺点。对光学相干层析成像在生物医学领域的应用进行了详细的介绍；分析目前技术发展的瓶颈，并对光学相干层析成像技术的发展和未来进行展望。

【关键词】光学相干层析；OCT；断层成像；生物医学

【中图分类号】R-39【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2019）02-0210-02

1引言

生物医学和生命科学等领域对图像的清晰获取提出了越来越高的要求。目前,大部分常用的医学影像技术[1]如X射线,核磁共振,超声扫描等技术在分辨率方面可以达到毫米和微米量级,可以满足了大部分需求,但是在眼部,皮肤表层组织等易受损组织器官,上述方法并不十分适用。

光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography, OCT)[2]是一种基于低相干光干涉原理,结合光学、电子学、计

算机、图像处理等一门综合的新型成像技术。OCT技术凭借着无损伤、高分辨、非侵入、操作简单、便携等优点在生物医学、光学检测、工业检测、科研研究等领域得到了广泛的应用。1991年,麻省理工学院首次提出了光学相干层析技术[3],获得了人眼视网膜黄斑附近的微细结构的层析图像。1994年,由ZEISS公司开发并投入商业使用,2004年,澳大利亚维也纳大学R.A.Leitgeb等人搭建了高分辨率(2.5um),快速扫描频域OCT系统[4]。随后,光学相干层析成像技术发展的越来越迅速,在眼科,牙科,皮肤表层组织观测等生物医学领域得到了越来越广泛的应用[5]。

本文综述了光学相干层析成像技术的基本原理和光路结构,分析了光学相干层析技术和其它显微成像技术的优缺点对比。详细分析了光学相干层析技术在眼科,牙科和皮肤表层组织观测等生物医学领域的发展和应用。最后分析了目前光学相干层析技术在实际应用过程中遇到的问题,并对光学相干层析技术发展进行一定程度上的展望。

2正文

与其它显微技术相比,光学相干层析技术是基于低相干光干涉原理,整体光路结构采用迈克尔逊干涉光路。通过对观测物体的层析扫描,记录散射物光波和参考光波干涉得到图像,实现物光波信息三维再现。整体上按照光路结构的不同,又可以分为时域OCT和频域OCT两种OCT结构。2.1时域OCT

时域OCT是最初出现的光学相干层析结构[6],系统结构图如下所示。低相干光源发出的光进入光纤,在光纤耦合器作用下分成两束光。一束光照射测量样品作为物光波,另一束光照射参考平面镜作为参考光波,参考平面镜反射的参考光和照射样本散射回来的物光在光纤耦合器发生干涉,光电探测器采集信号并传到计算机里,经过计算机处理后可以获得物体三维信息。在时域OCT下,实现对物体不同深度的扫描靠的是参考镜进行前后移动,纵向扫描。因此时域OCT的成像速度受参考臂机械扫描结构影响很大,影响了成像速度。观测同一深度下的物体不同深度的信息是通过在物光路对物体进行横向扫描来实现的。

2.2频域OCT

频域OCT[7]是在时域OCT基础上进行的进一步改进,考虑到时域OCT在进行层析的过程中,要通过参考臂反射镜进行前后移动,机械结构的不稳定性会带来误差,而且大大减慢了成像速度,对实时性造成影响。频域OCT结构上主要包括光源、迈克尔逊干涉仪、光谱仪三部分。频域OCT在时域结构的基础上,用光谱仪来代替光电探测机,可以直接获取干涉图样的频谱信息,不需要参考镜进行移动就可以获取不同深度的物体信息。因此频域OCT具有更高的稳定性和更快的扫描速度。

2.3OCT技术优劣势

目前医学影像领域广泛使用的成像方法有X射线断层扫描、超声波成像、核磁共振成像等。但是这些技术也存在一些相应问题。X射线断层扫描(CT):会产生少量辐射,并不适合孕妇等特殊人群。超声波成像:适用范围广,无损伤,但是一种接触性的检查,并不是很方便。核磁共振成像:检测组织中的化学成分和反应,设备具有强磁场,因此并不适合急诊或者体

图1时域OCT光路

示意图

图2频域OCT光路

示意图

论述210

2019年2月

内带有金属异物的病人。相比之下,光学相干断层扫描成像是一种基于低相干干涉原理对样品进行断层成像的技术,具有无损、非侵入、高分辨、易操作、便携等优点。

然而,OCT 技术最大的缺陷在于穿透组织的能力明显不如其它成像方法。最大穿透距离约为2mm 左右,扫描范围7mm 。OCT 技术另外一个明显缺点就是带来的噪声太大,得到的图像噪声严重降低了图像的分辨率,影响了成像的质量。

光学相干层析技术非常适合眼科领域的成像,最初的研究成像对象也是基于眼部。1991年,麻省理工学院首次提出了光学相干层析技术,获得了人眼视网膜黄斑附近的微细结构的层析图像。一般情况下,只有眼部的病情出现较明显的变化,病情才可以确诊,传统的方法很难观察到眼部内部的微小变化。并且,大部分医学成像方式如X 射线扫描,超声波扫描等并不适合眼部的观察,会对眼睛造成损害。OCT 技术凭借着无损伤、非接触、高分辨率且操作简单等优点,可以对虹膜、视网膜、晶状体等结构进行高分辨成像,拍摄黄斑疾病、监测和诊断视网膜的疾病、测量视网膜结构等,使斑变质、青光眼等眼部症状能够在早期就得以确诊。用OCT 检测对眼睛的伤害小,几乎没有伤害。尽管OCT 已广泛应用于眼底疾病的诊断和治疗,但目前为止临床应用的OCT 检查仪还不能完整清晰地生成脉络膜图像。随着近年来对眼底疾病认识的不断加深,脉络膜形态越来越受到眼科临床医生的关注。因此,脉络膜成像成为OCT 面临的一个新挑战。1996年,德国卡尔蔡司公司制造生产了第一台商用OCT 眼科成像仪。

4光学相干层析技术在皮肤，软组织病变检测的应用

光学相干层析技术是一种无损的非接触成像方式,因此适合对烫伤的皮肤等进行成像。烫伤使皮肤组织的双折射性质发生改变,光学相干层析技术可以利用烫伤双折射性质的改变检测出皮肤的损伤程度。另外光学相干层析技术的一个突出优点就是分辨率高,分辨率比X 射线断层扫描,核磁共振成像等技术高1~2个数量级,能够显示具有微米分辨率的组

织层的横截面。因此,皮肤的角质层、表皮和真皮可以通过光学相干层析高分率成像,尤其是在真皮内空洞,角化不全等检测可以得到更加准确结果。

光学相干层析技术另一个有潜力的应用方向是人体软组织病变的检测,尤其是在癌症的早起诊断方面,癌症发现越早对以后的治疗效果越好。目前活组织检测是常用的方法,但活组织检测耗费时间长且受到医生主观经验的影响。光学相干层析技术可以根据正常组织和癌变组织光谱特性和三维结构的不同进行更加方便的检测诊断。另外,光学相干层析技术可以很方便与内窥镜结合,对人体内部如胃,肠道粘膜进行检测,得到的高分辨率图像为医生的诊断提供了更好的工具。5光学相干层析技术在牙科的应用

光学相干层析技术的一个缺点是探测深度浅,但是在一些不需要深层探测的医学领域则能很好的使用,如牙科方面的应用,口腔硬组织成像深度一般在3mm 左右,软组织在1.5mm 左右。1997年科学家用光学相干层析技术获得了牙周围组织的层析图像和离体猪前磨牙的牙本质。随后,在2001~2005年,龋损组织和牙齿的珐琅质也相继用光学相干层析技术得到。利用光学相干层析技术可以对牙齿样品的牙釉质以及牙本质清晰成像,观察到牙釉质与牙本质的分界面。

6总结

本文介绍了光学相干层析技术的基本原理、光路结构,分析了多种医学成像技术与光学相干层析技术的优劣势的对比。并在生物医学,具体在眼科,皮肤软组织检测,牙科三方面进行详细的介绍。光学相干层析技术具有很多突出的优势:高分辨率,无损非接触,实时测量,结构和操作简单便捷等,尤其是在近些年,发展的更为迅速,在医学领域方面得到了越来越广泛的应用。然而,目前仍面临一些问题与不足:

最突出的一点,光学相干层析成像得到的图像会引入很多噪声,除了激光产生的部分散斑噪声外还有扫描产生的机械噪声,严重影响了图像的质量,降低了分辨率。研究一种适合于光学相干层析成像的去噪技术是今后研究的一个重要课题。

参考文献

[1]刘晓梅,李梦月,周敏.光学相干层析成像技术发展及应用[J].山东农业工程学院学报,2017,34(3):47~52.

[2]闫学涛.光相干断层成像(OCT )的噪声去除和三维重建[D].哈尔滨工程大学,2008.

[3]张浩楠,薛俭雷,殷玉莹,等.光学相干层析成像的图像失真及处理技术研究[J].齐齐哈尔医学院学报,2014(12):1802~1803.

[4]朱毅.光学相干层析成像系统控制与图像处理研究[D].暨南大学,2007.

[5]田润,唐罗生.光学相干断层扫描在视网膜神经纤维层检测中的应用[J].眼科新进展,2007,27(5):386~389.

[6]郭永康,姚欣.从迈克耳孙干涉仪到光学相干层析术[J].大学物理,2007,26(1):1~6.

[7]狄宇,叶俊杰.光学相干层析扫描血管成像检查在眼科的应用[J].中华眼科杂志,2017,53(1):65~72.

收稿日期：2019-1-14

图3OCT 眼科成像仪示意图

表1光学相干层析技术与其它医学成像方法对比论述211