OCT的發(fā)展史與工作原理

一、背景、發(fā)展歷程

百度百科的解釋?zhuān)汗鈱W(xué)相干斷層掃描技術(shù) （Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱(chēng) OCT）是近年來(lái)發(fā)展較快的一種最具發(fā)展前途的新型層析成像技術(shù)，特別是生物組織活體檢測(cè)和成像方面具有誘人的應(yīng)用前景，已嘗試在眼科、牙科和皮膚科的臨床診斷中應(yīng)用，是繼 X-CT 和 MRI 技術(shù)之后的又一大技術(shù)突破，近年來(lái)已得到了迅速的發(fā)展。它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號(hào)，通過(guò)掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。

光學(xué)相干斷層成像術(shù)(optical coherence tomography，OCT)是一種高分辨率，非接觸性、無(wú)創(chuàng)的生物組織成像技術(shù)。自從20世紀(jì)90年代初應(yīng)用于眼科臨床以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)使我們能在活體上獲得類(lèi)似于眼組織病理改變的影像，提高了我們對(duì)一些疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程的認(rèn)識(shí)，是繼眼科放射診斷、超聲診斷、血管造影診斷后又一全新的影像學(xué)診斷技術(shù)。

第一節(jié)眼科影像技術(shù)的發(fā)展

  1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)后，放射診斷醫(yī)學(xué)逐漸興起。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，顯像能源不斷發(fā)現(xiàn)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的介入，使影像的密度和時(shí)空分辨均有重大突破。新的影像技術(shù)可從多方位、多層次顯示眼部解剖結(jié)構(gòu)及病理變化的信息，開(kāi)拓了眼部影像檢查的范圍，提高了影像診斷的水平，目前已成為眼科最重要的檢測(cè)手段之一。

眼科影像診斷按其像能來(lái)源可分為：射線(xiàn)診斷系列、聲像診斷系列、眼底血管造影系列及光信息圖像分析系列。射線(xiàn)診斷系列是在X線(xiàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，如計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed toInography，CT)和磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)檢查。除此之外，還有Y-線(xiàn)閃爍掃描(Y—scintigraphy)、發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(emission computed tomography，ECT)及數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)等。聲像診斷的超聲技術(shù)發(fā)展很快，由一維的A超，到二維的B超，現(xiàn)已有三維超聲眼部成像，另外還有彩色多普勒成像(color Doppler inlage，CDI)及超聲生物顯微鏡(ultrasound biomicroscope，UBM)等。眼底血管造影系列常用的是熒光眼底血管造影(fundus fluorescein angiography，FFA)和吲哚青綠脈絡(luò)膜血管造影(indocyanine green angiography，ICGA)。OCT作為一種眼科圖像分析方法，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的眼科特有的診斷技術(shù)，它是根據(jù)光學(xué)原理以光掃描形式將所獲取的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，再以圖形或數(shù)字形式顯示，提供量化診斷指標(biāo)。

第二節(jié)  OCT的發(fā)展

 隨著超聲波檢查在眼科領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們希望發(fā)展一種對(duì)眼部組織更高分辨率的檢測(cè)手段。超聲生物顯微鏡(UBM)的出現(xiàn)在一定程度上滿(mǎn)足了這一要求，它通過(guò)使用更高頻率的聲波，可以對(duì)眼前段進(jìn)行高分辨率的成像。但是由于高頻率聲波在生物組織內(nèi)迅速衰減，它在眼內(nèi)的探測(cè)深度受到一定的限制。如果用光波代替聲波，其缺陷是否可以得到補(bǔ)償呢?1987年，Takada等研究出光學(xué)的低相干干涉測(cè)量法，它是在纖維光學(xué)和光電組件的支持下發(fā)展成為進(jìn)行高分辨率光學(xué)測(cè)量的方法；Youngquist等則研究出光學(xué)相干反射計(jì)，其光源是一個(gè)直接與光纖耦聯(lián)的超級(jí)發(fā)光二極管，儀器中含有參考鏡面的一個(gè)臂位于內(nèi)部，而另一個(gè)臂中的光纖則與類(lèi)似于照相機(jī)的設(shè)備相連接。這些都為OCT的出現(xiàn)奠定了理論和技術(shù)依據(jù)。

1991年，麻省理工學(xué)院華裔科學(xué)家David Huang等將研制的OCT用于測(cè)量離體的視網(wǎng)膜和冠狀動(dòng)脈。

 實(shí)驗(yàn)中Huang等對(duì)去除了角膜和晶體的離體人類(lèi)視網(wǎng)膜和視盤(pán)進(jìn)行了OCT觀(guān)察。OCT光束聚焦在視網(wǎng)膜上，從前到后可鑒別的結(jié)構(gòu)依次為玻璃體、視網(wǎng)膜(視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層——紅色，視網(wǎng)膜內(nèi)外叢狀層——黃色至淡藍(lán)色)、視網(wǎng)膜下液、視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)及脈絡(luò)膜和鞏膜。與其他視網(wǎng)膜成像技術(shù)不同的是，OCT從視網(wǎng)膜不同深度的反向散射光之間作鑒別，辨認(rèn)出視網(wǎng)膜內(nèi)各層結(jié)構(gòu)的特征：在橫截面圖中，視網(wǎng)膜的后界為一個(gè)紅色的高反射層，對(duì)應(yīng)于RPE和脈絡(luò)膜毛細(xì)血管層；因信號(hào)衰減，在脈絡(luò)膜深層及鞏膜僅觀(guān)察到弱的反光；在RPE和脈絡(luò)膜毛細(xì)血管層之前出現(xiàn)的暗帶則代表視網(wǎng)膜光感受器的外節(jié)；位于這些外節(jié)之前的視網(wǎng)膜中層表現(xiàn)為中等反射；視網(wǎng)膜內(nèi)界也為一個(gè)紅色的高反射層，此層對(duì)應(yīng)于視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層(retinal nerve fiber layer，RNFL)的解剖定位。由于OCT具有前所未有的高分辨率，類(lèi)似于光學(xué)活檢，因此很快就被發(fā)展用于生物組織的測(cè)量和成像。

由于眼部的光學(xué)特點(diǎn)，OCT技術(shù)在眼科臨床應(yīng)用發(fā)展得最快。1995年以前，Huang等科學(xué)家運(yùn)用OCT對(duì)離體及活體人眼的視網(wǎng)膜、角膜、前房及虹膜等組織進(jìn)行測(cè)量和成像，不斷完善OCT技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾年的改進(jìn)，OCT系統(tǒng)進(jìn)一步完善，并發(fā)展成為一種臨床實(shí)用的檢測(cè)工具，制成了商品化儀器，并最終確定了它在眼底及視網(wǎng)膜成像方面的優(yōu)越性。1995年OCT開(kāi)始正式用于眼科臨床。

1997年，OCT逐漸被應(yīng)用于皮膚科、消化道、泌尿系統(tǒng)和心血管方面的檢查。食管、胃腸、泌尿系OCT和心血管OCT均為侵入性檢查，類(lèi)似于內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管，但它的分辨率更高，可觀(guān)察超微結(jié)構(gòu)。皮膚OCT為接觸性檢查，也可觀(guān)察超微結(jié)構(gòu)。

第三節(jié) 視網(wǎng)膜OCT

1995～1996年的臨床研究主要集中在波士頓的新英格蘭眼科中心和麻省理工大學(xué)的電機(jī)工程和計(jì)算機(jī)系。Hee等對(duì)正常人眼視網(wǎng)膜進(jìn)行OCT成像，發(fā)現(xiàn)0CT得出的視網(wǎng)膜(包括中心凹和視乳頭)橫截面圖像與其組織學(xué)切片相關(guān)。1996年后，OCT逐漸被世界各地眼科醫(yī)生所認(rèn)知，并迅速得到了廣泛的臨床應(yīng)用?？茖W(xué)家根據(jù)臨床應(yīng)用反饋，不斷從操作程序、分析軟件、儀器構(gòu)件等方面對(duì)OCT儀進(jìn)行完善和改進(jìn)，以便臨床操作更方便、功能更齊全、分析更精確。

一．OCT1

最初應(yīng)用于臨床的OCT為OCT1(Zeiss—Humphrey OCT一2000，軟件版本A4)，分別由控制臺(tái)和動(dòng)力臺(tái)組成?？刂婆_(tái)包括OCT計(jì)算機(jī)、OCT顯示器、控制板和監(jiān)視屏；動(dòng)力臺(tái)包括眼底觀(guān)察系統(tǒng)、干涉光控制系統(tǒng)。由于控制臺(tái)和動(dòng)力臺(tái)為相對(duì)獨(dú)立的裝置，兩者之間由導(dǎo)線(xiàn)相連，所以?xún)x器體積較大，所占空間較大。

    OCT1的掃描程序包括線(xiàn)性?huà)呙?、環(huán)形掃描、重復(fù)掃描、組合環(huán)形掃描、6條線(xiàn)光柵掃描、3個(gè)同心圓掃描、放射狀線(xiàn)性?huà)呙?、十字交叉線(xiàn)掃描、矩形掃描和視乳頭(1．5 R，2．0 R，R=1．73 mm)掃描。

    OCT1的分析程序分為圖像處理和圖像測(cè)量。圖像處理包括圖像標(biāo)準(zhǔn)化、圖像校準(zhǔn)、圖像校準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)化、圖像高斯平滑、圖像中值平滑；圖像測(cè)量程序較少，只有視網(wǎng)膜厚度測(cè)量與視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度測(cè)量。

OCT1可以顯示黃斑區(qū)視網(wǎng)膜的神經(jīng)纖維層、內(nèi)外叢狀層、光感受器層和RPE／脈絡(luò)膜毛細(xì)血管復(fù)合層。但由于OCT1的掃描程序及分析程序均較少，因而很快被OCT2所取代。

二、OCT2

    OCT2是在OCT1的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件升級(jí)形成(Zeiss～Humphrey OCT一2010，軟件版本A5，A6．1)。也有一些儀器是將控制臺(tái)和動(dòng)力臺(tái)合二為一，形成OCT2的儀器，這種儀器減少了圖像監(jiān)視器，在同一個(gè)電腦熒屏上觀(guān)察OCT圖像和監(jiān)視患者的掃描部位情況，但操作與OCT1相似，是在控制板上手動(dòng)操作。

    OCT2除保留部分OCT1的掃描程序外，將線(xiàn)性?huà)呙韬铜h(huán)形掃描分為單線(xiàn)掃描和組線(xiàn)掃描、單環(huán)掃描和組環(huán)掃描，并增加了黃斑區(qū)和視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層地形圖掃描。

OCT2增加了不少分析程序。除保留視網(wǎng)膜厚度測(cè)量、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度測(cè)量外，增加了黃斑視網(wǎng)膜地形圖分析、掃描剖面厚度測(cè)量、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層地形圖分析、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層平均值測(cè)量。

在視網(wǎng)膜厚度(特別是黃斑中心凹厚度)測(cè)量及RNFL厚度測(cè)量方面，OCT2的可重復(fù)性更佳，對(duì)黃斑厚度的測(cè)量其變異值小于11μm。運(yùn)用OCT2，人們對(duì)各種眼科疾病進(jìn)行了更廣泛和更深入的研究。

三、OCT3

    2002年OCT3(Zeiss-Humphrey OCT-3000，軟件版本A1．1)的出現(xiàn)，標(biāo)志著OCT技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的階段。OCT3除操作界面更友好，全部操作都可用鼠標(biāo)在電腦上完成外，其掃描和分析程序日趨完善。更重要的是，OCT3的分辨率更高了，其軸向分辨率≤10 μm，橫向分辨率為20μm。OCT3獲取的軸向樣本從原來(lái)的1個(gè)A掃描的128個(gè)增加到768個(gè)，因此OCT3的積分從原來(lái)的131 072個(gè)增加到786 432個(gè)，構(gòu)建的掃描組織橫截面圖像的層次結(jié)構(gòu)更清晰。此外它的設(shè)計(jì)也可用于眼前段成像。

    OCT3提供了18種掃描程序，包括重復(fù)掃描、線(xiàn)性?huà)呙?、環(huán)形掃描、光柵掃描、交叉線(xiàn)掃描、放射線(xiàn)掃描、黃斑厚度地形圖掃描、視乳頭掃描、成比例環(huán)形掃描、同心圓掃描、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度(3．4)掃描、視乳頭環(huán)形掃描、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度(2．27×視盤(pán))掃描、X線(xiàn)掃描、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維地形圖掃描、快速黃斑厚度地形圖掃描、快速視乳頭掃描和快速視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度掃描。

OCT3共提供19種分析程序，包括圖像標(biāo)準(zhǔn)化、圖像校準(zhǔn)、圖像標(biāo)準(zhǔn)化與校準(zhǔn)、圖像高斯平滑、圖像中值平滑、圖像成比例處理、剖面圖厚度測(cè)量、視網(wǎng)膜厚度測(cè)量、視網(wǎng)膜地形圖測(cè)量、視網(wǎng)膜厚度／容積測(cè)量、視網(wǎng)膜概率圖、視網(wǎng)膜厚度／容積表、視網(wǎng)膜厚度／容積變化、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層平均厚度、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度地形圖、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度變化、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度系列分析和視乳頭分析等。

由于OCT3的分辨率提高，所以黃斑區(qū)的掃描圖像可以辨認(rèn)出更多層次，當(dāng)成像較好時(shí)，在圖像中可以分辨出視網(wǎng)膜的7～8層，甚至9層結(jié)構(gòu)，可以更清楚地觀(guān)察視網(wǎng)膜各層結(jié)構(gòu)的病變。此外，OCT3首次提供了視乳頭分析程序，使OCT在青光眼診斷方面提供了更廣泛的應(yīng)用前景。2003年底開(kāi)發(fā)的OCT3新的軟件版本(STRATUS OCT 2．0)提供了正常人視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，將患者的視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度與正常值進(jìn)行比較，可以提高青光眼的診斷準(zhǔn)確性。盡管OCT3的掃描程序和分析程序不斷完善，但隨著臨床應(yīng)用以及對(duì)圖像分析要求的日益提高，其掃描和分析程序也將不斷更新以滿(mǎn)足臨床需要。

第四節(jié)眼前段OCT

    早在1994年OCT出現(xiàn)之初，Izatt等就在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)一只正常人眼進(jìn)行眼前段的OCT檢查，測(cè)量其角膜厚度、前房深度、虹膜厚度，并對(duì)角膜、房角及虹膜進(jìn)行成像。

超聲生物測(cè)量、共焦顯微鏡(confocal microscopy)、鏡面反射顯微鏡(specular microscopy)及經(jīng)改良的光學(xué)生物測(cè)量均可用于測(cè)量角膜厚度。但是，前三者均為侵入性檢查，需接觸角膜表面，而后者雖為非接觸性檢查，但對(duì)角膜上皮光線(xiàn)的反射要求很高，當(dāng)角膜缺氧、上皮光線(xiàn)散射增加時(shí)則難以測(cè)量。由于OCT具有非接觸性的優(yōu)點(diǎn)，雖然它主要是用于視網(wǎng)膜成像，但人們?nèi)匀煌ㄟ^(guò)各種方法用OCT進(jìn)行眼前段成像。實(shí)際上，用OCT2對(duì)眼前段進(jìn)行成像時(shí)，只需要被檢查者的頭位比檢查視網(wǎng)膜時(shí)稍向后移，即可使掃描光束在角膜上聚焦。而用OCT3檢測(cè)患者時(shí)頭位不用移動(dòng)即可進(jìn)行成像。OCT對(duì)視網(wǎng)膜成像是直線(xiàn)型的，實(shí)際上是儀器的設(shè)計(jì)補(bǔ)償了視網(wǎng)膜的彎曲度，由于角膜的曲率半徑較視網(wǎng)膜小，所以當(dāng)其用于角膜成像時(shí)，所成的角膜像的彎曲度比實(shí)際要大，對(duì)周邊角膜厚度測(cè)量有一定的影響。

為了克服用視網(wǎng)膜OCT儀進(jìn)行眼前段掃描時(shí)掃描深度不足的缺點(diǎn)，科學(xué)家發(fā)明了一種附加裂隙燈的OCT對(duì)角膜及眼前段進(jìn)行成像。這種OCT儀其中一個(gè)臂的末端伸展為一個(gè)特殊的平臺(tái)，其上裝置標(biāo)準(zhǔn)的裂隙燈。裂隙燈直接對(duì)眼前段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，操作者可通過(guò)目鏡或攝像機(jī)看到這些結(jié)構(gòu)，并把焦點(diǎn)定在所需要測(cè)量的平面(如角膜)上。由于眼前段研究通常需要比較大的景深，因此OCT光束的橫向光斑通常也比較大，其OCT圖像在橫向上的分辨率和放大倍數(shù)都比較低。焦點(diǎn)分別在角膜、前房角和眼前段時(shí)，其分辨率分別為18μm、22μm、44μm。

OCT對(duì)角膜進(jìn)行成像時(shí)，掃描每到組織交界處即出現(xiàn)高反射，呈現(xiàn)一個(gè)峰，第一個(gè)峰和最后一個(gè)峰之間的距離為角膜厚度，而第一個(gè)峰和第二個(gè)峰之間的距離則為角膜上皮厚度。利用OCT對(duì)角膜厚度的測(cè)量值與超聲生物測(cè)量有高度的一致性，具有高準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，不但可測(cè)量全角膜厚度、角膜上皮厚度，還可通過(guò)計(jì)算得出角膜曲率，也可用于屈光手術(shù)前后監(jiān)測(cè)角膜的改變。

二、OCT工作原理

OCT基Michelson的干涉度量學(xué) , 以超發(fā)光二極管發(fā)光體作為光源 。經(jīng)光導(dǎo)纖維進(jìn)入光纖耦聯(lián)器 , 光束被分 為兩束,一束經(jīng)過(guò)眼的屈光介質(zhì)射向視網(wǎng)膜 , 另一束進(jìn)人參照系統(tǒng) 。 兩個(gè)光路中反射或反向散射的光線(xiàn)在光纖耦聯(lián)器被重新整合為一束并為探測(cè)器所探測(cè) , 對(duì)不同深度組織所產(chǎn)生的反向散射強(qiáng)度和延擱時(shí)間進(jìn)行測(cè) 量 。通過(guò)對(duì)偽彩色的灰階值進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示來(lái)獲得圖像 , 像紅 、黃 、亮綠這樣明亮的顏色代表發(fā)射強(qiáng)的區(qū)域 , 而藍(lán)黑等暗色代 表低反射區(qū) , 綠代表中等反射區(qū) 。

OCT成像的原理與超聲波類(lèi)似，是運(yùn)用反射的近紅外線(xiàn)做為成像媒介形成影像，而非運(yùn)用反射的音波。近紅外線(xiàn)(一般為800~1300nm)來(lái)源分為兩個(gè)途徑，其中一個(gè)途徑用于組織取樣；另一個(gè)則用于參考反射鏡。取樣手臂掃描經(jīng)過(guò)組織時(shí)，可運(yùn)用干涉儀，以參考臂的光線(xiàn)持續(xù)阻絕取樣組織后端發(fā)出的反射。對(duì)于持續(xù)阻絕的光線(xiàn)，會(huì)執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理算法，以達(dá)到深度解析的軸狀掃描。將這些掃描相互堆棧即可形成2D或3D的組織影像。

目前OCT分為兩大類(lèi)：時(shí)域OCT（TD-OCT）和頻域OCT（FD-OCT）。冠狀動(dòng)脈內(nèi)OCT最常見(jiàn)的形式為時(shí)域OCT（TD-OCT）。時(shí)域OCT是把在同一時(shí)間從組織中反射回來(lái)的光信號(hào)與參照反光鏡反射回來(lái)的光信號(hào)疊加、干涉，然后成像。頻域OCT的特點(diǎn)是參考臂的參照反光鏡固定不動(dòng)，通過(guò)改變光源光波的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的干涉。

FD-OCT分為兩種：

（1）激光掃描OCT（SS-OCT），這種OCT利用波長(zhǎng)可變的激光光源發(fā)射不同波長(zhǎng)的光波；

（2）光譜OCT（SD-OCT），它利用高解像度的分光光度儀來(lái)分離不同波長(zhǎng)的光波。

TD-OCT有兩個(gè)光源，主光源是超亮度發(fā)光二極管，發(fā)射寬帶近紅外線(xiàn)（中心波長(zhǎng)1310um，帶寬40-50um）。從光源發(fā)出的近紅外線(xiàn)通過(guò)光纖及探頭到達(dá)人體組織。組織反向散射回來(lái)的光波被探頭收集，同參考臂的光波信號(hào)結(jié)合形成干涉，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)解析，構(gòu)建出顯示組織內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)的高解析度圖像。另外，因?yàn)榻t外線(xiàn)很難穿過(guò)紅細(xì)胞，OCT成像時(shí)需阻斷血流或沖洗血管以排除血管中的血液。這種方法的缺點(diǎn)是造成心肌缺血，而且操作較復(fù)雜，限制了OCT的臨床應(yīng)用。

新一代的OCT成像系統(tǒng)-FD-OCT最大的優(yōu)先是更高速度的掃描，每秒鐘的掃描幀數(shù)為100幀，只需注射一次造影劑就可完成冠脈血管的成像，徹底擯棄了球囊阻斷血流的方法，大大提高了操作的安全性。FD-OCT在掃描速度提高的同時(shí)圖像的分辨率也得到了提高，更清楚的看到病變的微細(xì)結(jié)構(gòu)特征。FD-OCT拓寬了OCT檢查的適應(yīng)癥，左主干病變、開(kāi)口病變等均可獲得滿(mǎn)意的圖像。
頻域OCT技術(shù)比起時(shí)域來(lái)說(shuō)能使系統(tǒng)改善靈敏度的同時(shí)顯著地提高了采樣速度。在譜域OCT中，全部的深度結(jié)構(gòu)（A掃描）被同步獲得而不需要深度掃描。其核心部件是寬帶光源照明的邁克爾遜（Michelson）干涉儀和光譜儀，獲取速度僅由光譜儀中CCD攝像機(jī)的讀出速度所限制，而記錄的后向散射光的強(qiáng)度僅作為光譜頻率而不是時(shí)間的函數(shù)。同時(shí)譜域OCT信號(hào)在光譜密度中被采樣，且作為一個(gè)傅立葉重構(gòu)的結(jié)果，改善了信噪比（SNR）。

三、OCT技術(shù)應(yīng)用

3.1 眼科的應(yīng)用

OCT是一種新的光學(xué)診斷技術(shù)，可進(jìn)行活體眼組織顯微鏡結(jié)構(gòu)的非接觸式、非侵入性斷層成像。OCT是超聲的光學(xué)模擬品，但其軸向分辨率取決于光源的相干特性，可達(dá)10um ,且穿透深度幾乎不受眼透明屈光介質(zhì)的限制，可觀(guān)察眼前節(jié)，又能顯示眼后節(jié)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，在眼內(nèi)疾病尤其是視網(wǎng)膜疾病的診斷，隨訪(fǎng)觀(guān)察及治療效果評(píng)價(jià)等方面具有良好的應(yīng)用前景。參考4中有使用OCT技術(shù)進(jìn)行眼病診斷的詳細(xì)說(shuō)明。

3.2 病理科的應(yīng)用

OCT技術(shù)最重要的應(yīng)用之一是探測(cè)人體軟組織的早期癌變。癌癥的早期診斷是挽救病人生命的關(guān)鍵，唯一確定的診斷方法是通過(guò)活組織檢查，問(wèn)題是需要花費(fèi)一定的診斷時(shí)間，且給出的結(jié)論與分析人員的經(jīng)驗(yàn)等主觀(guān)因素有很大關(guān)系，準(zhǔn)確測(cè)定癌變區(qū)的邊界就更加困難。OCT則依據(jù)癌變組織具有與健康組織不同的光譜特性和結(jié)構(gòu)，得到組織清晰的像，由此實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地進(jìn)行診斷。因?yàn)椴捎昧擞?jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，所得結(jié)果與操作人員的主觀(guān)因素?zé)o關(guān)。另外，OCT技術(shù)將成為對(duì)皮下組織病變進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷而無(wú)需活組織檢查的一種權(quán)威方法，但在此之前還需要更多的臨床試驗(yàn)揭示其優(yōu)點(diǎn)及待解決的問(wèn)題。
在跨科手術(shù)方面，OCT可在去除腫瘤的手術(shù)過(guò)程中分析有無(wú)癌細(xì)胞。一般而言，外科醫(yī)生取出腫瘤周?chē)M織時(shí)，總是希望能清除所有的癌細(xì)胞。而被清除的腫瘤及周?chē)慕M織會(huì)送至病理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一周的分析，以做出手術(shù)后的書(shū)面報(bào)告。由于OCT影像在組織學(xué)/病理學(xué)應(yīng)用均為相同的分辨率，因此手術(shù)室中的OCT系統(tǒng)能夠讓外科醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中精確地知道需要清除多少組織，同時(shí)留下多少安全邊緣部份，采用如此的做法便不會(huì)錯(cuò)誤去除未感染癌癥的組織，因而省卻后續(xù)手術(shù)的費(fèi)用及痛苦。OCT技術(shù)能夠讓醫(yī)生以組織學(xué)的分辨率水平，實(shí)時(shí)看見(jiàn)影像，以便在第一次進(jìn)行去除腫瘤的外科手術(shù)時(shí)做出更好的決定。
日后會(huì)有更多采用OCT技術(shù)的醫(yī)療應(yīng)用。例如，OCT能夠搭配穿刺切片切除早期階段的小腫瘤。對(duì)于罹患乳癌的病患，OCT可搭配視覺(jué)及‘智能’信號(hào)處理技術(shù)，引導(dǎo)細(xì)針插入精確的腫瘤位置，以查明疑似感染的組織，盡可能減少手術(shù)的侵入性。對(duì)于心血管疾病患者，OCT可搭配極小型導(dǎo)管支架，更準(zhǔn)確地找出血管內(nèi)支架或檢查斑塊沉積。在這些類(lèi)型的應(yīng)用中，先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)不僅能夠達(dá)到絕佳的影像畫(huà)質(zhì)，而且能夠進(jìn)行組織分類(lèi)。

3.3 非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

OCT 研究的最初目的是為生物醫(yī)學(xué)的層析成像，并且醫(yī)學(xué)應(yīng)用仍然繼續(xù)占主導(dǎo)地位。除了在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，隨著 OCT 技術(shù)的發(fā)展，OCT 技術(shù)正在向其他領(lǐng)域推進(jìn)，特別是工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，如位移傳感器、薄底片的厚度測(cè)量以及其他可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)物的測(cè)量。最近，低相干技術(shù)已作為高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。OCT 技術(shù)還可用于測(cè)量高散射聚合物分子的殘余孔隙、纖維構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的完整性。還可以用于測(cè)量材料的鍍層。OCT 技術(shù)還能用于材料科學(xué)，J.P.Dunkers 等人使用OCT 技術(shù)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了無(wú)損傷的檢測(cè) 。 M.Bashkansky 等人利用 OCT 系統(tǒng)對(duì)陶瓷材料進(jìn)行了檢測(cè)，拓展了 OCT 技術(shù)的應(yīng)用范圍。S.R.Chinn 等還對(duì) OCT 在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)多層光學(xué)存儲(chǔ)和高探測(cè)靈敏度。

四、未來(lái)趨勢(shì)

在未來(lái)新一代OCT醫(yī)療成像技術(shù)的趨勢(shì)中，將部署功能更強(qiáng)大的多核DSP，以縮短成像時(shí)間，并提高影像分辨率。處理OCT影像的軟件算法目前正處于開(kāi)發(fā)階段。一項(xiàng)被稱(chēng)為偏振敏感OCT(PS-OCT)的技術(shù)能夠運(yùn)用處理算法將光信號(hào)極化，以產(chǎn)生視覺(jué)對(duì)比度更高的影像。高清晰度影像可呈現(xiàn)在齲齒中的小洞或微小的節(jié)結(jié)及腫瘤。
另一項(xiàng)未來(lái)的OCT應(yīng)用是檢查眼部極為細(xì)小的血管，其中OCT可使用多普勒成像技術(shù)繪制血流量圖，并估計(jì)血流速度。其原理與超聲波類(lèi)似，但是分辨率更高，可提早診斷出糖尿病以及某些眼部疾病?？删幊?/span>DSP架構(gòu)能夠針對(duì)信號(hào)處理應(yīng)用提供準(zhǔn)確且可擴(kuò)展的平臺(tái)，因此有助于此類(lèi)新型算法的開(kāi)發(fā)及快速部署。

OCT作為一種非接觸性、非侵入性、高分辨率的成像手段，必將越來(lái)越多地應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究。未來(lái)的OCT將在以下三個(gè)方面繼續(xù)發(fā)展

一、提高分辨率

(一)超聲介導(dǎo)的OCT

OCT的軸性分辨率與光源的帶寬有關(guān)。商業(yè)用途OCT分辨率為10～20μm，實(shí)驗(yàn)室固體激光光源OCT分辨率可達(dá)4μm。但是這種分辨率是基于單一散射情況下的，當(dāng)多種散射存在時(shí)，隨著深度增加，分辨率迅速下降。超聲介導(dǎo)的OCT可減低多種散射的作用。實(shí)驗(yàn)證明，持續(xù)超聲介導(dǎo)可提高17％的分辨率，脈沖超聲介導(dǎo)可提高8％的分辨率，同時(shí)圖像的噪音減低。

    (二)雙光線(xiàn)OCT

雙光線(xiàn)OCT消除軸性眼球運(yùn)動(dòng)對(duì)OCT圖像的影響，這是由于它是以角膜前表面作為參考平面。為了提高信號(hào)質(zhì)量，反射在角膜及視網(wǎng)膜上不同波段曲率的光線(xiàn)被一個(gè)衍射的光學(xué)元素整合。為了提高軸性分辨率，運(yùn)用了有效波長(zhǎng)為50μm的廣譜整合光源，而且屈光間質(zhì)的散射都可得到補(bǔ)償。用傳統(tǒng)的及雙光線(xiàn)OCT對(duì)正常人的黃斑中心凹和視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層厚度進(jìn)行了檢查，并對(duì)比兩者的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的OCT軸性分辨率提高，特別是對(duì)中心凹的成像，可顯示傳統(tǒng)OCT顯示不出的微結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。而且雙光線(xiàn)OCT的軸性穩(wěn)定性可以使記錄眼底各層的特殊幾何學(xué)輪廓成為可能。

(三)附加熱光源的OCT

附加熱光源的OCT在其輔助的幾何學(xué)設(shè)備中附加了一個(gè)3 W的燈泡，使其軸性分辨率在一般組織可達(dá)1．1μm，在標(biāo)準(zhǔn)玻片上可達(dá)0．7μm，可以觀(guān)察到涂片上的上皮細(xì)胞。

二、增加探測(cè)范圍

(一)經(jīng)鞏膜OCT

鞏膜為高散射組織。光源為1 310 nm波長(zhǎng)的OCT可穿透鞏膜對(duì)摘除的眼球進(jìn)行成像。而附加了裂隙燈的波長(zhǎng)為1 310 nm的OCT可對(duì)活體眼球進(jìn)行經(jīng)鞏膜0CT檢查，兩者均可對(duì)前房角及睫狀體清晰成像。

    (二)偏振敏感性OCT

    偏振敏感性OCT(Polarization sensitive optical coherence tomography，PSOCT)可在混濁的介質(zhì)中增加極性狀態(tài)下的光反射，從而提高各層組織間的對(duì)比度，提供深度分辨性的測(cè)量。雙光源、雙探測(cè)器的PSOCT可有效地應(yīng)用于軟組織(如皮膚)的測(cè)量。

    (三)鉻激光OCT

    這種OCT運(yùn)用Cr激光作為光源，其攝像系統(tǒng)為遠(yuǎn)紅外線(xiàn)照相機(jī)，它可對(duì)多種組織進(jìn)行成像，包括人的皮膚、鼠的耳朵等。

    (四)彩色多普勒OCT

    彩色多普勒OCT(color doppler optical coherence tomography，CDOCT)是OCT功能的延伸，它可在混濁的介質(zhì)中實(shí)時(shí)測(cè)量血流。經(jīng)多普勒處理的數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)用一種新的自相關(guān)技術(shù)軟件，使數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍的信號(hào)得到處理。這種多普勒處理方法與高速OCT系統(tǒng)配伍，使實(shí)時(shí)的血流成像成為可能。在模擬組織的人體模型中CDOCT可對(duì)雙方向的血流進(jìn)行每秒4幅圖的橫截面成像。在鼠的股動(dòng)脈CDOCT可對(duì)搏動(dòng)的血流進(jìn)行每秒8幅圖的成像。

    三、三維OCT

    三維OCT首先用于體外的人類(lèi)輸卵管和周?chē)窠?jīng)成像。Ito等將三維OCT用于活體的玻璃體黃斑牽引綜合征的成像，與傳統(tǒng)OCT相比，其成像的層次更豐富，提高了視網(wǎng)膜各層組織間的對(duì)比度，使前膜和視網(wǎng)膜之間的關(guān)系更為突出。

    20世紀(jì)90年代末期，我國(guó)較大城市的醫(yī)療機(jī)構(gòu)先后購(gòu)進(jìn)了Zeiss-Humphrey的OCT掃描儀，對(duì)黃斑疾病和青光眼進(jìn)行臨床檢查。主要對(duì)正常人黃斑厚度、黃斑裂孔、中心性漿液性視網(wǎng)膜脈絡(luò)膜病變、老年性黃斑變性、視網(wǎng)膜中央靜脈阻塞、視網(wǎng)膜中央動(dòng)脈阻塞、糖尿病性視網(wǎng)膜病變、視網(wǎng)膜前膜、先天性視網(wǎng)膜劈裂、Stargardt病、正常人視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層、青光眼視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層等方面進(jìn)行了大量研究。至2004年止，在《中華眼底病雜志》、《中華眼科雜志》、《中華醫(yī)學(xué)雜志(英文版)》等雜志已刊登有關(guān)OCT臨床應(yīng)用的文章100多篇，大大提高了我國(guó)黃斑疾病和青光眼的臨床診斷水平。

目前的OCT技術(shù)的局限性主要表現(xiàn)為沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫(kù)可供比較，在屈光間質(zhì)混濁的情況下(如致密的角膜中央瘢痕、中等到嚴(yán)重的后囊下白內(nèi)障、明顯的玻璃體混濁)很難獲得清晰的OCT圖像，尤其對(duì)定量分析影響較大。但是隨著圖像分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，OCT技術(shù)將不斷完善和開(kāi)發(fā)，其量化指標(biāo)的客觀(guān)性將更為突出，分辨率將進(jìn)一步提高，將為臨床提供更有價(jià)值的圖像數(shù)據(jù)資料。

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