邢閃閃　張小丹

摘 要：光學(xué)相干層析成像（OCT）是基于邁克爾遜干涉原理的一種新型深度成像技術(shù)。時(shí)域OCT可獲得被測樣品的深度信息，但它掃描速度低；而頻域OCT利用后向散射光與參考光的干涉成像實(shí)現(xiàn)深度信號的單線一次成像，極大提高了系統(tǒng)掃描速度。但是，頻域OCT卻不能反映組織的內(nèi)部各向異性信息。而偏振OCT利用組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的雙折射特性，不但能夠獲得組織的結(jié)構(gòu)信息，也能同時(shí)獲得組織的相位延遲與快速信息。另一方面，利用多普勒效應(yīng)與OCT原理相結(jié)合衍生出的多普勒OCT，可以提供生物組織內(nèi)部高分辨血管分布和速度分布圖像。新的OCT技術(shù)正在引起廣泛關(guān)注并被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中。

關(guān)鍵詞：光學(xué)相干層析成像（OCT）；頻域；多普勒效應(yīng)

1.前言

量顯微成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很長時(shí)間了。為了觀察生物組織、微生物組織和了解材料的結(jié)構(gòu)，人們發(fā)展了多種成像技術(shù)，例如：X光技術(shù)及層析技術(shù)、核磁共振技術(shù)、超聲、正電子輻射層析技術(shù)及光學(xué)層析成像技術(shù)OT（Optical tomography）等。上世紀(jì)90年代初期，人們結(jié)合上述技術(shù)并利用寬帶光源的低相干特性對生物活體組織的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非侵入式的層析成像，這種新的技術(shù)被稱為光學(xué)相干層析技術(shù)（Optical CohereneeTomography OCT）[1]，這種成像技術(shù)具有許多其他成像方法所不具有的優(yōu)點(diǎn)，其原理是利用寬帶光源的低相干特性，通過測量樣品背向散射光的干涉信號，對生物組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率層析三維成像。

2.OCT系統(tǒng)的基本原理

OCT系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)是邁克爾遜干涉儀如圖1所示。從光源發(fā)出的低相干光由分束鏡分為兩束，一束光由反射鏡反射后按原路返回并透射過分束鏡后到達(dá)探測器；另一束通過聚焦透鏡聚焦成一個(gè)點(diǎn)照射到物體后，其后向散射光按原路返回經(jīng)分光鏡反射后到達(dá)探測器，并與參考臂到達(dá)探測器的光發(fā)生干涉，干涉圖（光強(qiáng)信號）由探測器接收。由于低相干光具有極短的相干長度，因此只有在參考臂與信號臂的光程差匹配時(shí)才能發(fā)生強(qiáng)干涉，這樣經(jīng)反射鏡的掃描運(yùn)動(dòng)后可得到物體內(nèi)部各個(gè)點(diǎn)的不同強(qiáng)度的干涉信號，其干涉信號的強(qiáng)弱反映了物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行圖像重構(gòu)，可以得到物體內(nèi)部的層析圖像。

3.OCT系統(tǒng)成像研究

建立自1991年MIT的Huang[2]等人在Science上發(fā)表題為“Optical Coherence Tomography”的文章以來，OCT技術(shù)一直被關(guān)注，這項(xiàng)技術(shù)最初是在時(shí)域中以時(shí)域低相干干涉測量技術(shù)為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了時(shí)域OCT成像系統(tǒng)[3-5]。

在1993年，F(xiàn)ercher與Swanson等[6-7]發(fā)表了人的角膜組織立體成像OCT圖。隨著橫向快速可調(diào)諧激光器和CCD技術(shù)的發(fā)展，頻域OCT出現(xiàn)了，由Fercher等[8]（1995）最早構(gòu)造了自由空間頻域OCT系統(tǒng)進(jìn)行眼內(nèi)距離的。在頻域OCT系統(tǒng)中，深度信號是是通過參考臂與樣品臂的相干光譜進(jìn)行傅立葉變換直接獲得，因此可以得到深度方向的全部信息從而從根本上提高了采集速度。

Everett等（1998）[9]與Schoenenberger等[10]（1998）使用偏振OCT測量組織的雙折射特性進(jìn)行探測并獲得豬的心肌雙折射圖像。Hitzenberger等（2001）[11]利用偏振OCT系統(tǒng)獲取了雞心肌的包含相位延遲與快軸方向的OCT圖像。偏振OCT可以通過改變光的偏振態(tài)而獲得傳統(tǒng)OCT不能反映的組織信息，包括雙折射特性，衰減特性，擾頻特性等，為臨床確診提供更加可靠的依據(jù)。

功能OCT另一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域是利用多普勒效應(yīng)與OCT原理相結(jié)合衍生出多普勒OCT（DOCT），它源于流動(dòng)顆粒散射的光與參考光發(fā)生干涉的原理，它可以提供生物組織內(nèi)部高分辨血管分布和速度分布圖像。

4.OCT的應(yīng)用研究

4.1在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

a）眼科診斷

OCT可用于檢測諸如青光眼、糖尿病水腫等需要定量測試視網(wǎng)膜變化的疾病，也可以很好的觀察眼球前部病變，探測深度可達(dá)2cm，OCT對眼底結(jié)構(gòu)觀察的清晰度遠(yuǎn)高于其它檢查方法。

b）牙科診斷

在1992年，F(xiàn)ujimoto等[12]就提出了偏振敏感OCT的概念（PS-OCT），在PS-OCT中，使用樣品對背散射光雙折射的大小成像，對于具有較明顯的雙折射效應(yīng)的生物組織來說，PS-OCT能夠獲得一些重要的結(jié)構(gòu)信息，而這些是傳統(tǒng)的OCT做不到的。A.Z.Freitas[13]最近用OCT得到牙齒微結(jié)構(gòu)的三維圖像、對口腔的健康狀況。

c）內(nèi)窺應(yīng)用

內(nèi)窺OCT可用于執(zhí)行生物活檢、監(jiān)測人體器官的功能狀態(tài)、引導(dǎo)手術(shù)或其它治療、監(jiān)測術(shù)后恢復(fù)過程等。在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，活檢切除部位的選擇通?；谝曈X診察或較大組織區(qū)域內(nèi)生物化學(xué)數(shù)據(jù)，但可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的臨床結(jié)果。OCT能精確表示結(jié)構(gòu)變化區(qū)域的邊界，因此，能提供活檢切除部位的精確示意圖。

4.2工業(yè)材料的檢測

工程聚合物現(xiàn)有檢測方法有超聲檢測和顯微鏡表面檢測，前者分辨率低為亞毫米量級，而后者只能對表面高精度檢測，看不到材料生產(chǎn)過程中所關(guān)心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。而OCT方法則克服了上述兩種方法的缺陷，做到了具有一定深度的高分辨率檢測。下圖2為OCT對一種工業(yè)聚合物材料的檢測結(jié)果，圖中亮度代表光強(qiáng)。

5.總結(jié)

光學(xué)相干層析成像作為一種新型的成像技術(shù)，從最初提出到現(xiàn)今時(shí)間不長，但是在微觀生物組織探測的成像研究中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。我們通過對OCT的基本結(jié)構(gòu)和信號特性以及時(shí)域和頻域OCT理論的回顧，進(jìn)一步總結(jié)了最近的一些具備新型功能的OCT技術(shù)，如偏振OCT，多普勒OCT等。一些新技術(shù)正在快速地應(yīng)用于OCT技術(shù)里，快速地拓展到新的研究領(lǐng)域，而且OCT技術(shù)在不斷地廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷，工業(yè)檢測等多個(gè)領(lǐng)域。