劉曉梅，李夢月，周敏

（1.海南大學 機電工程學院，海南 海口570228）

（2.空軍航空大學 東北地區(qū)計算機技術服務中心，吉林 長春130022）

光學相干層析成像技術發(fā)展及應用

劉曉梅1，李夢月1，周敏2

（1.海南大學 機電工程學院，海南 ?？?70228）

（2.空軍航空大學 東北地區(qū)計算機技術服務中心，吉林 長春130022）

光學相干層析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）在近二十多年來迅速發(fā)展，是一種基于相干干涉原理將光、電以及計算機圖像處理技術結合為一體，利用樣品的后向散射光對樣品進行成像的新型成像技術，適用范圍廣，受到眾多科研學者的關注。OCT具有無損傷、非介入、非接觸、圖像分辨率高且操作簡單、便攜、易與內窺鏡結合等優(yōu)點，廣泛應用于光學檢測、工業(yè)檢測、醫(yī)學、生物診斷檢測、科學研究等領域。由于OCT在用于軟組織成像時組織穿透深度有限等原因，導致該技術在生物醫(yī)學領域尚未實現(xiàn)推廣應用。目前OCT技術發(fā)展尚不成熟，相關科研工作者致力于增加系統(tǒng)穿透深度、提高分辨率和信噪比、優(yōu)化系統(tǒng)綜合性能等方向的研究。相關技術的突破，能有效改善系統(tǒng)成像質量、擴大OCT技術應用范圍、提高醫(yī)療檢測技術水平，對促進光譜成像技術的發(fā)展具有重要意義。

光學相干層析成像；光譜成像；光學檢測；生物檢測

1引言

光學相干層析成像（Optical Coherence Tomography,OCT）是一種基于低相干干涉原理，通過測量從樣品反射回來的后向散射光的強度對樣品進行斷層成像的技術。OCT技術具有大量的優(yōu)點，例如無損傷、非介入、非接觸、圖像分辨率高且操作簡單、便攜、易與內窺鏡結合等，因此OCT應用領域廣泛并且具有良好的應用前景。無論是在科學研究、光學檢測還是生物醫(yī)療檢測等領域都可以被廣泛應用并且發(fā)展前景可觀[1-3]。

2 OCT技術原理簡述

2.1時域OCT

時域OCT是OCT家族中發(fā)展最早的形式，其系統(tǒng)結構如圖2-1所示，利用低相干成像。低相干光源發(fā)出的光在光纖耦合器的作用下，將其分為射向平面鏡的參考光束和射向樣品的測量光束，參考光束經平面鏡反射后沿原光路返回和測量光束在樣品上產生的后向散射光在光纖耦合器發(fā)生干涉。隨后光電探測器接受此干涉信號并處理，最后得到樣品的斷層圖像經計算機處理后顯示。時域OCT系統(tǒng)的結構復雜，通常實現(xiàn)橫向掃描是利用樣品的水平移動或旋轉，實現(xiàn)縱向掃描是使用掃描延遲線或掃描鏡，并且時域OCT的成像速度受參考臂機械掃描結構影響很大。

圖2-1 時域OCT系統(tǒng)結構圖

2.2頻域OCT

頻域OCT是在時域OCT的基礎上發(fā)展改進，其系統(tǒng)結構如圖2-2所示。頻域OCT消除了參考臂的機械掃描結構，在光接收端將光電探測器用光譜儀代替。利用傅里葉逆變換對光譜儀接收到的干涉光譜數(shù)據(jù)進行分析構成圖像，并獲得被測物質的縱向信息。由于頻域OCT縱向的信息數(shù)據(jù)是通過光譜儀一次性獲得的，不必進行機械掃描，只需要通過橫向兩個維度的掃描即可得到樣品的三維圖像，大大提高了成像的速度。頻域OCT的實現(xiàn)方法主要有兩種[4]：一是SDOCT（Spectral Domain OCT）即光譜OCT，如圖 2-3所示，光譜 OCT空間光路包括光源、光譜儀、邁克爾遜干涉儀三部分。其中光譜儀主要由起分光作用的衍射光柵和可以探測不同波長的光信號強度并且將探測到的光信號轉化為電信號的CCD組成。光譜OCT利用寬帶光源作為它的光源，它是在干涉儀之后利用陣列探測器(通常使用CCD陣列)和光譜分光裝置進行光譜探測，它利用光譜儀做探測元件對干涉信號進行光譜分析。二是SSOCT（Swept Source OCT）即波長調諧OCT，它一般以邁克爾遜干涉儀為主體，使用的是可調諧光源，利用單一光電探測器來檢測不同波長光的干涉信號，最終得到被檢測物的光譜分析。目前，SSOCT技術的縱向線掃描速度最高可以實現(xiàn)數(shù)MHz。

圖2-2 頻域OCT系統(tǒng)結構圖

圖2-3 光譜OCT空間光路

2.3功能OCT

功能OCT主要是指PS-OCT也稱偏振OCT （Polarization-Sensitive OCT）和ODT也稱多普勒OCT（Optical Doppler Tomography）[5]。偏振OCT，通過測量生物組織中的雙折射性質可以診斷其是否發(fā)生病變；利用偏振光成像可以對生物組織的纖維結構進行成像分析。而且PS-OCT在用于定量測量生物組織熱損傷的情況方面也顯示出良好的發(fā)展前景，有著尤其重要的作用。多普勒OCT是將OCT成像與多普勒技術相結合?；诙嗥绽赵頊y量流速，因此ODT最初用于測量流體力學中的流動粒子，也可以用其探測血管內流體的流速，從而獲得流速圖，所以可以用來輔助血管疾病的診斷，應用于生物組織的測量。

3 OCT技術的應用

OCT技術廣泛應用于多個領域。OCT不僅獲得的斷層圖像分辨率高，而且成像速度快，對被檢測物體的傷害??；還可以對材料或者是生物系統(tǒng)的內部微觀結構進行高分辨率橫斷面層析成像。因此，OCT技術在醫(yī)學、生物學、工業(yè)檢測等領域應用廣泛并且具有良好的應用前景。其中OCT最主要的應用還是在醫(yī)學領域方面為其提供醫(yī)學診斷圖像。

3.1眼科應用

1991年，美國麻省理工學院的D.huang等人Science上發(fā)表論文，首次提出了OCT的概念[6]，D. huang等人就是將OCT應用在人眼的檢測。1993年，F(xiàn)ercher發(fā)表了第一張人類眼底活檢OCT斷層照片[7]。并且Fercher等人用部分相干光通過干涉法測量了眼球的長度，這是OCT在生物醫(yī)學上的首次應用，并且眼部的法布里珀羅（Fabry-Perot）干涉條紋也因此而得到[8]。傳統(tǒng)的眼部診斷方法通常只有在病情已經很嚴重的情況下才能被確診，還不能觀察到眼部組織的細微變化。利用OCT可以對角膜、視網膜、晶狀體等結構進行高分辨成像，拍攝黃斑疾病、測定視神經纖維的厚度、監(jiān)測和診斷視網膜的疾病、測量視網膜結構等，使斑變質、青光眼等眼部癥狀能夠在早期就得以確診[1,9-10]。用OCT檢測對眼睛的傷害小，幾乎沒有傷害。而第一臺商用OCT眼科成像儀于1996年被德國卡爾蔡司公司( Carl Zeiss Meditec，Inc.)制造產生。

3.2牙科檢測

Colston等用OCT取得牙周組織的OCT圖像和離體豬前磨牙的牙本質，并將其成果于1997年首次報道[11]。1998年，Baumgartner等用偏振OCT獲得離體牙釉質牙骨質界的清晰OCT圖像[12]。2001年，Amaechi成功獲得有齲損組織的典型OCT圖像[13]。2005年，Quing Zhu小組于2005年檢測了人牙齒的琺瑯質[14]。2006，F(xiàn)reitasA.Z用OCT得到牙齒微結構的三維圖像、定量與定性分析了口腔的健康狀況、討論了齲齒早期發(fā)現(xiàn)問題[15]。2014年，石博雅在博士論文中，在OCT方法的基礎上，提出了一種牙釉質齲損程度的量化評價方法[16]。利用牙齒表面釉質的雙折射效應，偏振敏感OCT獲得OCT圖像，可以清楚的觀測到牙齒的牙釉質與牙本質以及其分界面，因此可以估計牙釉質的厚度，分辨出齲齒是否病變及其部位，用來檢測早期齲齒。OCT技術在口腔硬組織中的成像深度一般為3mm，軟組織中一般為1.5mm[17]。

3.3皮膚病變檢測

OCT通過對皮膚的角質層、表皮和真皮進行高分辨率成像，可以檢測到人體內部的病理反應諸如炎癥、壞死等，尤其是在皮膚疾病例如真皮內空洞、角化不全和角化過敏等這些方面有著極其大的優(yōu)勢[1,4]。燙傷能夠改變皮膚組織的雙折射性質，而偏振OCT正是可以利用燙傷的此特性從而檢測出皮膚的損傷程度[18]。

3.4內窺鏡光學活檢

內窺OCT是由OCT技術與內窺鏡結合而成，其在一定程度上解決了OCT在應用于軟組織成像時組織穿透深度有限這一缺點。內窺OCT能夠對體內組織進行探測成像，以便能夠及時發(fā)現(xiàn)組織的早期病變，還可以在OCT的探頭上應用MEMS系統(tǒng)，使其在對體內組織進行成像時可以360°旋轉掃描，因此，我們在不需要病理切片等對人體組織有害的操作下能夠在體外觀測體內器官組織的病變情況[5]。Y.T.Pan等人于2003年利用組織熒光圖像指導OCT內窺鏡成像，對早期膀胱癌進行了離體檢測，他們的結果表明此方法在提高診斷早期膀胱癌的準確性上有可能會被提高。2007年，Zhongping Chen等人在OCT內窺成像中加入微機電系統(tǒng)，對人體聲帶和兔子直腸進行活檢，得到了它們的三維高分辨率圖像；2009年，Desmond C.Adler等人通過對人體的結腸、直腸等體內的組織利用波長調諧OCT進行成像，將正常的與病態(tài)的高分辨率圖像進行對比，為診斷這些體內組織的病變提供了依據(jù)；2011年，Xiaojing Mu等人將 MEMS微鏡探頭與商用OCT系統(tǒng)相結合，對老鼠后肢皮膚和肌肉進行了探測成像并得到其圖像，表明在生物組織檢測方面MEMS OCT探頭的應用前景可觀。利用內窺OCT可以對食道，胃，腸進行體內探測成像，使我們可以在體外觀測預防胃腸道疾病。

OCT無論是在眼科疾病、牙科疾病、胃腸疾病、心血管疾病、亦或是癌癥、皮膚病等方面都具有重要的應用價值和發(fā)展?jié)摿?。隨著科技的不斷發(fā)展與進步，OCT在醫(yī)學領域的應用也會不斷發(fā)展擴大，而OCT技術的應用領域也將會更加廣泛。

4 OCT技術的研究現(xiàn)狀

自從OCT技術被報道以來，科研工作者看到了其應用前景，對OCT技術進行了深入的研究，比如OCT的關鍵技術：分辨率、成像速度、信噪比、探測深度等，來優(yōu)化OCT技術，使其能廣泛有效的應用于生活醫(yī)療中[4-5,19]。

OCT的分辨率主要分為由光束聚焦點的尺寸決定的橫向分辨率和由相干長度決定的縱向分辨率。由于影響OCT的分辨率因素，綜合考慮其橫向分辨率和縱向分辨率，OCT一般用低數(shù)值孔徑的物鏡進行聚焦成像[4-5,19]。聚焦深度會隨著橫向分辨率的提高而降低，而為了解決這兩者之間的矛盾，可以利用一種算法——干涉合成孔徑顯微算法對光譜數(shù)據(jù)進行重新處理，得到擁有恒定橫向分辨率的成像結果。OCT的軸向分布率受光源的頻譜范圍的影響，不可能無限提高。B.Povazay通過改造OCT系統(tǒng)得到了亞微米級的分辨率，對生物組織進行成像的分辨率高達0.5μm，他利用的OCT系統(tǒng)具有緊湊結構鈦藍寶石的激光器和光子晶體光纖。[20]。雷湧等人曾提出一種基于近似波數(shù)域算法的干涉合成孔徑顯微技術，獲得了基本不變空間橫向分辨率的圖像結果，同時圖像的重構時間也被縮短;2011年，雷湧等人在此基礎上，在橫向掃描上利用改進的距離多普勒算法，提高了圖像的橫向分辨率和縱向分辨率，并且還將合成孔徑算法用于旋轉掃描圖像，提高了其分辨率。2012年，黃炳杰等人提出一種深度分辨的色散補償方法，用來增強頻域OCT的縱向分辨率[21]。西安交通大學趙宏課題組通過干涉光譜的高斯整形和線性校正，從而提高了軸向分辨率。浙江大學吳彤等人針對利用1310nm波段的掃頻光源的OCT技術得到的光譜進行非高斯分布，利用光譜整形和光譜校準的方法，提高了信噪比和軸向分辨率，將系統(tǒng)分辨率提高至12μm[22]。

光譜OCT中探測深度范圍由光譜系統(tǒng)分辨率決定。如今的OCT技術只能對約幾個毫米深度的皮下組織進行成像，還不可以對生物體的內部組織進行成像，成像深度淺成為OCT技術的弊端，也制約了OCT技術的發(fā)展。中國科學院上海光機步鵬等人于2007年在《光學學報》上提出一種基于正弦相位調制的頻域光學相干層析成像，實現(xiàn)了頻域光學相干層析成像的全深度探測，將OCT成像深度的范圍擴大到原來頻域光學相干層析成像的2倍。2015年，郭 昕等人提出了可以對探測到的頻域信號直接應用光譜整形技術以此來提高成像的深度分辨率的這樣一種技術[23]。

OCT系統(tǒng)有光噪聲和接收電路的噪聲這兩種噪聲源，其中光噪聲又能分為多種，其中較為重要的是光源的噪聲和光纖折射率起伏。2004年Desmond C.Adler等人用自適應小波域濾波器將OCT圖像中的信噪比提高了7dB.南開大學毛幼馨等人通過提高參考臂掃描速度提高了系統(tǒng)的信噪比，使用數(shù)字帶通濾波器有效地抑制了低頻和高頻噪聲同時也可以提高系統(tǒng)的信噪比[24]。天津大學任釗等人建立了一種白光頻域OCT系統(tǒng)，此OCT系統(tǒng)以子譜分析為基礎，提高了軸向分辨率和信噪比同時還保證了最大探測深度[25]。西安交通大學趙宏課題組利用干涉光譜解耦，消除了圖像噪聲[26]。P. Puvanathasan等人將一種利用二型模糊集合來計算小波閉值的圖像去噪方法用于OCT圖像中手指OCT圖像的信噪比提高了10dB。2009年，他們把基于各向異性散射濾波器與二型模糊集合相結合來降低噪聲，這種方法用于手指尖和視網膜圖像使得信噪比增強13dB和7dB。2013年，張?zhí)锏热藢⒍M小波與擴散濾波結合，提出了一種對OCT圖像的二進小波擴散濾波降噪方法[27]。

對于成像速度，S．D．Chang和S．K．Dubey等人發(fā)明了可以減少橫向掃描過程的擁有掃頻光源的全場OCT技術，提高了OCT成像速度[28-29]。但是OCT的成像速度不可能無限提高，它還受到光譜儀器積分時間或掃頻激光器掃描頻率的限制。

5總結

OCT是一種將光、電以及計算機圖像處理技術結合為一體的新型成像技術。目前，發(fā)展較為迅速。不少科研工作者對OCT進行優(yōu)化、改良與深入探索，努力改善其技術參數(shù)，提高其成像分辨率，加快其成像速度，增大其成像深度，減小其體積，減低生產成本，使其逐漸廣泛的應用于醫(yī)療中。OCT技術無論是在基礎醫(yī)學研究方面作為輔助醫(yī)療診斷設備還是在臨床應用方面作為便攜式診斷儀來確定腫瘤的部位等，其應用都具有廣闊的發(fā)展前景，是極具發(fā)展?jié)摿Φ墓鈱W檢測技術。

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編輯：董剛

Optical coherence tomography imaging technology development and applications

LIU Xiaomei1,LI Mengyue1,ZHOU Min2
（College of Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University,Haikou570228,China）
（Northeast Computer Technology Service Center PLA,Aviation University Air Force,Changchun130022,China）Corresponding author,E-mail:twodays999@163.com

Optical coherence tomography,has been developing rapidly in recent twenty years,is a new imaging technology based on the principle of coherent interference.And the optical,electrical and computer image processing technology are combined to image the sample by using the back scattered light of the sample.This Imaging technology is widely used,and draws the attention of numerous scientific research scholars.OCT has the advantages of no damage,the intervention,non-contact,high image resolution,and the operation is simple,portable,easy to combine with endoscope,etc.,and it has been widely applied in the field of optics detection,industrial,medical and biological diagnostic testing,scientific research and so on.Since the penetration depth of OCT used in soft tissue imaging is limited,the technology is not yet implemented in the field of biomedical application.The development of OCT is not mature at present.And the relevant scientific researchers working to increase the system penetration depth,improve the resolution and signal-to-noise ratio,optimizing the comprehensive performance of system,etc.If the related technical can be made a breakthrough,the system imaging quality will be improved,the scope of the application of OCT technology will be expanded,and the level of medical testing technology will be improved,effectively. And it is of great significance to promote the development of spectral imaging technology.

Optical coherence tomography imaging;Spectral imaging;Optical detection;Biological detection

TH744.1；TH773

A

2095-7327（2017）-03-0047-06

劉曉梅(1981-)女，吉林鎮(zhèn)賚人，海南大學教授，博士，研究方向：事成像光譜技術方面的研究，本文通訊作者。