本文专门针对光学相干断层成像技术进行汇总,参考百度百科以及网上相关技术文章,方便自己和其他人有较为系统的了解。
一、背景、发展历程
百度百科的解释:光学相干断层扫描技术 (Optical Coherence Tomography,简称 OCT)是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术,特别是生物组织活体检测和成像方面具有诱人的应用前景,已尝试在眼科、牙科和皮肤科的临床诊断中应用,是继 X-CT 和 MRI 技术之后的又一大技术突破,近年来已得到了迅速的发展。它利用弱相干光干涉仪的基本原理,检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号,通过扫描,可得到生物组织二维或三维结构图像。
二、OCT工作原理
OCT基Michelson的干涉度量学 , 以超发光二极管发光体作为光源 。经光导纤维进入光纤耦联器 , 光束被分 为两束,一束经过眼的屈光介质射向视网膜 , 另一束进人参照系统 。 两个光路中反射或反向散射的光线在光纤耦联器被重新整合为一束并为探测器所探测 , 对不同深度组织所产生的反向散射强度和延搁时间进行测 量 。通过对伪彩色的灰阶值进行实时的显示来获得图像 , 像红 、黄 、亮绿这样明亮的颜色代表发射强的区域 , 而蓝黑等暗色代 表低反射区 , 绿代表中等反射区 。
OCT成像的原理与超声波类似,是运用反射的近红外线做为成像媒介形成影像,而非运用反射的音波。近红外线(一般为800~1300nm)来源分为两个途径,其中一个途径用于组织取样;另一个则用于参考反射镜。取样手臂扫描经过组织时,可运用干涉仪,以参考臂的光线持续阻绝取样组织后端发出的反射。对于持续阻绝的光线,会执行数字信号处理算法,以达到深度解析的轴状扫描。将这些扫描相互堆栈即可形成2D或3D的组织影像。
目前OCT分为两大类:时域OCT(TD-OCT)和频域OCT(FD-OCT)。冠状动脉内OCT最常见的形式为时域OCT(TD-OCT)。时域OCT是把在同一时间从组织中反射回来的光信号与参照反光镜反射回来的光信号叠加、干涉,然后成像。频域OCT的特点是参考臂的参照反光镜固定不动,通过改变光源光波的频率来实现信号的干涉。
FD-OCT分为两种:
(1)激光扫描OCT(SS-OCT),这种OCT利用波长可变的激光光源发射不同波长的光波;
(2)光谱OCT(SD-OCT),它利用高解像度的分光光度仪来分离不同波长的光波。
TD-OCT有两个光源,主光源是超亮度发光二极管,发射宽带近红外线(中心波长1310nm,带宽40-50nm)。从光源发出的近红外线通过光纤及探头到达人体组织。组织反向散射回来的光波被探头收集,同参考臂的光波信号结合形成干涉,然后经过计算机解析,构建出显示组织内部微观结构的高解析度图像。另外,因为近红外线很难穿过红细胞,OCT成像时需阻断血流或冲洗血管以排除血管中的血液。这种方法的缺点是造成心肌缺血,而且操作较复杂,限制了OCT的临床应用。
新一代的OCT成像系统-FD-OCT最大的优先是更高速度的扫描,每秒钟的扫描帧数为100帧,只需注射一次造影剂就可完成冠脉血管的成像,彻底摈弃了球囊阻断血流的方法,大大提高了操作的安全性。FD-OCT在扫描速度提高的同时图像的分辨率也得到了提高,更清楚的看到病变的微细结构特征。FD-OCT拓宽了OCT检查的适应症,左主干病变、开口病变等均可获得满意的图像。
频域OCT技术比起时域来说能使系统改善灵敏度的同时显著地提高了采样速度。在谱域OCT中,全部的深度结构(A扫描)被同步获得而不需要深度扫描。其核心部件是宽带光源照明的迈克尔逊(Michelson)干涉仪和光谱仪,获取速度仅由光谱仪中CCD摄像机的读出速度所限制,而记录的后向散射光的强度仅作为光谱频率而不是时间的函数。同时谱域OCT信号在光谱密度中被采样,且作为一个傅立叶重构的结果,改善了信噪比(SNR)。
三、OCT技术应用
3.1 眼科的应用
OCT是一种新的光学诊断技术,可进行活体眼组织显微镜结构的非接触式、非侵入性断层成像。OCT是超声的光学模拟品,但其轴向分辨率取决于光源的相干特性,可达10um ,且穿透深度几乎不受眼透明屈光介质的限制,可观察眼前节,又能显示眼后节的形态结构,在眼内疾病尤其是视网膜疾病的诊断,随访观察及治疗效果评价等方面具有良好的应用前景。参考4中有使用OCT技术进行眼病诊断的详细说明。
3.2 病理科的应用
OCT技术最重要的应用之一是探测人体软组织的早期癌变。癌症的早期诊断是挽救病人生命的关键,唯一确定的诊断方法是通过活组织检查,问题是需要花费一定的诊断时间,且给出的结论与分析人员的经验等主观因素有很大关系,准确测定癌变区的边界就更加困难。OCT则依据癌变组织具有与健康组织不同的光谱特性和结构,得到组织清晰的像,由此实时而准确地进行诊断。因为采用了计算机进行信号处理,所得结果与操作人员的主观因素无关。另外,OCT技术将成为对皮下组织病变进行实时诊断而无需活组织检查的一种权威方法,但在此之前还需要更多的临床试验揭示其优点及待解决的问题。
在跨科手术方面,OCT可在去除肿瘤的手术过程中分析有无癌细胞。一般而言,外科医生取出肿瘤周围组织时,总是希望能清除所有的癌细胞。而被清除的肿瘤及周围的组织会送至病理实验室进行一周的分析,以做出手术后的书面报告。由于OCT影像在组织学/病理学应用均为相同的分辨率,因此手术室中的OCT系统能够让外科医生在手术过程中精确地知道需要清除多少组织,同时留下多少安全边缘部份,采用如此的做法便不会错误去除未感染癌症的组织,因而省却后续手术的费用及痛苦。OCT技术能够让医生以组织学的分辨率水平,实时看见影像,以便在第一次进行去除肿瘤的外科手术时做出更好的决定。
日后会有更多采用OCT技术的医疗应用。例如,OCT能够搭配穿刺切片切除早期阶段的小肿瘤。对于罹患乳癌的病患,OCT可搭配视觉及‘智能’信号处理技术,引导细针插入精确的肿瘤位置,以查明疑似感染的组织,尽可能减少手术的侵入性。对于心血管疾病患者,OCT可搭配极小型导管支架,更准确地找出血管内支架或检查斑块沉积。在这些类型的应用中,先进的数字信号处理技术不仅能够达到绝佳的影像画质,而且能够进行组织分类。
3.3 非医学领域的应用
OCT 研究的最初目的是为生物医学的层析成像,并且医学应用仍然继续占主导地位。除了在医学领域的应用,随着 OCT 技术的发展,OCT 技术正在向其他领域推进,特别是工业测量领域,如位移传感器、薄底片的厚度测量以及其他可以转换成位移的被测物的测量。最近,低相干技术已作为高密度数据存储的关键技术。OCT 技术还可用于测量高散射聚合物分子的残余孔隙、纤维构造和结构的完整性。还可以用于测量材料的镀层。OCT 技术还能用于材料科学,J.P.Dunkers 等人使用OCT 技术对复合材料进行了无损伤的检测 。 M.Bashkansky 等人利用 OCT 系统对陶瓷材料进行了检测,拓展了 OCT 技术的应用范围。S.R.Chinn 等还对 OCT 在高密度数据存储中的应用进行了研究,实现多层光学存储和高探测灵敏度。
四、未来趋势
在未来新一代OCT医疗成像技术的趋势中,将部署功能更强大的多核DSP,以缩短成像时间,并提高影像分辨率。处理OCT影像的软件算法目前正处于开发阶段。一项被称为偏振敏感OCT(PS-OCT)的技术能够运用处理算法将光信号极化,以产生视觉对比度更高的影像。高清晰度影像可呈现在龋齿中的小洞或微小的节结及肿瘤。
另一项未来的OCT应用是检查眼部极为细小的血管,其中OCT可使用多普勒成像技术绘制血流量图,并估计血流速度。其原理与超声波类似,但是分辨率更高,可提早诊断出糖尿病以及某些眼部疾病。可编程DSP架构能够针对信号处理应用提供准确且可扩展的平台,因此有助于此类新型算法的开发及快速部署。