光學相干層析成像技術及其應用研究

邢閃閃　張小丹

摘 要：光學相干層析成像（OCT）是基于邁克爾遜干涉原理的一種新型深度成像技術。時域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現深度信號的單線一次成像，極大提高了系統掃描速度。但是，頻域OCT卻不能反映組織的內部各向異性信息。而偏振OCT利用組織內部結構的雙折射特性，不但能夠獲得組織的結構信息，也能同時獲得組織的相位延遲與快速信息。另一方面，利用多普勒效應與OCT原理相結合衍生出的多普勒OCT，可以提供生物組織內部高分辨血管分布和速度分布圖像。新的OCT技術正在引起廣泛關注并被應用于多個領域中。

關鍵詞：光學相干層析成像（OCT）；頻域；多普勒效應

1.前言

量顯微成像技術已經發展了很長時間了。為了觀察生物組織、微生物組織和了解材料的結構，人們發展了多種成像技術，例如：X光技術及層析技術、核磁共振技術、超聲、正電子輻射層析技術及光學層析成像技術OT（Optical tomography）等。上世紀90年代初期，人們結合上述技術并利用寬帶光源的低相干特性對生物活體組織的內部微觀結構進行了非侵入式的層析成像，這種新的技術被稱為光學相干層析技術（Optical CohereneeTomography OCT）[1]，這種成像技術具有許多其他成像方法所不具有的優點，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，對生物組織內部微觀結構進行高分辨率層析三維成像。

2.OCT系統的基本原理

OCT系統的核心結構是邁克爾遜干涉儀如圖1所示。從光源發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探測器；另一束通過聚焦透鏡聚焦成一個點照射到物體后，其后向散射光按原路返回經分光鏡反射后到達探測器，并與參考臂到達探測器的光發生干涉，干涉圖（光強信號）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才能發生強干涉，這樣經反射鏡的掃描運動后可得到物體內部各個點的不同強度的干涉信號，其干涉信號的強弱反映了物體內部的結構，通過計算機仿真進行圖像重構，可以得到物體內部的層析圖像。

3.OCT系統成像研究

建立自1991年MIT的Huang[2]等人在Science上發表題為“Optical Coherence Tomography”的文章以來，OCT技術一直被關注，這項技術最初是在時域中以時域低相干干涉測量技術為基礎，出現了時域OCT成像系統[3-5]。

在1993年，Fercher與Swanson等[6-7]發表了人的角膜組織立體成像OCT圖。隨著橫向快速可調諧激光器和CCD技術的發展，頻域OCT出現了，由Fercher等[8]（1995）最早構造了自由空間頻域OCT系統進行眼內距離的。在頻域OCT系統中，深度信號是是通過參考臂與樣品臂的相干光譜進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而獲得傳統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。

功能OCT另一個發展領域是利用多普勒效應與OCT原理相結合衍生出多普勒OCT（DOCT），它源于流動顆粒散射的光與參考光發生干涉的原理，它可以提供生物組織內部高分辨血管分布和速度分布圖像。

4.OCT的應用研究

4.1在醫學方面的應用

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2cm，OCT對眼底結構觀察的清晰度遠高于其它檢查方法。

b）牙科診斷

在1992年，Fujimoto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的生物組織來說，PS-OCT能夠獲得一些重要的結構信息，而這些是傳統的OCT做不到的。A.Z.Freitas[13]最近用OCT得到牙齒微結構的三維圖像、對口腔的健康狀況。

c）內窺應用

內窺OCT可用于執行生物活檢、監測人體器官的功能狀態、引導手術或其它治療、監測術后恢復過程等。在醫學實踐中，活檢切除部位的選擇通?；谝曈X診察或較大組織區域內生物化學數據，但可能導致錯誤的臨床結果。OCT能精確表示結構變化區域的邊界，因此，能提供活檢切除部位的精確示意圖。

4.2工業材料的檢測

工程聚合物現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，看不到材料生產過程中所關心的內部結構信息。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對一種工業聚合物材料的檢測結果，圖中亮度代表光強。

5.總結

光學相干層析成像作為一種新型的成像技術，從最初提出到現今時間不長，但是在微觀生物組織探測的成像研究中已經發揮了重要作用。我們通過對OCT的基本結構和信號特性以及時域和頻域OCT理論的回顧，進一步總結了最近的一些具備新型功能的OCT技術，如偏振OCT，多普勒OCT等。一些新技術正在快速地應用于OCT技術里，快速地拓展到新的研究領域，而且OCT技術在不斷地廣泛應用于醫學診斷，工業檢測等多個領域。