光学相干层析成像的图像重建

OCT技术调研

从四个方面介绍：1、OCT简介；2、OCT技术的应用；3、国内外的研究团队介绍；4、国内外厂商及产品介绍。

一、OCT简介

光学相干层析（OpticalCoherenceTomography，简称OCT）是20世纪90年代初发展起来的低损、高分辨、非侵入式的医学、成像技术。它的原理类似于超声成像，不同之处是它利用的是光，而不是声音。

图1OCT与其它成像技术的对比

1、时域OCT技术

光学相干层析成像系统结合了低相干干涉和共焦显微测量的特点。系统选用的光源为宽带光源，常用的是超辐射发光二极管(SLD)。光源发出的光经2某2耦合器分别通过样品臂和参考臂照射到样品和参考镜，两个光路中的反射光在耦

合器中汇合，而两臂光程差只有在一个相干长度内才能发生干涉信号。同时由于系统的样品臂是一个共焦显微镜系统，探测光束焦点处返回的光束具有最强的信号，可以排除焦点外的样品散射光的影响，这是OCT可以高性能成像的原因之一。把干涉信号输出到探测器，信号的强度对应样品的反射强度，经过解调电路的处理，最后由采集卡采集到计算机进行灰度成像。

图2时域OCT基本光路

OCT成像的主旨就是要得到样品不同深度的反射率分布。如果参考镜处的反射率一定，那么由于样品结构的不均匀性，从样品不同深度散射回来的光的强度就不同，所以当两臂光相遇时产生的干涉信号里就带有样品不同深度的光反射率信息。由宽带光源的低相干性可知，OCT干涉仪可以获得较窄相干长度，保证轴向扫描的成像分辨率在微米级。对于窄带光源，如图3(a)所示，由于其相干长度很长，在相当大的光程差范围内都能输出干涉条纹变化。这样的干涉条纹对比度与两臂的光程差变化几乎无关，无法确定零级条纹的位置，则无法找到等光程点，失去了精确定位的功能。而对于宽带光源而言，如图3(b)所示，只有当两臂的光程差在这个很短的相干长度之内时，探测器才能检测到干涉条纹的对比度变化。而且，在对比度最大的地方对应着等光程点，随着光程差的增加，对比度迅速锐减，因此具有很好的层析定位精度。于是可移动参考臂的反射扫描镜，来寻找变化后的平衡点，通过测量反射扫描镜的变化前后的位移即可测得相应的光纤传感器长度的变化。

中国医疗设备 2021年第36卷 01期 VOL.36 No.01

167REVIEW

引言随着经济的发展及生活方式的不断改变，糖尿病已经成为全世界普遍的流行病[1-2]。糖尿病病患者的寿命的增加、基数大、糖尿病的控制不佳及本身糖尿病所导致的血管损伤、代谢障碍、细胞因子与增殖因子的作用、神经凋亡等原因[3]。导致糖尿病性视网膜病变（Diabetic Retinopathy，DR）的发病率逐年增加，DR可导致视网膜发生新生血管、微血管瘤及视网膜血管闭塞等改变[4]，其已经成为了全世界致盲的重要原因，因此对于DR的诊断就显得愈发重要。光学相干断层扫描血管成像（Optical Coherence Tomography Angiography，OCT-A)是基于分频去相干血管成像（Split-Spectrum Amplitude Decorrelation Angiography，SSADA）的算法获得的血管成像[5]。相比较于传统血管荧光素造影（Fundus Fluorescein Angiography，FFA）其具有无创、高速、精确的优点，并且OCT-A具有分析量化视网膜脉络膜血管面积及固定范围血流指数的特点，已经成为了诊断DR重要的检查方法，因此了解OCT-A的机制有利于DR的诊治，本文就OCT-A在DR中的临床应用进行综述。1 OCT-A的技术原理OCT-A是基于检测血流来构建视网膜血管网图像的一种快速成像方式[6]。该技术的原理是基于视网膜及脉络膜血管中存在流动的红细胞，对同一平面进行反复的相干光层析扫描；通过SSADA算法，获取视网膜上每个点的光学相干断层成像（Optical Coherence Tomography，OCT），由于不同时间由血流灌注红细胞在血管内运动和静态周围组织之间产生的图像对比来检测变化信号；并据此在同一位置重复采集OCT图像来获取和计算，进行血管结构的三维重建，通过en face的形式逐层显示眼底血管的图像。通过评估对数个OCT图像之间信号差异，可识别血液（血流）中红细胞流动在不同时间出现的较大变化所致图像像光学相干断层扫描血管成像术在糖尿病性视网膜病变中的应用王贺1,2，陈臻21. 大理大学 研究生院，云南 大理 671003；2. 云南省第一人民医院 眼科，云南 昆明 650032[摘 要] 随着生活方式的改变及生活水平的提高，糖尿病性视网膜病变的发病率也随着糖尿病的发病率的提高而上升，而光学相干断层扫描血管成像（Optical Coherence Tomography Angiography，OCT-A）作为一种新兴技术，在糖尿病性视网膜病变诊断中具有重要价值。本文分析了OCT-A的技术原理及OCT-A的优势，对OCT-A在DR、视网膜微血管瘤、视网膜无灌注区、新生血管和黄斑中心凹无血管区中的应用进行了总结，期望本文能为解决在技术发展过程中遇到的不足之处提供思路，并能更高效的为临床活动进行服务。[关键词] 光学相干断层扫描血管成像；糖尿病性视网膜病变；视网膜血管；糖尿病Application of Optical Coherence Tomography Angiography in Diabetic RetinopathyWANG He1,2, CHEN Zhen21. Graduate School, Dali University, Dali Yunnan 671003, China; 2. Department of Ophthalmology, The First People’s Hospital of Yunnan Province, Kunming Yunnan 650032, ChinaAbstract: With the change of lifestyle and the improvement of living standards, the incidence of diabetic retinopathy increases with the increase of the incidence of diabetes. As a new technology, optical coherence tomography angiography (OCT-A)，OCT-A is of great value in the diagnosis of diabetic retinopathy. This paper analyzes the OCT-A technology principle and advantage, the applications of OCT-A in DR, retinal microangioma, retinal non-perfusion area, neovascularization and macular fovea non-vascular area were summarized. It is expected that this paper can provide ideas to solve the shortcomings encountered in the process of technological development and provide more efficient services for clinical activities.Key words: optical coherence tomography angiography; diabetic retinopathy; retinal vessel; diabetic [中图分类号] R774.5 [文献标识码] Adoi：10.3969/j.issn.1674-1633.2021.01.038 [文章编号] 1674-1633(2021)01-0167-04

激光与光电子学进展2009.01特别报道／生物光子学人体健康状态的无创实时监测与疾病的早期诊断是提高全民健康水平和控制医疗成本的根本保证，也是现代医学技术发展的内在要求和必然趋势。研究行之有效的实时监测与早期诊断方法，发展高分辨无创光学成像技术，以用于常见病、多发病、慢性病和重大疾病的定期筛查与早期诊断，具有非常重要的现实意义，也必将产生深远的社会效益。光学方法不仅可以实现对活体组织的无损伤、非侵入、非电离辐射及实时的探测和成像，而且可用于活体生物组织的显微结构分析、特性参数测量，在生命科学的基础研究和临床应用中具有极大应用前景，倍受瞩目。如光学相干层析成像术(OCT)、共聚焦光学显微术、扩散光层析成像术，以及基于荧光和拉曼光谱的成像术或光谱分析术等[1~4]，这些光学方法均可通过内窥方式检测人体脏器，与常规的医学影像学方法相比，具有更高的灵敏度与分辨率。尤其是OCT技术，已成为医学诊断技术的国际发展前沿，能实现疾病的筛查与早期诊断、过程监视和手术介导等多种医学功能，并已图1OCT成像原理与显微光学活检图像究的重要内容，而用光学方法来记录生物电活动也是研究热点。但该技术存在如荧光基线漂移、细胞收缩引起的运动伪迹和膜电位绝对值的测量等国际公认的技术难点，限制了其应用范围。对此，可以构建多通路荧光细胞膜电位记录系统。在国家自然科学基金(60378018)的资助和博士点基金资助项目(200806980024)下，我们成功开发了用于心脏电生理研究的光学标测系统。该系统利用图像匹配、多波长多探测器测量校正和比值法计算膜电位绝对值等手段，以期能较好地克服以上问题。利用该系统能实现实时检测细胞膜电位，动态显示电兴奋的传导过程，为人体生理、病理研究提供新的技术手段并提高我国基础电生理研究的技术水平，为临床诊断的进一步应用奠定了基础。1GrinvaldA.,HildesheimR..VSDI:anewerainfunctionalimagingofcorticaldynamics[J].NatureReviewsNeuroscience，2004，11(5):874~8852PetersenC.,FerezouI.,BoleaS..Visualizingthecorticalrepresentationofwhiskertouch:voltage-sensitivedyeimaginginfreelymovingmice[J].Neuron,2006,50(4):617~6293张镇西等编，生物医学光子学新技术及应用[M]，北京:科学出版社，2008参考文献从光学相干层析成像到光学频域成像丁志华教授吴彤孟婕王凯杨亚良王玲吴兰刘旭浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州３１００２７Ｅ－Ｍａｉｌ：ｚｈ＿ｄｉｎｇ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ中国光学期刊网ＦＥＡＴＵＲＥ／Ｂｉｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ在眼疾病检查、肿瘤早期诊断、骨关节炎早期诊断、粥样斑块确认与介导消融等诸多领域得到应用。典型的OCT成像原理与显微光学活检图像如图1所示。低相干光源的带宽决定了系统的轴向分辨率，系统横向分辨率则由成像探头的聚焦光斑决定。OCT不仅可以获得样品的结构图像，还可获取样品的功能图像。功能成像是常规OCT结构成像的重要拓展。目前发展的OCT功能成像主要包括多普勒OCT、偏振OCT、光谱OCT。多普勒OCT将多普勒技术与OCT结构成像技术有机结合，能实现高分辨组织结构和血流动力学的同步成像。偏振OCT利用光的矢量特性来探测生物组织内部的双折射分布信息；光谱OCT依据组织不同成份对光谱吸收与散射特性的差异来构筑图像。成像速度一直是OCT技术发展的核心，要将现行OCT技术推广到临床应用中，必须解决实时成像问题。时域OCT通过参考臂机械扫描或其他光程扫描方式来获取深度信息，成像速度受到一定限制。目前，处于热点研究中的傅里叶域(包括谱域和频域)OCT则是提高成像速度的主要途径。谱域OCT通过增加干涉光谱的并行探测维度来实现深度信息的即时提取，成像速度因而可以极大地提高，目前已报道了10~400KHz的轴向扫描速度，实现了实时成像。但是，谱域OCT能否真正突破现行时域OCT性能的关键是光谱仪的光谱分辨率与光谱范围，以及线阵探测器的灵敏度与动态范围，同时涉及系统复杂化和仪器成本的提高。频域OCT，又称为光学频域成像(OFDI)，具备谱域OCT同样的快速成像能力，并兼有时域OCT系统简单化和平衡探测优势。作为第二代OCT的OFDI技术，其典型内窥成像系统如图2所示。系统核心部分是扫频光源，它一般由半导体光放大器作为激光增益介质，采用基于光栅和多面转镜的快速滤波器结构，实现对光频率的快速扫描。对于中心波长在1310nm附近的扫频光源，其扫频范围通常达到110nm~120nm，扫频速率达到64kHz，平均光强为30mW。OCT最初应用是对光学透明结构如眼睛的前房和视网膜的观察。近些年来，以心血管疾病为代表的慢性非传染性疾病已成为威胁人类生命健康最常见的疾病，在死因排列中位居第一。如心肌梗塞，它是由供应心脏的血管发生狭窄或堵塞，心肌无法获得足够的氧气及营养，而引起的心脏肌肉坏死。心血管狭窄或堵塞的主要原因是冠状动脉管腔因粥状硬化所形成的肿块。这种由纤维帽包容的脂肪沉积斑块很容易破裂，并导致心肌梗塞。最近，美国哈佛医学院的一支研究小组，报道了他们利用研制的OFDI内窥成像仪，首次获得了人体冠状动脉血管的3D图像，第一次从技术上实现让心脏病专家肉眼观测冠状动脉3D图像来诊断潜在的病理变化[5]。OFDI内窥成像仪仅在短短几秒内获得3D图像，而且降低了来自动脉血液的信号干扰。参见图3，OFDI内窥成像仪能够精确呈现病人右冠状动脉内部新设置的药物洗脱支架(暗蓝色)、指示炎症的巨噬细胞(绿色)，以及油脂沉积(黄色)，并以漫游视见形式展现人体动脉内部。这种3D图像能够让心脏病专家更清楚地观测患者动脉内部状况，检测到易导致心脏病发作的动脉内发炎区或色斑沉淀。由于OCT/OFDI成像深度只能达到1~3mm，无法图3病人右冠状动脉OFDI图像。左图为冠状动脉切面图，右图为漫游观察视图，白色箭头对应于右图中的点线位置图2OFDI内窥成像系统

生物医学工程研究　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

光学相干层析成像技术与医学应用　

钟鸣　，钱志余　，李宽正　，戴丽娟　

（１．南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系，南京２１００１６　

２．东南大学医学院临床医学系，南京２１０００９）　

摘要：光学相干层析成像（ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ｏｃｔ）是近年来发展较快的一种新型成像技术，能　

对生物组织内部的微观结构进行高分辨率的横断面层析成像，具有快速、非侵入及高分辨率等特点，对在体生　

物组织的微观结构分析和疾病诊断等方面具有重要的应用价值。我们简要介绍了光学相干层析成像工作原理，　

及在生物组织测量及医学等方面的应用。　

关键词：光学相干层析成像；生物组织；分辨率；非侵入；诊断　

中图分类号：Ｒ３１８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—６２７８（２００７）０２—０２１６—０４　

Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ　

ＺＨＯＮＧ　Ｍｉｎｇ１，ＱＩＡＮ　Ｚｈｉ－ｙｕ１　９　ＬＩ　Ｋｕａｎ－ｚｈｅｎｇ２，ＤＡＩ　Ｌｉ－ｊｕａｎ　

（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊ　ｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊ　ｉｎｇ　２１００１６，　

Ｃｈｉｎａ￣２．Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００００）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｔ０ｍｏｇｒａｐｈｙ（ＯＣＴ）ｉｓ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｉｔ　ｃａｎ　ｐｅｒｆｏｒｍ　ａ￣ａｎｓｅｃｔ　ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ　ｉｍａｇｉｎｇ