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(shù)。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(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(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(shù)已經(jīng)發(fā)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(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)及光學層析成像技術(shù)OT（Optical tomography）等。上世紀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)進行了非侵入式的層析成像，這種新的技術(shù)被稱為光學相干層析技術(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，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(jīng)分光鏡反射后到達探測器，并與參考臂到達探測器的光發(fā)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(fā)生強干涉，這樣經(jīng)反射鏡的掃描運動后可得到物體內(nèi)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(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通過計算機仿真進行圖像重構(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)一直被關注，這項技術(shù)最初是在時域中以時域低相干干涉測量技術(shù)為基礎，出現(xiàn)了時域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(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另一個發(fā)展領域是利用多普勒效應與OCT原理相結(jié)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(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的應用研究

4.1在醫(yī)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(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2cm，OCT對眼底結(jié)構(gòu)觀察的清晰度遠高于其它檢查方法。

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)、引導手術(shù)或其它治療、監(jiān)測術(shù)后恢復過程等。在醫(yī)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(qū)域內(nèi)生物化學數(shù)據(jù)，但可能導致錯誤的臨床結(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。

5.總結(jié)

光學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)和信號特性以及時域和頻域OCT理論的回顧，進一步總結(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)正在快速地應用于OCT技術(shù)里，快速地拓展到新的研究領域，而且OCT技術(shù)在不斷地廣泛應用于醫(yī)學診斷，工業(yè)檢測等多個領域。