光学相干层析成像技术及其应用研究

邢闪闪　张小丹

摘 要：光学相干层析成像（OCT）是基于迈克尔逊干涉原理的一种新型深度成像技术。时域OCT可获得被测样品的深度信息，但它扫描速度低；而频域OCT利用后向散射光与参考光的干涉成像实现深度信号的单线一次成像，极大提高了系统扫描速度。但是，频域OCT却不能反映组织的内部各向异性信息。而偏振OCT利用组织内部结构的双折射特性，不但能够获得组织的结构信息，也能同时获得组织的相位延迟与快速信息。另一方面，利用多普勒效应与OCT原理相结合衍生出的多普勒OCT，可以提供生物组织内部高分辨血管分布和速度分布图像。新的OCT技术正在引起广泛关注并被应用于多个领域中。

关键词：光学相干层析成像（OCT）；频域；多普勒效应

1.前言

量显微成像技术已经发展了很长时间了。为了观察生物组织、微生物组织和了解材料的结构，人们发展了多种成像技术，例如：X光技术及层析技术、核磁共振技术、超声、正电子辐射层析技术及光学层析成像技术OT（Optical tomography）等。上世纪90年代初期，人们结合上述技术并利用宽带光源的低相干特性对生物活体组织的内部微观结构进行了非侵入式的层析成像，这种新的技术被称为光学相干层析技术（Optical CohereneeTomography OCT）[1]，这种成像技术具有许多其他成像方法所不具有的优点，其原理是利用宽带光源的低相干特性，通过测量样品背向散射光的干涉信号，对生物组织内部微观结构进行高分辨率层析三维成像。

2.OCT系统的基本原理

OCT系统的核心结构是迈克尔逊干涉仪如图1所示。从光源发出的低相干光由分束镜分为两束，一束光由反射镜反射后按原路返回并透射过分束镜后到达探测器；另一束通过聚焦透镜聚焦成一个点照射到物体后，其后向散射光按原路返回经分光镜反射后到达探测器，并与参考臂到达探测器的光发生干涉，干涉图（光强信号）由探测器接收。由于低相干光具有极短的相干长度，因此只有在参考臂与信号臂的光程差匹配时才能发生强干涉，这样经反射镜的扫描运动后可得到物体内部各个点的不同强度的干涉信号，其干涉信号的强弱反映了物体内部的结构，通过计算机仿真进行图像重构，可以得到物体内部的层析图像。

3.OCT系统成像研究

建立自1991年MIT的Huang[2]等人在Science上发表题为“Optical Coherence Tomography”的文章以来，OCT技术一直被关注，这项技术最初是在时域中以时域低相干干涉测量技术为基础，出现了时域OCT成像系统[3-5]。

在1993年，Fercher与Swanson等[6-7]发表了人的角膜组织立体成像OCT图。随着横向快速可调谐激光器和CCD技术的发展，频域OCT出现了，由Fercher等[8]（1995）最早构造了自由空间频域OCT系统进行眼内距离的。在频域OCT系统中，深度信号是是通过参考臂与样品臂的相干光谱进行傅立叶变换直接获得，因此可以得到深度方向的全部信息从而从根本上提高了采集速度。

Everett等（1998）[9]与Schoenenberger等[10]（1998）使用偏振OCT测量组织的双折射特性进行探测并获得猪的心肌双折射图像。Hitzenberger等（2001）[11]利用偏振OCT系统获取了鸡心肌的包含相位延迟与快轴方向的OCT图像。偏振OCT可以通过改变光的偏振态而获得传统OCT不能反映的组织信息，包括双折射特性，衰减特性，扰频特性等，为临床确诊提供更加可靠的依据。

功能OCT另一个发展领域是利用多普勒效应与OCT原理相结合衍生出多普勒OCT（DOCT），它源于流动颗粒散射的光与参考光发生干涉的原理，它可以提供生物组织内部高分辨血管分布和速度分布图像。

4.OCT的应用研究

4.1在医学方面的应用

a）眼科诊断

OCT可用于检测诸如青光眼、糖尿病水肿等需要定量测试视网膜变化的疾病，也可以很好的观察眼球前部病变，探测深度可达2cm，OCT对眼底结构观察的清晰度远高于其它检查方法。

b）牙科诊断

在1992年，Fujimoto等[12]就提出了偏振敏感OCT的概念（PS-OCT），在PS-OCT中，使用样品对背散射光双折射的大小成像，对于具有较明显的双折射效应的生物组织来说，PS-OCT能够获得一些重要的结构信息，而这些是传统的OCT做不到的。A.Z.Freitas[13]最近用OCT得到牙齿微结构的三维图像、对口腔的健康状况。

c）内窥应用

内窥OCT可用于执行生物活检、监测人体器官的功能状态、引导手术或其它治疗、监测术后恢复过程等。在医学实践中，活检切除部位的选择通常基于视觉诊察或较大组织区域内生物化学数据，但可能导致错误的临床结果。OCT能精确表示结构变化区域的边界，因此，能提供活检切除部位的精确示意图。

4.2工业材料的检测

工程聚合物现有检测方法有超声检测和显微镜表面检测，前者分辨率低为亚毫米量级，而后者只能对表面高精度检测，看不到材料生产过程中所关心的内部结构信息。而OCT方法则克服了上述两种方法的缺陷，做到了具有一定深度的高分辨率检测。下图2为OCT对一种工业聚合物材料的检测结果，图中亮度代表光强。

5.总结

光学相干层析成像作为一种新型的成像技术，从最初提出到现今时间不长，但是在微观生物组织探测的成像研究中已经发挥了重要作用。我们通过对OCT的基本结构和信号特性以及时域和频域OCT理论的回顾，进一步总结了最近的一些具备新型功能的OCT技术，如偏振OCT，多普勒OCT等。一些新技术正在快速地应用于OCT技术里，快速地拓展到新的研究领域，而且OCT技术在不断地广泛应用于医学诊断，工业检测等多个领域。