眼科光学相干断层扫描仪质量控制参数的测量方法分析

李宁1，刘艳珍1，贺伟罡，孟祥峰1，王权1，张志军

1.中国食品药品检定研究院医疗器械检定所，北京 100050；2. 国家食品药品监督管理总局 医疗器械技术审评中心，北京 100044

眼科光学相干断层扫描仪质量控制参数的测量方法分析

李宁1，刘艳珍1，贺伟罡2，孟祥峰1，王权1，张志军2

1.中国食品药品检定研究院医疗器械检定所，北京 100050；2. 国家食品药品监督管理总局 医疗器械技术审评中心，北京 100044

本文主要介绍了光学相干断层扫描技术（OCT）质控参数的意义和分辨率测量方法的对比分析。着眼于眼科OCT设备，阐述了该类设备的质控指标及其含义；结合OCT设备的原理和应用情况，重点从技术层面和实现层面阐述了眼科OCT设备关键指标——分辨率的测量方法，同时还比较了不同测量方法的优劣。

光学相干断层扫描；分辨率；质控参数；模拟眼

1 OCT简介

光学相干断层扫描技术（Optical Coherence Tomography，OCT）是近年来迅速发展起来的一种成像技术。它利用弱相干光干涉仪的基本原理，测量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，再通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。

OCT的发展经历了时域OCT（TD-OCT）和频域OCT（FD-OCT）两个阶段。TD-OCT是通过样品臂和参考臂反射光的光程差来探测不同深度的组织背景信号。FD-OCT一般由宽带光源照明的迈克尔逊干涉仪和光谱仪组成，与TDOCT不同的是，参考臂是固定不动的，直接测量干涉信号的光谱，对所测的光谱进行快速傅里叶逆变换得到样品不同纵向深度的信息。相对于TD-OCT而言，FD-OCT具有更高的成像信噪比和更快的成像速度，更适合对生物组织实时成像和三维成像。这也是目前OCT设备的主流技术。

目前OCT在口腔科、神经科、脑科、动脉介入治疗和眼科等多个领域均有应用，但是在眼科领域的应用最为广泛，技术也很成熟。在眼科的应用领域包含：黄斑疾病的诊断、脉络膜新生血管疾病的诊断、视网膜疾病的诊断、眼科疾病术后检测、视网膜神经纤维层的定量测量、黄斑部中心凹及分区的定量检测、中央角膜厚度的定量测量等[1-4]。

2 眼科OCT设备质控指标及意义

由于OCT技术在眼科领域的广泛应用，本文只讨论眼科OCT设备的质控指标及测量方法，同时，通过调研我们了解到，目前在世界范围内主流的眼科OCT设备均是采用FD-OCT的成像方式，因此下面的讨论将聚焦于利用FDOCT进行成像的眼科OCT设备。

眼科OCT设备的主要参数包括：成像范围、扫描频率、分辨率（包括横向分辨率和纵向分辨率）、最小瞳孔直径和屈光度调节范围等。

2.1 成像范围

成像范围，顾名思义，是考量设备在一次成像过程中拍摄范围大小的物理量。在其他指标相同的情况下，成像范围越大越好。较大的成像范围可以便于医生对眼底的整体情况进行更换的对比和判断。增大成像范围就会增加扫描线的发射数目，也就是增加了扫描时间，由于在眼科OCT检查过程中，患者眼球的相对运动越少，拍摄的图像质量越高，如果无限的增加成像范围，就会造成扫描时间过长，患者眼球的相对运动大，会产生拍摄的运动伪影。因此，成像范围的数值大小要考虑对扫描时间的影响。

2.2 扫描频率

扫描频率，是OCT设备发射扫描线的频率。OCT设备的扫描功能是通过“多线成面，多面成体”的原理实现的，具体来说就是，OCT设备每发射一条扫描线，通过干涉现象就可以获得该扫描线上的生物组织信息，即对该条线上是生物组织进行成像，移动扫描线就可以获得另外一条扫描线上的生物组织信息，以此类推，当完成一行扫描线的成像后就获得一个平面的图像，而对多行扫描线成像后就获得一个三维物体的图像。所以OCT设备发射扫描线的频率越高，OCT设备的扫描时间就会越短。

2.3 横向分辨率

横向分辨率，是考量眼科OCT设备在眼底平面方向对于微小物体的分辨能力。目前眼科OCT设备的横向分辨率大多是20 λm，最高可达到14 λm 。横向分辨率高是OCT测量技术的主要优势之一，也是OCT技术优于其他检测技术的主要原因。由FD-OCT设备的工作原理来看，似乎横向分辨率主要受扫描线间隔的影响，但是在OCT设计过程中，相邻扫描线的覆盖区域是有交叉的，也就是扫描线的间隔对目前的OCT设备无影响。横向分辨率主要受扫描光斑大小的影响。

2.4 纵向分辨率

纵向分辨率，是考量眼科OCT设备在眼轴方向对于微小物体的分辨能力。目前眼科OCT设备的纵向分辨率为3～10 ，由此可以看出纵向分辨率的数值在厂家分布比较分散。纵向分辨率的影响因素多而复杂，其中与光谱的形状相关性最大。通过光谱形状的处理来提供OCT设备的纵向分辨率也是目前的研究热点之一。同时，纵向分辨率也是OCT设备的最重要参数之一。

2.5 最小瞳孔直径

最小瞳孔直径，是考量眼科OCT设备对于瞳孔直径的适应状况。人眼瞳孔的大小不一，且受外界因素影响，如入射光线强度、调节状态等也会对瞳孔的直径造成影响。眼科OCT设备进行眼底检查时，如果瞳孔较小，就会使得成像范围变小，如果瞳孔过小，会使得眼球成为一个“管视”形状的光学系统，而这种光学系统会对成像质量造成很大影响。

2.6 屈光度调节范围

屈光度调节范围，是考量眼科OCT设备对于人眼球不同屈光度的补偿程度。由于个体差异等因素，不同被检查者的屈光度是不同的。现有眼科OCT设备的屈光补偿范围绝大多数是-33～+40。

3 分辨率的测量方法分析

横向分辨率和纵向分辨率均是眼科OCT设备的关键质控指标，也是目前不同眼科OCT设备的主要差异之一。以下将根据FD-OCT设备的原理，对分辨率的测量方法进行介绍和对比。目前，眼科OCT分辨率的测量方法主要分为3类：理论计算方法、图像处理方法和模拟眼测量方法。下面将针对3类方法分别进行介绍和比较。

3.1 理论计算方法

3.1.1 横向分辨率

对于FD-OCT设备，横向分辨率主要取决于设备前端透镜的聚焦光斑大小，光斑越小，横向分辨率就越高。聚焦光斑大小与横向分辨率数值的具体关系如式(1)所示：

其中f为透镜焦距，d为通光孔径；λ为波长。

3.1.2 纵向分辨率

纵向分辨率取决于扫描光源相干长度，相干长度和光源半高谱宽与中心波长密切相关。

在迈克尔逊干涉仪中，当低相干光源为高斯光源时，纵向分辨率的表达式为：

其中λ为扫描光谱的中心波长，△λ为扫描光源半高谱宽[5-6]。

3.1.3 小结

由以上可知，当运用理论计算方法来测量分辨率时，需要测量设备的扫描光源特性、透镜焦距和透镜通光孔径。由于眼科OCT设备在仪器终端的光强比较弱，所以一般采用测量仪器内部未衰减时的光；在测量透镜焦距和通光孔径的时候，也需要拆开仪器，将仪器内部的透镜单独取出进行相关测量。由于在OCT设备中透镜的位置要求精度比较高，因此将透镜装回仪器时要求进行位置的校验。

理论计算方法的优点：

（1）被测量为基础参量，对测量设备的要求相对较低。

（2）原理清晰。

但是，理论计算方法的缺点也是很明显的，主要是：

（1）理论计算方法是有损测量，对于成品测量而言需要拆开仪器进行，测量成本较高。

（2）理论计算过程中各过程量误差的引入，将会降低最终值的准确性。

（3）由于实际人眼的像差、有效通光孔径、色散等均影响分辨率的值，因此理论计算值和SD-OCT设备的实际分辨率值相差较大。

3.2 图像处理方法

图像处理方法主要是通过对FD-OCT设备生产的图片运用图像处理的方法得到像素大小，从而获得设备的横向分辨率和纵向分辨率。具体来说就是，首先用眼科OCT设备对人眼进行扫描和拍摄，利用仪器的图片导出功能将拍摄的图片进行导出，然后，利用第三方的图像处理软件读出图片的像素值，该值即为OCT设备的分辨率值。

图像处理方法是一种间接测量方法，像素大小与图像显示装置的性能相关，当OCT设备的分辨率与显示装置的分辨率不同时，运用该方法无法获取OCT设备本身的分辨率大小，因此在目前的测量中很少使用。

3.3 模拟眼测量方法

模拟眼测量方法是用一种光学元器件模拟人眼的相关参数，利用FD-OCT设备对模拟眼进行扫描和拍摄，因为模拟眼中有一些定量的分辨率靶物，根据OCT设备能够看清的靶物值来确定分辨率。

这种方法的关键技术和难点是该光学元器件的光路设计。因为人眼是相对复杂的光学系统，全部光学参数的模拟在技术上不可实现，为模拟在进行眼底检查时的人眼真实状况，需要确定影响分辨率的光学参数有哪些，同时还需要大量的数据统计来给出各光学参数的具体数值。

人眼的眼球成像简化光路图，见图1。将人眼简化为一双凸球面透镜，屈光度为60 D。

图1 适合OCT设备的眼球简化图

基于这一简化，再假设眼科OCT设备的光学设计也是基于以上的眼球简化图，则眼科OCT设备的光路图，见图2。

图2 眼科OCT设备光路图

在图2中，SLD为扫描光源，是一种超LED光源，从SLD出来的光线为平行光线，经过设备内部的透镜后，光线变为会聚光线，在进行眼底扫描时将患者眼睛调节到工作距离，即患者眼睛的焦点与透镜焦点重合时，即可进行眼底扫描。

基于以上，分辨率模拟眼主要由两部分组成：透镜和靶物，见图3。

图3 分辨率模拟眼简图

在图3中，透镜的屈光度为60 D，靶物为反射类型，上面进行各种规格的分辨率设计。蓝色箭头代表进入人眼的扫描光，黑色箭头代表从靶物反射的光线。

但在实际应用过程中，该模拟眼的设计还需要进一步的研究和讨论。因为上述的简化型模拟眼只考虑了人眼的屈光度因素和单纯反射状态，而人眼作为一个复杂的光学系统，也存在像差，而且比一般光学系统的像差更不规则，具有复杂的高阶像差；同时，人眼对于光线除了有反射的功能，还存在折射、散射和色散特性，这些因素对于眼底的成像分辨率均有影响。显然，以上介绍的简化模拟眼均未考量上述因素。

基于以上，模拟眼测量方法的优点是：测量方法直接、测量装置可溯源。

从理论上来看，分辨率模拟眼是最能模拟实际使用情况的一种方法。但是在目前的情况下，分辨率模拟眼是各厂家作为内部测量的一种方法，因此技术参数的统一性无从获得；且各厂家的模拟眼不具有通用性，这与各厂家的特征点设计有关，也与各厂家的设备内部透镜参数有关，这都是目前还未解决的问题；最重要的是目前阶段的模拟眼均是简化型模拟眼，这种模拟眼的准确度也亟待评估；另外，模拟眼的溯源也是影响测量结果准确度的主要因素，因此该方法的提高和推广应用还有一段距离[7-10]。

4 结束语

本文对OCT设备的原理、应用情况和质控指标进行了阐述，同时，对于分辨率的测量方法在技术上进行了阐述和对比。虽然现在对于OCT设备分辨率提高的技术研究很多，但是OCT质控指标测量方法的研究还比较少，基本处于空白状态。通过对不同方法的比较，模拟眼测量方法对于眼科OCT设备分辨率的测量是比较科学和准确的方法。由于OCT设备的广泛应用，对于模拟眼参数的研究很迫切，也很复杂。这也是我们今后研究的内容。

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Research on Measurement Methods of Quality Control Parameters of Ophthalmic Optical Coherence Tomography

LI Ning1, LIU Yan-zhen1, HE Wei-gang2, MENG Xiang-feng1, WANG Quan1, ZHANG Zhi-jun2
1.Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China；2. Center for Medical Device Evaluation，SFDA，Beijing 100040, China

This paper describes the significance of quality control parameters of the optical coherence tomography (OCT) and makes a comparative analysis of the different methods of resolution measurement. Focusing on the ophthalmic OCT devices, their quality control indicators and meanings are described. Combined with the principle and application of OCT devices, this paper mainly researches on the resolution, which is one of the key quality control indicators. Then it gives a detailed comparison of the advantages and disadvantages of different methods of measurement.

optical coherence tomography; resolution; quality control parameters; model eye

TH786

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.07.003

1674-1633(2013)07-0008-03

2013-05-03

2013-06-06

国家科技支撑计划课题（2012BAI22B04）；中国食品药品检定研究院中青年发展研究基金（2011C1）。

张志军，国家食品药品监督管理总局医疗器械技术审评中心主任。

通讯作者邮箱：zhangzhijun@cmde．org．cn