光学相干层析成像技术发展及应用

刘晓梅，李梦月，周敏

（1.海南大学 机电工程学院，海南 海口570228）

（2.空军航空大学 东北地区计算机技术服务中心，吉林 长春130022）

光学相干层析成像技术发展及应用

刘晓梅1，李梦月1，周敏2

（1.海南大学 机电工程学院，海南 海口570228）

（2.空军航空大学 东北地区计算机技术服务中心，吉林 长春130022）

光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）在近二十多年来迅速发展，是一种基于相干干涉原理将光、电以及计算机图像处理技术结合为一体，利用样品的后向散射光对样品进行成像的新型成像技术，适用范围广，受到众多科研学者的关注。OCT具有无损伤、非介入、非接触、图像分辨率高且操作简单、便携、易与内窥镜结合等优点，广泛应用于光学检测、工业检测、医学、生物诊断检测、科学研究等领域。由于OCT在用于软组织成像时组织穿透深度有限等原因，导致该技术在生物医学领域尚未实现推广应用。目前OCT技术发展尚不成熟，相关科研工作者致力于增加系统穿透深度、提高分辨率和信噪比、优化系统综合性能等方向的研究。相关技术的突破，能有效改善系统成像质量、扩大OCT技术应用范围、提高医疗检测技术水平，对促进光谱成像技术的发展具有重要意义。

光学相干层析成像；光谱成像；光学检测；生物检测

1引言

光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,OCT）是一种基于低相干干涉原理，通过测量从样品反射回来的后向散射光的强度对样品进行断层成像的技术。OCT技术具有大量的优点，例如无损伤、非介入、非接触、图像分辨率高且操作简单、便携、易与内窥镜结合等，因此OCT应用领域广泛并且具有良好的应用前景。无论是在科学研究、光学检测还是生物医疗检测等领域都可以被广泛应用并且发展前景可观[1-3]。

2 OCT技术原理简述

2.1时域OCT

时域OCT是OCT家族中发展最早的形式，其系统结构如图2-1所示，利用低相干成像。低相干光源发出的光在光纤耦合器的作用下，将其分为射向平面镜的参考光束和射向样品的测量光束，参考光束经平面镜反射后沿原光路返回和测量光束在样品上产生的后向散射光在光纤耦合器发生干涉。随后光电探测器接受此干涉信号并处理，最后得到样品的断层图像经计算机处理后显示。时域OCT系统的结构复杂，通常实现横向扫描是利用样品的水平移动或旋转，实现纵向扫描是使用扫描延迟线或扫描镜，并且时域OCT的成像速度受参考臂机械扫描结构影响很大。

图2-1 时域OCT系统结构图

2.2频域OCT

频域OCT是在时域OCT的基础上发展改进，其系统结构如图2-2所示。频域OCT消除了参考臂的机械扫描结构，在光接收端将光电探测器用光谱仪代替。利用傅里叶逆变换对光谱仪接收到的干涉光谱数据进行分析构成图像，并获得被测物质的纵向信息。由于频域OCT纵向的信息数据是通过光谱仪一次性获得的，不必进行机械扫描，只需要通过横向两个维度的扫描即可得到样品的三维图像，大大提高了成像的速度。频域OCT的实现方法主要有两种[4]：一是SDOCT（Spectral Domain OCT）即光谱OCT，如图 2-3所示，光谱 OCT空间光路包括光源、光谱仪、迈克尔逊干涉仪三部分。其中光谱仪主要由起分光作用的衍射光栅和可以探测不同波长的光信号强度并且将探测到的光信号转化为电信号的CCD组成。光谱OCT利用宽带光源作为它的光源，它是在干涉仪之后利用阵列探测器(通常使用CCD阵列)和光谱分光装置进行光谱探测，它利用光谱仪做探测元件对干涉信号进行光谱分析。二是SSOCT（Swept Source OCT）即波长调谐OCT，它一般以迈克尔逊干涉仪为主体，使用的是可调谐光源，利用单一光电探测器来检测不同波长光的干涉信号，最终得到被检测物的光谱分析。目前，SSOCT技术的纵向线扫描速度最高可以实现数MHz。

图2-2 频域OCT系统结构图

图2-3 光谱OCT空间光路

2.3功能OCT

功能OCT主要是指PS-OCT也称偏振OCT （Polarization-Sensitive OCT）和ODT也称多普勒OCT（Optical Doppler Tomography）[5]。偏振OCT，通过测量生物组织中的双折射性质可以诊断其是否发生病变；利用偏振光成像可以对生物组织的纤维结构进行成像分析。而且PS-OCT在用于定量测量生物组织热损伤的情况方面也显示出良好的发展前景，有着尤其重要的作用。多普勒OCT是将OCT成像与多普勒技术相结合。基于多普勒原理测量流速，因此ODT最初用于测量流体力学中的流动粒子，也可以用其探测血管内流体的流速，从而获得流速图，所以可以用来辅助血管疾病的诊断，应用于生物组织的测量。

3 OCT技术的应用

OCT技术广泛应用于多个领域。OCT不仅获得的断层图像分辨率高，而且成像速度快，对被检测物体的伤害小；还可以对材料或者是生物系统的内部微观结构进行高分辨率横断面层析成像。因此，OCT技术在医学、生物学、工业检测等领域应用广泛并且具有良好的应用前景。其中OCT最主要的应用还是在医学领域方面为其提供医学诊断图像。

3.1眼科应用

1991年，美国麻省理工学院的D.huang等人Science上发表论文，首次提出了OCT的概念[6]，D. huang等人就是将OCT应用在人眼的检测。1993年，Fercher发表了第一张人类眼底活检OCT断层照片[7]。并且Fercher等人用部分相干光通过干涉法测量了眼球的长度，这是OCT在生物医学上的首次应用，并且眼部的法布里珀罗（Fabry-Perot）干涉条纹也因此而得到[8]。传统的眼部诊断方法通常只有在病情已经很严重的情况下才能被确诊，还不能观察到眼部组织的细微变化。利用OCT可以对角膜、视网膜、晶状体等结构进行高分辨成像，拍摄黄斑疾病、测定视神经纤维的厚度、监测和诊断视网膜的疾病、测量视网膜结构等，使斑变质、青光眼等眼部症状能够在早期就得以确诊[1,9-10]。用OCT检测对眼睛的伤害小，几乎没有伤害。而第一台商用OCT眼科成像仪于1996年被德国卡尔蔡司公司( Carl Zeiss Meditec，Inc.)制造产生。

3.2牙科检测

Colston等用OCT取得牙周组织的OCT图像和离体猪前磨牙的牙本质，并将其成果于1997年首次报道[11]。1998年，Baumgartner等用偏振OCT获得离体牙釉质牙骨质界的清晰OCT图像[12]。2001年，Amaechi成功获得有龋损组织的典型OCT图像[13]。2005年，Quing Zhu小组于2005年检测了人牙齿的珐琅质[14]。2006，FreitasA.Z用OCT得到牙齿微结构的三维图像、定量与定性分析了口腔的健康状况、讨论了龋齿早期发现问题[15]。2014年，石博雅在博士论文中，在OCT方法的基础上，提出了一种牙釉质龋损程度的量化评价方法[16]。利用牙齿表面釉质的双折射效应，偏振敏感OCT获得OCT图像，可以清楚的观测到牙齿的牙釉质与牙本质以及其分界面，因此可以估计牙釉质的厚度，分辨出龋齿是否病变及其部位，用来检测早期龋齿。OCT技术在口腔硬组织中的成像深度一般为3mm，软组织中一般为1.5mm[17]。

3.3皮肤病变检测

OCT通过对皮肤的角质层、表皮和真皮进行高分辨率成像，可以检测到人体内部的病理反应诸如炎症、坏死等，尤其是在皮肤疾病例如真皮内空洞、角化不全和角化过敏等这些方面有着极其大的优势[1,4]。烫伤能够改变皮肤组织的双折射性质，而偏振OCT正是可以利用烫伤的此特性从而检测出皮肤的损伤程度[18]。

3.4内窥镜光学活检

内窥OCT是由OCT技术与内窥镜结合而成，其在一定程度上解决了OCT在应用于软组织成像时组织穿透深度有限这一缺点。内窥OCT能够对体内组织进行探测成像，以便能够及时发现组织的早期病变，还可以在OCT的探头上应用MEMS系统，使其在对体内组织进行成像时可以360°旋转扫描，因此，我们在不需要病理切片等对人体组织有害的操作下能够在体外观测体内器官组织的病变情况[5]。Y.T.Pan等人于2003年利用组织荧光图像指导OCT内窥镜成像，对早期膀胱癌进行了离体检测，他们的结果表明此方法在提高诊断早期膀胱癌的准确性上有可能会被提高。2007年，Zhongping Chen等人在OCT内窥成像中加入微机电系统，对人体声带和兔子直肠进行活检，得到了它们的三维高分辨率图像；2009年，Desmond C.Adler等人通过对人体的结肠、直肠等体内的组织利用波长调谐OCT进行成像，将正常的与病态的高分辨率图像进行对比，为诊断这些体内组织的病变提供了依据；2011年，Xiaojing Mu等人将 MEMS微镜探头与商用OCT系统相结合，对老鼠后肢皮肤和肌肉进行了探测成像并得到其图像，表明在生物组织检测方面MEMS OCT探头的应用前景可观。利用内窥OCT可以对食道，胃，肠进行体内探测成像，使我们可以在体外观测预防胃肠道疾病。

OCT无论是在眼科疾病、牙科疾病、胃肠疾病、心血管疾病、亦或是癌症、皮肤病等方面都具有重要的应用价值和发展潜力。随着科技的不断发展与进步，OCT在医学领域的应用也会不断发展扩大，而OCT技术的应用领域也将会更加广泛。

4 OCT技术的研究现状

自从OCT技术被报道以来，科研工作者看到了其应用前景，对OCT技术进行了深入的研究，比如OCT的关键技术：分辨率、成像速度、信噪比、探测深度等，来优化OCT技术，使其能广泛有效的应用于生活医疗中[4-5,19]。

OCT的分辨率主要分为由光束聚焦点的尺寸决定的横向分辨率和由相干长度决定的纵向分辨率。由于影响OCT的分辨率因素，综合考虑其横向分辨率和纵向分辨率，OCT一般用低数值孔径的物镜进行聚焦成像[4-5,19]。聚焦深度会随着横向分辨率的提高而降低，而为了解决这两者之间的矛盾，可以利用一种算法——干涉合成孔径显微算法对光谱数据进行重新处理，得到拥有恒定横向分辨率的成像结果。OCT的轴向分布率受光源的频谱范围的影响，不可能无限提高。B.Povazay通过改造OCT系统得到了亚微米级的分辨率，对生物组织进行成像的分辨率高达0.5μm，他利用的OCT系统具有紧凑结构钛蓝宝石的激光器和光子晶体光纤。[20]。雷湧等人曾提出一种基于近似波数域算法的干涉合成孔径显微技术，获得了基本不变空间横向分辨率的图像结果，同时图像的重构时间也被缩短;2011年，雷湧等人在此基础上，在横向扫描上利用改进的距离多普勒算法，提高了图像的横向分辨率和纵向分辨率，并且还将合成孔径算法用于旋转扫描图像，提高了其分辨率。2012年，黄炳杰等人提出一种深度分辨的色散补偿方法，用来增强频域OCT的纵向分辨率[21]。西安交通大学赵宏课题组通过干涉光谱的高斯整形和线性校正，从而提高了轴向分辨率。浙江大学吴彤等人针对利用1310nm波段的扫频光源的OCT技术得到的光谱进行非高斯分布，利用光谱整形和光谱校准的方法，提高了信噪比和轴向分辨率，将系统分辨率提高至12μm[22]。

光谱OCT中探测深度范围由光谱系统分辨率决定。如今的OCT技术只能对约几个毫米深度的皮下组织进行成像，还不可以对生物体的内部组织进行成像，成像深度浅成为OCT技术的弊端，也制约了OCT技术的发展。中国科学院上海光机步鹏等人于2007年在《光学学报》上提出一种基于正弦相位调制的频域光学相干层析成像，实现了频域光学相干层析成像的全深度探测，将OCT成像深度的范围扩大到原来频域光学相干层析成像的2倍。2015年，郭 昕等人提出了可以对探测到的频域信号直接应用光谱整形技术以此来提高成像的深度分辨率的这样一种技术[23]。

OCT系统有光噪声和接收电路的噪声这两种噪声源，其中光噪声又能分为多种，其中较为重要的是光源的噪声和光纤折射率起伏。2004年Desmond C.Adler等人用自适应小波域滤波器将OCT图像中的信噪比提高了7dB.南开大学毛幼馨等人通过提高参考臂扫描速度提高了系统的信噪比，使用数字带通滤波器有效地抑制了低频和高频噪声同时也可以提高系统的信噪比[24]。天津大学任钊等人建立了一种白光频域OCT系统，此OCT系统以子谱分析为基础，提高了轴向分辨率和信噪比同时还保证了最大探测深度[25]。西安交通大学赵宏课题组利用干涉光谱解耦，消除了图像噪声[26]。P. Puvanathasan等人将一种利用二型模糊集合来计算小波闭值的图像去噪方法用于OCT图像中手指OCT图像的信噪比提高了10dB。2009年，他们把基于各向异性散射滤波器与二型模糊集合相结合来降低噪声，这种方法用于手指尖和视网膜图像使得信噪比增强13dB和7dB。2013年，张田等人将二进小波与扩散滤波结合，提出了一种对OCT图像的二进小波扩散滤波降噪方法[27]。

对于成像速度，S．D．Chang和S．K．Dubey等人发明了可以减少横向扫描过程的拥有扫频光源的全场OCT技术，提高了OCT成像速度[28-29]。但是OCT的成像速度不可能无限提高，它还受到光谱仪器积分时间或扫频激光器扫描频率的限制。

5总结

OCT是一种将光、电以及计算机图像处理技术结合为一体的新型成像技术。目前，发展较为迅速。不少科研工作者对OCT进行优化、改良与深入探索，努力改善其技术参数，提高其成像分辨率，加快其成像速度，增大其成像深度，减小其体积，减低生产成本，使其逐渐广泛的应用于医疗中。OCT技术无论是在基础医学研究方面作为辅助医疗诊断设备还是在临床应用方面作为便携式诊断仪来确定肿瘤的部位等，其应用都具有广阔的发展前景，是极具发展潜力的光学检测技术。

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编辑：董刚

Optical coherence tomography imaging technology development and applications

LIU Xiaomei1,LI Mengyue1,ZHOU Min2
（College of Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University,Haikou570228,China）
（Northeast Computer Technology Service Center PLA,Aviation University Air Force,Changchun130022,China）Corresponding author,E-mail:twodays999@163.com

Optical coherence tomography,has been developing rapidly in recent twenty years,is a new imaging technology based on the principle of coherent interference.And the optical,electrical and computer image processing technology are combined to image the sample by using the back scattered light of the sample.This Imaging technology is widely used,and draws the attention of numerous scientific research scholars.OCT has the advantages of no damage,the intervention,non-contact,high image resolution,and the operation is simple,portable,easy to combine with endoscope,etc.,and it has been widely applied in the field of optics detection,industrial,medical and biological diagnostic testing,scientific research and so on.Since the penetration depth of OCT used in soft tissue imaging is limited,the technology is not yet implemented in the field of biomedical application.The development of OCT is not mature at present.And the relevant scientific researchers working to increase the system penetration depth,improve the resolution and signal-to-noise ratio,optimizing the comprehensive performance of system,etc.If the related technical can be made a breakthrough,the system imaging quality will be improved,the scope of the application of OCT technology will be expanded,and the level of medical testing technology will be improved,effectively. And it is of great significance to promote the development of spectral imaging technology.

Optical coherence tomography imaging;Spectral imaging;Optical detection;Biological detection

TH744.1；TH773

A

2095-7327（2017）-03-0047-06

刘晓梅(1981-)女，吉林镇赉人，海南大学教授，博士，研究方向：事成像光谱技术方面的研究，本文通讯作者。