量子电子学报
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光学相干层析成像综述

  摘要: 光学相干层析成像(OCT)是一个新兴的、非常有前景的、非侵入、非接触和非损坏的成像技术并已被广泛应用在生物、医药及材料等领域。本文介绍了OCT领域的发展。

  Abstract: Optical coherence tomography(OCT) is an emerging very promising noninvasive non-contact and nondestructive imaging technique and has been widely applied in biological and medical fields as well as in technical fields. This paper introduced the progressing of study on OCT filed.

  关键词: 光学相干层析成像;生物医药;图像技术

  Key words: optical coherence tomography;biological and medical;imaging technique

  中图分类号:TH744;O439 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2014)32-0255-02

  0 引言

  光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography,简称OCT)是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术,特别是生物组织活体检测和成像方面具有诱人的应用前景,已尝试在眼科、牙科和皮肤科的临床诊断中应用,是继X-CT和MRI技术之后的又一大技术突破,近年来已得到了迅速的发展。

  1 光学相干层析成像技术回顾

  随着科学的进步,当今医学成像技术已经在医学诊断中起着重要的作用,各种探测方法和显示手段趋于更精确、更直观、更完善从而有助于人们观察生物组织,了解材料结构,它的发展是物理、数学、电子学、计算机科学和生物医学等多门学科相互结合的结果。

  从显微镜的发明到X射线在医学上的应用使人们以图像的形式观察到了肉眼不能直接看到的形态结构,推动了医学诊断的发展。目前,各种医学成像技术不断发展,用于生物医学领域的研究,不同的成像原理可以用于观察不同的器官组织,不但给出组织的形态,还对组织特征进行识别和检测。

  各种成像技术中,光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography)是一项新兴的光学成像技术,当从散射介质中返回的弹道光子和蛇行光子与参考光的光程差在光源的相干长度范围内,发生干涉,而漫射光子与参考光的光程差大于光源的相干长度,不能发生干涉,从而把带有被测样品信息的弹道光子和蛇行光子提取出来,进行成像,它可以实现对生物组织高分辨率的非侵入层析测量,具有广泛的应用前景。

  光学相干层析成像技术是从光学相干域反射仪(或光学低相干反射仪)发展而来的,1991年,美国麻省理工学院(MIT)的David Huang等人在Science上首先报道了光学相干层析成像(简称OCT)技术。之后Schmitt等将此技术用于生物组织光学特性参数测量,取得了很好的效果。1996年Carl Zeiss Meditec Inc. of California把眼科的OCT系统做成临床医疗器械投放市场。

  OCT技术问世以来,各个研究机构为了扩展它的应用范围和提高性能进行了大量的研究工作,出现了许多新方法,为OCT技术在医学领域的广泛应用打下基础。将OCT技术与多普勒技术相结合,形成一种新的检测仪器――多普勒光学相干层析系统,可用来检测眼部血管的血流速度和流向,还能测量介质的结构特性;把OCT技术与内窥镜结合起来形成OCT导管式内窥镜,能够用于对心血管系统、胃肠道系统、泌尿系统及呼吸道等管状生物组织的高分辨率成像;为了在高散射介质中获得更高的纵向分辨率和更大的探测深度,将OCT技术与光学共焦显微术结合起来形成了光学相干显微术,能够有效的滤除高散射介质远离焦面的杂散光。

  在国内,对OCT的研究也正在进行,主要包括有:上海光机所和南开大学进行了OCT技术研究及生物组织光学的探讨,建立了用SLD作为光源的OCT系统,采用了相位调制的外差探测方法;清华大学分别用飞秒激光器和SLD作为光源建立了OCT系统,并采用了傅立叶域光学延迟线的扫描方法,得到了洋葱和兔子眼球的层析图像;天津大学进行了线聚焦OCT技术研究及PS-OCT的研究;华中科技大学对OCT技术作了理论阐述,并采用LED作为光源建立了OCT系统。但是目前国内对于OCT的研究还只是局限于实验阶段,与国外同行还有一定差距。

  OCT是一种20世纪90年代兴起的新型层析成像技术,它的出现及发展称得上是医学诊断领域一次突破。自OCT技术出现以来,发展非常迅速,各种新技术不断出现,从分离式OCT到全光纤式OCT,再到ODT和内窥镜式OCT,层出不穷,应用范围逐渐扩大,从最早用于眼科到今天用于对牙齿、心脏、肠胃道的清晰成像。但OCT不会取代超声或者核磁共振成像,而是作为医学成像的一个有益的补充。目前,OCT技术的研究在美国、西欧以及日本等一些发达的国家引起了重视,并投入了大量的人力物力,取得了高速的发展,而国内由于资金和仪器设备等一些条件的限制,还处于理论研究或实验室研究的阶段,需要国内相应的研究机构加大投入力度,加强应用研究,不断缩小与国外的差距,使得OCT技术得到更迅猛的发展。

  2 光学相干层析成像术的发展

  当前主流的OCT系统操作基本上是在所谓的时域OCT(Time-Domain Optical Coherence Tomography,TDOCT)系统中用点对点探测方案来执行的。

  近来,一种新颖的OCT系统-基于光谱而非扫描干涉法的频谱领域光学相干层析成像(Spectral-Domain Optical Coherence Tomography,SDOCT)正在兴起。在SDOCT中,样品的全部深度结构(A-扫描)从光谱干涉图中经离散傅立叶转换而同步获得,无需深度扫描过程。其主要部件是迈克而逊干涉仪和光谱仪。早在1995年,Fercher等人就已提出谱域OCT概念。同年,Leitgeb等人给出了谱域OCT的结果与方法。自那以来,SDOCT已得到很大发展;2000年,Maciej Wojtkowski第一次报道了活体视网膜SDOCT成像。SDOCT相关的理论还被快速提升。   3 光学相干层析成像在非医学领域的应用

  OCT研究的最初目的是为生物医学的层析成像,并且医学应用仍然继续占主导地位。除了在医学领域的应用,随着OCT技术的发展,OCT技术正在向其他领域推进,特别是工业测量领域,如位移传感器、薄底片的厚度测量以及其他可以转换成位移的被测物的测量。

  最近,低相干技术已作为高密度数据存储的关键技术。OCT技术还可用于测量高散射聚合物分子的残余孔隙、纤维构造和结构的完整性。还可以用于测量材料的镀层。OCT技术还能用于材料科学,J.P.Dunkers等人使用OCT技术对复合材料进行了无损伤的检测。M.Bashkansky等人利用OCT系统对陶瓷材料进行了检测,拓展了OCT技术的应用范围。S.R.Chinn等还对OCT在高密度数据存储中的应用进行了研究,实现多层光学存储和高探测灵敏度。

  4 结语

  OCT技术以其非接触性和非破坏性、有极高的探测灵敏度与噪声抑制能力、高分辨率无损伤和在体检测上对活体组织无辐射等优越性以及造价低、结构简单等优点,在材料科学和生物医学等领域的无损检测方面有着重要的应用价值和广阔的发展前景。

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