生物医学光子学中的共聚显微技术光学相干层析技术（二）

姓名：龚楚鸿 学号：20181214379

原创

【嵌牛导读】本文灵感来源于杨老师嵌牛团队的“健康社区”，对于将康及嵌入式系统来说，生物医学光子学也是一个非常重要的交叉学科。本文将主要介绍两个较为火热的课题，共聚显微技术与光学相干层析技术（OTC）本文为该话题第二部分。

【嵌牛鼻子】生物医学光子学，光学系统

【嵌牛提问】光学系统与嵌入式的结合将会迸发出哪些火花？

【嵌牛正文】

2光学相干层析技术（OTC）的原理和医学应用

2.1光学相干层析技术（OTC）的原理

        光学相干断层扫描技术(光学相干层析技术，Optical Coherence tomography, OCT)是近十年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，检测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，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。该项技术1991年由麻省理工大学的Huang D等首次提出，1995年Fercher等提出了傅里叶域OCT如今已经得到了较好的发展。

OCT的原理如下：图9(a)表示一个光脉冲在样品的不同深度处反射回来的时间是不同的，通过测量光脉冲从样品中反射回来的时间延时，可得到样品深度方向的结构图像．如果要能反映微米量级的深度差别则时间延迟要短至10-15S，电子设备难以直接测量，故而利用图9(b)所示的迈克尔逊干涉仪装置进行测量．以飞秒脉冲激光的光源作例．飞秒脉冲激光经过透反分束镜，分为两束光，一束射往样品(眼球)，另一束则射在参考反射镜上，参考镜的位置为已知的．参考镜的反射光(参照光)和从眼球各界面反射回的光脉冲序列，在光电探测器上会合．当参考光脉冲和信号光脉冲序列中的某一个脉冲同时到达探测器表面，就会产生光学干涉现象．这种情形，只有当参考光与信号光的这个脉冲经过相等光程时才会产生．为了测量从眼内不同结构回来的光延迟，只需前后移动参考镜，使参考光分别与信号光产生干涉，同时分别记录下相应的参考镜的空间位置，这些位置便反映了眼球内不同结构的相对空间位置．事实上，这个过程便是一个时空变换的过程，将时间的测量转变成为空间的测量．为了测量样品不同深度处反回的光延迟，迈克尔逊干涉仪的参考臂要进行扫描。同样教材上也作了类似的论述，从迈克尔逊干涉仪出发，形成光学低相干干涉。可以实现内部三维空间信息的高速、高分辨、高灵敏度获取，在垂直深度方向引入二维空间扫描机制则可实现OCT三维成像。深度Z方向单次扫描成为A扫描（A-line），X方向多个A-line构成一帧图像（B-frame），最后Y方向多个B-frame完成三维成像，原理图见图10。可以说OCT就是在原先一维相干测距技术发展起来而形成的的二维或三维成像技术。

图9，OCT原理示意图

图10，三维SD-OCT图像  

2.2光学相干层析技术（OTC）的医学应用

OCT技术经过近十年的快速发展，在灵敏度和成像速度等方面取得巨大进步，从而使得其在医学领域的应用成为可能。如今，OCT已经广泛应用于眼科、心血管疾病的临床诊断治疗、并在脑科学、肿瘤、消化道、呼吸科、皮肤、发育等医学领域也有着重要科学价值和应用前景。接下来将举例说明OCT在医学领域的一些应用及前景。

其中最著名的应当是OCT在血流方面的应用。血液占成人体重的十三分之一，有运输、调节人体温度、防御、调节人体渗透压和酸碱 平衡四个功能，对于人们的健康影响重大。OCT血液流速测量法，基于多普勒效应，多普勒ＯＣＴ 能够测量血红细胞的流动速度，计算出的血红细胞流速是血红细胞实际流速在平行于探测激光光束传播方向的速度分量，示意图如11。如今也出现了PM/OCT双系统仪器，大大提高了测量精度测速实物图如图12。

图11，OCT血流测速单个血红细胞通过微管和探测光束的示意图

图12，ＯＣＴ测量的血液流速。   

        光学相干层析技术非常适合眼科领域的成像， 最初的研究成像对象也是基于眼部。1991年，麻省理工学院首次提出了光学相干层析技术， 获得了人眼视网膜黄斑附近的微细结构的层析图像。一般情况下，只有眼部的病情出现较明显的变化，病情才可以确诊，传统的方法很难观察到眼部内部的微小变化。并且，大部分医学成像方式如X 射线扫描，超声波扫描 等并不适合眼部的观察，会对眼睛造成损害。OCT 技术凭借着无损伤、非接触、高分辨率且操作简单等优点，可以对虹膜、视 网膜、晶状体等结构进行高分辨成像，拍摄黄斑疾病、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。OCT 眼科成像仪示意图如图13。

图13，OCT 眼科成像仪示意图  

        OCT在牙科也有着应用前景。口腔硬组织成像深度一般在3mm 左右，软组织在1.5mm 左右。1997年科学家用光学相干层析技术获得了牙周围组织的层析图像和离体猪前磨牙的牙本质。随后， 在2001-2005 年，龋损组织和牙齿的珐琅质也相继用光学相干层析技术得到。利用光学相干层析技术可以对牙齿样品的牙釉质以及牙本质清晰成像，观察到牙釉质与牙本质的分界面。

        OCT在癌症方面也有着很好的应用前景。例如在黏液型胃癌边界区域的判断上，黏液对光的背向散射更弱以及与黏膜组织的背向散射对比相差更大使得黏液型胃癌的OCT图像成像更清晰，Ｂ型超声扫描（B-scan）的OCT图像能够分辨该种类型癌症的边界区域；将B-scan的OCT图像进行三维重建后显示整个成像区域的体结构，经过表面展平后提取深度方向上不同层的切面图像，提供了另一维度视角观察胃癌组织的边界区域，与B-scan图像交叉验证可以显示优异的区分效果。检测中的OCT设备如图14，病理切片附近的OCT图像如图15。

图14，OCT设备

图15， （a）黏液型胃癌边界区域的病理切片； （b）-（f）对应病理切片附近的ＯＣＴ图像