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1、光学相干层析技术光学相干层析技术姓名：王玲 学号：121630 光学相干层析技术光学相干层析技术(optical coherence tomography,OCT)是近年来继共焦扫描显微镜之后发展是近年来继共焦扫描显微镜之后发展起来的新型光学成像技术起来的新型光学成像技术。它利用弱相干光干涉仪的基本它利用弱相干光干涉仪的基本原理原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相检测生物组织不同深度层面对入射弱相干干光的背光的背向向散散射信号射信号。通过扫描通过扫描，可，可得到生物组织二维或得到生物组织二维或三三维结构图维结构图像。它是一种非接触、无损伤成像技术，具有较高的分辨像。它是一种非接触、无损伤成
2、像技术，具有较高的分辨率，率，可可达到达到115m，比传统的超声波探测高，比传统的超声波探测高1到到2个数量个数量级级，成像速率达到成像速率达到1幅幅/秒秒，可，可以实现二维或以实现二维或三三维成像维成像。其其灵敏度能够大于灵敏度能够大于100dB，在在高高散射生物组织中散射生物组织中成成像深度可像深度可达达3mm。从探测深度、分辨率、简单实用等角度综合考虑从探测深度、分辨率、简单实用等角度综合考虑，光学相干层析术被认为是很有发展前途的一种新型光光学相干层析术被认为是很有发展前途的一种新型光学成像技术学成像技术。光学相干层析技术（光学相干层析技术（OCT）由于不存在辐射危）由于不存在辐射危害，
3、已发展成为面向医学应用的一种宝贵的非侵入式害，已发展成为面向医学应用的一种宝贵的非侵入式成像技术。目前，已经在用于诊断和生物医学成像领成像技术。目前，已经在用于诊断和生物医学成像领域赢得了一席之地。域赢得了一席之地。OCT基本工作原理 光学相干层析成像技术是以光学低相干领域反射测量技术光学相干层析成像技术是以光学低相干领域反射测量技术为基础，使用超发光二极管、激光二极管和光纤，摒弃了生为基础，使用超发光二极管、激光二极管和光纤，摒弃了生物组织光学研究常用的笨重且昂贵的激光器。与医学领域常物组织光学研究常用的笨重且昂贵的激光器。与医学领域常用的用的X X射线及核磁共振层析技术相比，它具有无损伤非
4、介入的射线及核磁共振层析技术相比，它具有无损伤非介入的特点，可在自然条件下用于人体内部器官的病变检测，同时特点，可在自然条件下用于人体内部器官的病变检测，同时与超声波和与超声波和X X射线等医学常用检测技术相比具有超过这些技术射线等医学常用检测技术相比具有超过这些技术数倍以上的分辨率数倍以上的分辨率(1(11515mm)；与传统光学显微镜相比，它采；与传统光学显微镜相比，它采用弱相干性来抑制背景能量，从而具有极强的光学剖面分析用弱相干性来抑制背景能量，从而具有极强的光学剖面分析能力结构特性及多种光学性质的测量能力结构特性及多种光学性质的测量。OCT系统的基本结构 该系统的核心是一个迈克尔逊干涉
5、仪，它利用低相干该系统的核心是一个迈克尔逊干涉仪，它利用低相干干涉技术，通过一个时空变换的过程，将对时间的测量转干涉技术，通过一个时空变换的过程，将对时间的测量转变成为对空间距离的测量。干涉仪的一臂装有反射镜作为变成为对空间距离的测量。干涉仪的一臂装有反射镜作为参考臂，另一臂置于待测样品上作为样品臂。从光源输出参考臂，另一臂置于待测样品上作为样品臂。从光源输出的弱相干光进入的弱相干光进入2222光纤耦合器，被分为两束分别进入干光纤耦合器，被分为两束分别进入干涉仪的样品臂和参考臂。涉仪的样品臂和参考臂。一一束为信号探测光，经透镜聚焦束为信号探测光，经透镜聚焦后照射到样品内部而得到后向散后照射到样
6、品内部而得到后向散(反反)射光；另一束为反射射光；另一束为反射镜反回的参考光。从反射镜返回的参考光与被测样品后向镜反回的参考光。从反射镜返回的参考光与被测样品后向散散(反反)射的信号探测光二者经光纤耦合器形成干涉信号，射的信号探测光二者经光纤耦合器形成干涉信号，然后被光电探测器探测输出经电路转化为干涉强度信号。然后被光电探测器探测输出经电路转化为干涉强度信号。信号强度反映了样品的散信号强度反映了样品的散(反反)射强度。射强度。迈克尔逊干涉仪 迈克尔逊干涉仪是光学相干层析成像系统中最主要的组成部分迈克尔逊干涉仪是光学相干层析成像系统中最主要的组成部分之一。之一。它是一种典型的分振幅干涉仪它是一种
7、典型的分振幅干涉仪 。下图是其光路图。下图是其光路图。平行玻璃板平行玻璃板G1和和G2相互平行，相互平行，平面镜平面镜M1和和M2相垂直，相垂直，G1和和G2与与M1和和M2成成45。光源光源S发出的光射到发出的光射到分光板分光板G1(背面镀有银的薄层背面镀有银的薄层)上半透上半透明表面把入射光分成强度几乎相等的明表面把入射光分成强度几乎相等的反射光束和透射光束，反射光束经平反射光束和透射光束，反射光束经平面镜面镜M1再反射回来穿过再反射回来穿过G1进入观察进入观察系统；透射光束透过补偿板系统；透射光束透过补偿板G2经平面经平面镜镜M2再反射回来，被分光板再反射回来，被分光板G1半透半透明表反
8、射也进入观察系统，从而形成明表反射也进入观察系统，从而形成干涉现象。干涉现象。OCT在医学中的应用 现在光相干层析成像技术作为一种非侵袭性的诊断工现在光相干层析成像技术作为一种非侵袭性的诊断工具，在临床医学中开始发挥其巨大的作用，因为具，在临床医学中开始发挥其巨大的作用，因为OCTOCT 图像图像的轴向分辨率可以达的轴向分辨率可以达1010 m m m m，比现在任何一种临床诊断设备，比现在任何一种临床诊断设备的分辨率高达的分辨率高达1010倍以上，且这种光纤式结构不仅便宜而且倍以上，且这种光纤式结构不仅便宜而且很容易进入导管、内窥镜进行合作，在人体内部的组织器很容易进入导管、内窥镜进行合作，
9、在人体内部的组织器官检查中得到很高的分辨率，特别在眼科学、心脏学、皮官检查中得到很高的分辨率，特别在眼科学、心脏学、皮肤病等学科诊断中具有明显的优势。肤病等学科诊断中具有明显的优势。眼 科 对于青光眼的诊断和处理目前在临床是十分棘手的问对于青光眼的诊断和处理目前在临床是十分棘手的问题，眼内压测量经常不能准确预测出青光眼的病情进展，题，眼内压测量经常不能准确预测出青光眼的病情进展，只有在视网膜神经纤维缺少只有在视网膜神经纤维缺少50%以上时，视野缺损和视神以上时，视野缺损和视神经乳头凹陷这样的后期临床症状才能检测到经乳头凹陷这样的后期临床症状才能检测到。OCT对视网对视网膜结构的高分辨率成像，对
10、眼科临床上诊断青光眼、斑变膜结构的高分辨率成像，对眼科临床上诊断青光眼、斑变质和斑水肿十分可靠。质和斑水肿十分可靠。视网膜神经纤维层是在青光眼中受影响的解剖视网膜神经纤维层是在青光眼中受影响的解剖结构，结构，由于由于OCT的高分辨率可敏感地测量视网膜神经纤维层的厚的高分辨率可敏感地测量视网膜神经纤维层的厚度且观测到视盘的外形变化，可以在度且观测到视盘的外形变化，可以在OCT中明确的判别。中明确的判别。而且而且OCT检查几乎不会给病人造成任何不适。检查几乎不会给病人造成任何不适。心心 血血 管管 OCT对冠状动脉成像，对于激光消融术和其它去除对冠状动脉成像，对于激光消融术和其它去除血管阻塞物技术
11、十分重要，以往的技术无法明确地区分血管阻塞物技术十分重要，以往的技术无法明确地区分病理和健康组织的外形轮廓。现在病理和健康组织的外形轮廓。现在OCT可以在开放的外可以在开放的外科手术中和导管外科手术中探测血管壁。在冠状动脉科手术中和导管外科手术中探测血管壁。在冠状动脉OCT影像中，由于较大的后向散射和脂肪钙化斑状的阴影像中，由于较大的后向散射和脂肪钙化斑状的阴影效应，脂肪钙化斑状层，纤维动脉粥样化和正常动脉影效应，脂肪钙化斑状层，纤维动脉粥样化和正常动脉壁对比十分明显。绝大多数的心肌梗塞是由心脏中的动壁对比十分明显。绝大多数的心肌梗塞是由心脏中的动脉中小的粥样斑块破裂造成，而不是大粥样斑块破裂
12、引脉中小的粥样斑块破裂造成，而不是大粥样斑块破裂引起，而这小粥样斑块破裂的趋势在目前技术中是检测不起，而这小粥样斑块破裂的趋势在目前技术中是检测不出来的，具有高分辨率的出来的，具有高分辨率的OCT可以做到可以做到。光在血液中占多数的散射是由于在红细胞质和血清之光在血液中占多数的散射是由于在红细胞质和血清之间折射系数不同引起的，当增加血清的折射系数接近细胞质间折射系数不同引起的，当增加血清的折射系数接近细胞质时（这时需要在血管中充盈盐水、也可以通过泵入葡萄糖、时（这时需要在血管中充盈盐水、也可以通过泵入葡萄糖、静脉对比剂实现），散射可以大大降低，血管壁的细微结构静脉对比剂实现），散射可以大大降低
13、，血管壁的细微结构可以清晰可见，可和病理学的分辨率相媲美（当然由于血管可以清晰可见，可和病理学的分辨率相媲美（当然由于血管的波动会产生一些运动伪影），提高了的波动会产生一些运动伪影），提高了OCT在血液中对血在血液中对血管壁的成像图像质量管壁的成像图像质量。皮皮 肤肤 由于大多数的皮肤疾病都伴有其结构的改变，现在各由于大多数的皮肤疾病都伴有其结构的改变，现在各种各样的诊断方法都努力提高显示皮肤结构图像的空间分种各样的诊断方法都努力提高显示皮肤结构图像的空间分辨率。目前辨率。目前OCT对皮肤结构成像的分辨率可达对皮肤结构成像的分辨率可达1520m，这比其它的诊断方法要高出一个数量级。普通的这比其
14、它的诊断方法要高出一个数量级。普通的OCT对皮对皮肤成像的深度为，对一般皮肤疾病的检查诊断是足够的。肤成像的深度为，对一般皮肤疾病的检查诊断是足够的。由于它的无创伤性和没有任何副作用的特点，以及不仅提由于它的无创伤性和没有任何副作用的特点，以及不仅提供组织结构信息，而且还可以提供组织功能信息，供组织结构信息，而且还可以提供组织功能信息，OCT可可以检测人体内部诸如：炎症、坏死等病理反以检测人体内部诸如：炎症、坏死等病理反应，特别对角化过度、角化不全和真皮内空洞形成等皮肤应，特别对角化过度、角化不全和真皮内空洞形成等皮肤疾病方面显示出极大的优势疾病方面显示出极大的优势。基于导管内窥镜光学生检 基
15、于导管基于导管内窥镜内窥镜OCTOCT系统包括一个密封可旋转的系统包括一个密封可旋转的中空导线和单膜光纤。通过以中空导线和单膜光纤。通过以4r/s4r/s 的频率旋转导线、光的频率旋转导线、光纤和内部固定的光学部件来完成光束的扫描。导管纤和内部固定的光学部件来完成光束的扫描。导管内窥镜的直径为内窥镜的直径为1mm1mm，它足够小，允许进入人体的冠状动，它足够小，允许进入人体的冠状动脉或内窥镜系统脉或内窥镜系统。OCTOCT图像可以显示出食管、气管、血管图像可以显示出食管、气管、血管各种管壁层的结构。基于导管的各种管壁层的结构。基于导管的OCTOCT系统，对食道组织各系统，对食道组织各层的分辨率
16、可达到层的分辨率可达到1010mm，超过，超过MRIMRI、超声的影像分辨率。、超声的影像分辨率。现在认为对于食管癌治疗的最重要问题是早期发现，现在认为对于食管癌治疗的最重要问题是早期发现，OCTOCT 系统可以快速实时确诊组织的恶变部位，这对于一般内窥系统可以快速实时确诊组织的恶变部位，这对于一般内窥镜是无法做到的。同时也为内窥镜的进一步治疗提供了指镜是无法做到的。同时也为内窥镜的进一步治疗提供了指导方向。最后导方向。最后OCTOCT系统图像在细胞水平上分辨率可以对冠系统图像在细胞水平上分辨率可以对冠状动脉成像术、微血管修复等外科和显微外科手术的提高状动脉成像术、微血管修复等外科和显微外科手
17、术的提高起到促进作用。起到促进作用。OCT技术的缺陷OCTOCT不能像电子显微镜那样确定组织的分子结构，它的分辨率要小于活检组不能像电子显微镜那样确定组织的分子结构，它的分辨率要小于活检组织镜检。应用短脉冲光源织镜检。应用短脉冲光源OCTOCT 可以把纵向分辨率提高到可以把纵向分辨率提高到2424mm，但横向分辨，但横向分辨率提高十分困难。同时理论的分辨率有时会在实际应用有所降低。率提高十分困难。同时理论的分辨率有时会在实际应用有所降低。OCTOCT成像探测组织的深度为成像探测组织的深度为2424mm，在较深的下边，光子便会多次散射丧失，在较深的下边，光子便会多次散射丧失相干的可能。相干的可能
18、。对于组织内部细微的差别（如正常细胞和癌细胞的区别）这时需要一个光谱对于组织内部细微的差别（如正常细胞和癌细胞的区别）这时需要一个光谱特性具有高度灵敏度，这在特性具有高度灵敏度，这在OCTOCT系统做不到，因此不能完成诸如基因改变等系统做不到，因此不能完成诸如基因改变等诊断。诊断。由于在体内组织中反射和后散射自然特性，给由于在体内组织中反射和后散射自然特性，给OCTOCT的应用设置了一些限制。的应用设置了一些限制。对于一些平面结构组织和圆柱形反射体，需要对对于一些平面结构组织和圆柱形反射体，需要对OCTOCT系统角度准直获得接近系统角度准直获得接近于正常的入射。两个点以上的样本组织的反射体，反
19、射到达探测器某点相位于正常的入射。两个点以上的样本组织的反射体，反射到达探测器某点相位之外小于光源相干时间间隔的光波便形成散斑之外小于光源相干时间间隔的光波便形成散斑。OCT正在改进的工作光源光源图像采集图像采集探测探测易于使用的软件易于使用的软件 为使为使OCT技术成为医生能够使用和真正想用的诊断工具，还技术成为医生能够使用和真正想用的诊断工具，还有几个关键问题需要解决。有几个关键问题需要解决。OCT技术的先驱技术的先驱Fujimoto说：说：“OCT技术整合了许多子技术，系统的整体性能归根到底取决于一些关技术整合了许多子技术，系统的整体性能归根到底取决于一些关键部位。键部位。”作为一种新兴的成像技术作为一种新兴的成像技术,OCT技术以其独特的魅技术以其独特的魅力在科学研究和医学临床上具有广泛的应用前景。相力在科学研究和医学临床上具有广泛的应用前景。相比于技术已经成熟的超声、比于技术已经成熟的超声、CT、PET和和MR I等成像装等成像装置置,OCT技术也有其自身的局限性和缺陷技术也有其自身的局限性和缺陷:光源的选择光源的选择标准不够统一、成像深度浅等标准不够统一、成像深度浅等,但但OCT技术可以作为传技术可以作为传统成像技术的补充统成像技术的补充,随着该技术的不断改进随着该技术的不断改进,其应用范围其应用范围必将进一步扩大。必将进一步扩大。Thank You!