眼科光學(xué)斷層成像儀的發(fā)展及應(yīng)用

張曉虹，陳衛(wèi)偉

千佛山醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，山東濟(jì)南 250014

眼科光學(xué)斷層成像儀的發(fā)展及應(yīng)用

張曉虹，陳衛(wèi)偉

千佛山醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，山東濟(jì)南 250014

本文闡述眼科光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（Optical Coherence Tomography，OCT）的發(fā)展及現(xiàn)狀，并詳細(xì)介紹了OCT的原理及系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

光學(xué)斷層成像；視網(wǎng)膜成像；青光眼；白內(nèi)障

光學(xué)相干斷層成像技術(shù)是基于邁克爾遜干涉儀的新型光學(xué)成像技術(shù)，1994年開(kāi)始正式用于眼科臨床，它經(jīng)過(guò)三代的發(fā)展，目前成像速度和圖像的分辨率已大大提高，測(cè)量的是生物樣品背向散射光、反射光，利用光源的相干長(zhǎng)度來(lái)獲得達(dá)μm量級(jí)的分辨率，具有無(wú)損傷、非接觸、靈敏性高的特點(diǎn)，可以將數(shù)據(jù)處理成三維圖像。OCT根據(jù)邁克爾遜干涉儀（Michelson Interferometer）的原理設(shè)計(jì)，通過(guò)入射光經(jīng)參考臂和樣品臂反射回來(lái)的光程不同，從而生成干涉圖像，通過(guò)干涉圖像再反推樣品臂中的物理長(zhǎng)度信息。眼用OCT檢查系統(tǒng)本質(zhì)上是將Michelson型干涉儀的測(cè)距光路融入眼科裂隙生物顯微鏡形成一臺(tái)應(yīng)用光學(xué)干涉信號(hào)成像的可視性檢查儀，可應(yīng)用于眼前節(jié)和眼后節(jié)的檢查。

1 OCT的發(fā)展和現(xiàn)狀

1991年美國(guó)麻省理工學(xué)院Huang等[1]首先利用研制的OCT對(duì)離體的人視網(wǎng)膜和視盤(pán)進(jìn)行了觀察，經(jīng)過(guò)幾年的改進(jìn)，最終確立了它在視網(wǎng)膜成像方面的優(yōu)越性。OCT自1991年首次問(wèn)世以來(lái)，一直成為國(guó)際上光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。科學(xué)家們不斷完善OCT技術(shù)并于1994年開(kāi)始正式用于眼科臨床。最初應(yīng)用于臨床的OCT為OCT 1，有10個(gè)掃描程序，7個(gè)分析程序，是一種科研用儀器。2000年OCT 2出現(xiàn)，它體積更小，更易操作。增加了2個(gè)掃描程序，4個(gè)分析程序，在視網(wǎng)膜厚度測(cè)定和RNEL厚度測(cè)量方面，OCT 2的可重復(fù)性更佳，對(duì)黃斑厚度的測(cè)量其變異值<11μm。2002年，Stratus OCT，即OCT 3的出現(xiàn)，標(biāo)志著OCT技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的階段。OCT 3全部操作都可用鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)上完成，掃描和分析程序日趨完善，分辨率更高。OCT 3提供了18種掃描程序，19種分析程序，黃斑區(qū)掃描圖像可以辨認(rèn)出更多層次，可以更清楚地觀察視網(wǎng)膜各層結(jié)構(gòu)的病變。首次提供了RNFL的正常參考值及視盤(pán)分析程序，為OCT在青光眼的診斷方面提供了更廣泛的應(yīng)用前景。從OCT 1到OCT 3，均是時(shí)域OCT（Time Domain Optical Coherence Tomography, TD2OCT）通過(guò)光學(xué)延遲線的快速變化來(lái)實(shí)現(xiàn)縱向深度掃描（即A掃描）。為了得到一個(gè)縱向的深度圖像[2]，參考臂要來(lái)回進(jìn)行機(jī)械掃描，這就大大限制了它的成像速度。針對(duì)TD2OCT的這點(diǎn)不足之處，F(xiàn)ercher等[3]提出了傅立葉域OCT（Fourier Domain Optical Coherence Tomography，F(xiàn)D2OCT）,其通過(guò)獲取寬帶光譜各頻率成分的干涉信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。后者大大提高了成像速度和圖像的分辨率，并且可以將數(shù)據(jù)處理成三維圖像，提供了直觀、清晰的視網(wǎng)膜各層可視圖像，在OCT發(fā)展史上是一座里程碑。

2 OCT的原理

眼科OCT根據(jù)邁克爾遜干涉儀（Michelson Interferometer）的原理設(shè)計(jì)[4-6]。邁克爾遜干涉原理圖，見(jiàn)圖1。Michelson干涉儀是通過(guò)入射光經(jīng)由參考臂和樣品臂反射回來(lái)的光程不同，從而生成干涉圖像，通過(guò)干涉圖像再反推樣品臂中的物理長(zhǎng)度信息。M1和M2是2塊互相垂直放置的平面反射鏡，M2固定不動(dòng)，M1可以沿精密絲杠V前后作微小移動(dòng)，G1和G2是2塊與其成45°平行放置的平面玻璃板，它們的折射率和厚度都完全相同，其中G1的背面鍍有半反射膜，稱為分光板（Splitter），G2稱為補(bǔ)償板。自透鏡L出射的單色行光經(jīng)分光板分成光束1（Lλ1）和光束2（Lλ2），它們分別垂直射入到平面反射鏡M1和M2上。經(jīng)反射的Lλ1回到分光板后，一部分透過(guò)分光板成為光束L出1并沿視場(chǎng)E方向傳播；而透過(guò)G1和G2并經(jīng)M2反射光束Lλ2回到分光板后，其中一部分被反射成為光束L出2，并沿E方向傳播。由于光束L出1和L出2兩者是相干光，因此在E處可以看到干涉現(xiàn)象。

圖1 邁克爾遜干涉原理圖

補(bǔ)償板G2的作用是用于補(bǔ)償光束Lλ1和光束Lλ2因經(jīng)過(guò)G1的次數(shù)不同而引起的光程差。這種補(bǔ)償在單色光照明時(shí)并非必要，光束Lλ1經(jīng)過(guò)G1所增加的光程可以通過(guò)移動(dòng)M1的位置，用空氣中的行程補(bǔ)償。但是使用非單色光照明時(shí)，因?yàn)椴ＡУ纳ⅲ煌ㄩL(zhǎng)的光有不同的折射率而無(wú)法用空氣中的行程補(bǔ)償。如果光束Lλ1和光束Lλ2的光程差太大，超過(guò)光源的相干長(zhǎng)度，則不能產(chǎn)生干涉。如采用激光作為光源時(shí)，由于激光的單色性好，相干長(zhǎng)度長(zhǎng)，可省去補(bǔ)償板。調(diào)整分光鏡的分光比例，使會(huì)合的兩波振幅相等，合成的光強(qiáng)度可用公式（1）表示如下：

式中的相位差θ=（4/λ）dcosΦ，其中Φ角為眼（或光檢測(cè)器）與入射光之間的夾角。在E處觀察到的干涉現(xiàn)象，可用式（1）進(jìn)行分析。當(dāng)移動(dòng)反射鏡M1或M2時(shí)，光程隨即連續(xù)發(fā)生改變，所以在某定點(diǎn)所觀察到的強(qiáng)度為明暗交替，仿佛在移動(dòng)的條紋。通過(guò)計(jì)數(shù)某定點(diǎn)的條紋數(shù)，根據(jù)公式（2）即可求得反射鏡所移動(dòng)的距離d

式中m2為所計(jì)數(shù)的條紋數(shù)，λ為光在該介質(zhì)中的波長(zhǎng)，對(duì)在E處的觀察者來(lái)說(shuō)，光自M1和M2上的反射就相當(dāng)于來(lái)自相距為d的M1和M0上的反射，其中M0是平面鏡M2經(jīng)G1半反射膜反射所成的虛像。因此，在E處所看到的明暗干涉現(xiàn)象取決于厚度d。設(shè)光在半反射膜內(nèi)外兩側(cè)反射時(shí)引起的半波損失相同，則在d為0時(shí)光束1′和2′間的光程為0，產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉，E處視場(chǎng)最亮。移動(dòng)反射鏡M1，當(dāng)移動(dòng)距離為λ/4時(shí)，光束L出1和L出2的光程差為λ/2，產(chǎn)生相消干涉，E處視場(chǎng)最暗。顯然，每移動(dòng)λ/2，視場(chǎng)從最亮（最暗）到最亮（最暗）1次。這樣，若E處視場(chǎng)從最亮到第N次最亮出現(xiàn)時(shí)，反射鏡M1移動(dòng)的距離為Nλ/2。因此，通過(guò)E處亮暗的變化就能測(cè)量出反射鏡的移動(dòng)量，在理想單色光照明的情況下，測(cè)量精度可達(dá)波長(zhǎng)的1/2。

3 眼用OCT檢查系統(tǒng)的基本構(gòu)成

眼用OCT檢查系統(tǒng)本質(zhì)上是將Michelson型干涉儀的測(cè)距光路融入眼科裂隙生物顯微鏡，形成1臺(tái)應(yīng)用光學(xué)干涉信號(hào)成像的可視性檢查儀。眼用OCT檢查系統(tǒng)的基本構(gòu)成，見(jiàn)圖2。

圖2 眼用光纖OCT檢查系統(tǒng)

光源使用低相干、超亮度發(fā)光二極管，直接與光纖連接[7-8]。應(yīng)用1個(gè)有兩路光纖的耦合器作為分光器，一路作為干涉儀中的測(cè)量通道，另一路作為干涉儀中的參考通道。在測(cè)量通道的一端制成一個(gè)活動(dòng)的探頭，它可與不同的眼科光學(xué)設(shè)備連接。光纖耦合器的另一接口與光敏檢測(cè)器連接，作為光信號(hào)輸出。輸出的光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波后即可在計(jì)算機(jī)上顯示。

干涉儀中使用的光源是一種超亮度發(fā)光二極管，根據(jù)不同部位成像的要求，目前應(yīng)用的是不同波長(zhǎng)的光，因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的光在生物組織中有不同的吸收率和穿透力。眼前段OCT的光源采用中心波長(zhǎng)為1310nm的光（帶寬為50nm），眼后段OCT采用中心波長(zhǎng)為820nm的光（帶寬為40nm）。用于眼后節(jié)和眼前節(jié)的2種不同帶寬的光源，它們?cè)跁r(shí)間和空間上都具有周期性的變化。若采用的低相干光源呈高斯分布，則該光源的相干長(zhǎng)度與帶寬呈反比：

從光源發(fā)出的光束入射到分光鏡上，光被分成2束相干光，分別在2條通道即干涉測(cè)量?jī)x已知距離的兩臂中傳播，這2束光分別到達(dá)反射鏡和被測(cè)目標(biāo)后都將從原路返回。從參考鏡反射回來(lái)的光稱為參考光束，其光程為L(zhǎng)ref。從被測(cè)目標(biāo)的組織（角膜或視網(wǎng)膜）反向反射或散射回來(lái)的光束稱為信號(hào)光束，其中含有從組織中測(cè)得的信息，其光程為L(zhǎng)sig。上述2束光返回到分光鏡時(shí)，它們之間的光程差ΔL=Lsig-Lref。干涉現(xiàn)象只發(fā)生光程差不大于相干長(zhǎng)度時(shí)，即ΔL≤Lc。如果光程差ΔL很大，這2個(gè)光束是不會(huì)發(fā)生干涉的。

4 OCT的應(yīng)用

眼前節(jié)：角膜和前節(jié)圖像、角膜厚度地形圖、有晶體眼人工晶體大小和術(shù)后位置、青光眼和眼外傷的前節(jié)分析、青光眼引流裝置的觀察、顯示白內(nèi)障人工晶體和可調(diào)節(jié)人工晶體的圖像。

眼后節(jié)：青光眼、白內(nèi)障術(shù)前和術(shù)后并發(fā)癥、糖尿病黃斑水腫、老年黃斑變性及其他視網(wǎng)膜疾病。

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Development and Application of Ophthalmological Optical Coherence Tomography Instrument

ZHANG Xiao-hong，CHEN Wei-wei
Medical Engineering Department, Qianfoshan Hospital, Jinan Shandong 250014, China

TH786

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.06.043

1674-1633(2012)06-0118-03

2011-12-31

2012-05-22

作者郵箱：zhangxiaohongqy@sina.com

Abstract:This paper expounds on the development and the current situation of ophthalmological optical coherence tomography, and introduces the principle, basic structure and application of OCT.

Key words:optical tomography; retina imaging; glaucoma; cataract