眼科光學斷層成像儀的發展及應用

張曉虹，陳衛偉

千佛山醫院 醫學工程部，山東濟南 250014

眼科光學斷層成像儀的發展及應用

張曉虹，陳衛偉

千佛山醫院 醫學工程部，山東濟南 250014

本文闡述眼科光學相干斷層成像技術（Optical Coherence Tomography，OCT）的發展及現狀，并詳細介紹了OCT的原理及系統的基本結構和應用

光學斷層成像；視網膜成像；青光眼；白內障

光學相干斷層成像技術是基于邁克爾遜干涉儀的新型光學成像技術，1994年開始正式用于眼科臨床，它經過三代的發展，目前成像速度和圖像的分辨率已大大提高，測量的是生物樣品背向散射光、反射光，利用光源的相干長度來獲得達μm量級的分辨率，具有無損傷、非接觸、靈敏性高的特點，可以將數據處理成三維圖像。OCT根據邁克爾遜干涉儀（Michelson Interferometer）的原理設計，通過入射光經參考臂和樣品臂反射回來的光程不同，從而生成干涉圖像，通過干涉圖像再反推樣品臂中的物理長度信息。眼用OCT檢查系統本質上是將Michelson型干涉儀的測距光路融入眼科裂隙生物顯微鏡形成一臺應用光學干涉信號成像的可視性檢查儀，可應用于眼前節和眼后節的檢查。

1 OCT的發展和現狀

1991年美國麻省理工學院Huang等[1]首先利用研制的OCT對離體的人視網膜和視盤進行了觀察，經過幾年的改進，最終確立了它在視網膜成像方面的優越性。OCT自1991年首次問世以來，一直成為國際上光學領域的研究熱點。科學家們不斷完善OCT技術并于1994年開始正式用于眼科臨床。最初應用于臨床的OCT為OCT 1，有10個掃描程序，7個分析程序，是一種科研用儀器。2000年OCT 2出現，它體積更小，更易操作。增加了2個掃描程序，4個分析程序，在視網膜厚度測定和RNEL厚度測量方面，OCT 2的可重復性更佳，對黃斑厚度的測量其變異值<11μm。2002年，Stratus OCT，即OCT 3的出現，標志著OCT技術進入一個新的階段。OCT 3全部操作都可用鼠標在計算機上完成，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，黃斑區掃描圖像可以辨認出更多層次，可以更清楚地觀察視網膜各層結構的病變。首次提供了RNFL的正常參考值及視盤分析程序，為OCT在青光眼的診斷方面提供了更廣泛的應用前景。從OCT 1到OCT 3，均是時域OCT（Time Domain Optical Coherence Tomography, TD2OCT）通過光學延遲線的快速變化來實現縱向深度掃描（即A掃描）。為了得到一個縱向的深度圖像[2]，參考臂要來回進行機械掃描，這就大大限制了它的成像速度。針對TD2OCT的這點不足之處，Fercher等[3]提出了傅立葉域OCT（Fourier Domain Optical Coherence Tomography，FD2OCT）,其通過獲取寬帶光譜各頻率成分的干涉信號來實現。后者大大提高了成像速度和圖像的分辨率，并且可以將數據處理成三維圖像，提供了直觀、清晰的視網膜各層可視圖像，在OCT發展史上是一座里程碑。

2 OCT的原理

眼科OCT根據邁克爾遜干涉儀（Michelson Interferometer）的原理設計[4-6]。邁克爾遜干涉原理圖，見圖1。Michelson干涉儀是通過入射光經由參考臂和樣品臂反射回來的光程不同，從而生成干涉圖像，通過干涉圖像再反推樣品臂中的物理長度信息。M1和M2是2塊互相垂直放置的平面反射鏡，M2固定不動，M1可以沿精密絲杠V前后作微小移動，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稱為補償板。自透鏡L出射的單色行光經分光板分成光束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。經反射的Lλ1回到分光板后，一部分透過分光板成為光束L出1并沿視場E方向傳播；而透過G1和G2并經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處可以看到干涉現象。

圖1 邁克爾遜干涉原理圖

補償板G2的作用是用于補償光束Lλ1和光束Lλ2因經過G1的次數不同而引起的光程差。這種補償在單色光照明時并非必要，光束Lλ1經過G1所增加的光程可以通過移動M1的位置，用空氣中的行程補償。但是使用非單色光照明時，因為玻璃的色散，不同波長的光有不同的折射率而無法用空氣中的行程補償。如果光束Lλ1和光束Lλ2的光程差太大，超過光源的相干長度，則不能產生干涉。如采用激光作為光源時，由于激光的單色性好，相干長度長，可省去補償板。調整分光鏡的分光比例，使會合的兩波振幅相等，合成的光強度可用公式（1）表示如下：

式中的相位差θ=（4/λ）dcosΦ，其中Φ角為眼（或光檢測器）與入射光之間的夾角。在E處觀察到的干涉現象，可用式（1）進行分析。當移動反射鏡M1或M2時，光程隨即連續發生改變，所以在某定點所觀察到的強度為明暗交替，仿佛在移動的條紋。通過計數某定點的條紋數，根據公式（2）即可求得反射鏡所移動的距離d

式中m2為所計數的條紋數，λ為光在該介質中的波長，對在E處的觀察者來說，光自M1和M2上的反射就相當于來自相距為d的M1和M0上的反射，其中M0是平面鏡M2經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象取決于厚度d。設光在半反射膜內外兩側反射時引起的半波損失相同，則在d為0時光束1′和2′間的光程為0，產生相長干涉，E處視場最亮。移動反射鏡M1，當移動距離為λ/4時，光束L出1和L出2的光程差為λ/2，產生相消干涉，E處視場最暗。顯然，每移動λ/2，視場從最亮（最暗）到最亮（最暗）1次。這樣，若E處視場從最亮到第N次最亮出現時，反射鏡M1移動的距離為Nλ/2。因此，通過E處亮暗的變化就能測量出反射鏡的移動量，在理想單色光照明的情況下，測量精度可達波長的1/2。

3 眼用OCT檢查系統的基本構成

眼用OCT檢查系統本質上是將Michelson型干涉儀的測距光路融入眼科裂隙生物顯微鏡，形成1臺應用光學干涉信號成像的可視性檢查儀。眼用OCT檢查系統的基本構成，見圖2。

圖2 眼用光纖OCT檢查系統

光源使用低相干、超亮度發光二極管，直接與光纖連接[7-8]。應用1個有兩路光纖的耦合器作為分光器，一路作為干涉儀中的測量通道，另一路作為干涉儀中的參考通道。在測量通道的一端制成一個活動的探頭，它可與不同的眼科光學設備連接。光纖耦合器的另一接口與光敏檢測器連接，作為光信號輸出。輸出的光信號經光電轉換、放大、濾波后即可在計算機上顯示。

干涉儀中使用的光源是一種超亮度發光二極管，根據不同部位成像的要求，目前應用的是不同波長的光，因為不同波長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為1310nm的光（帶寬為50nm），眼后段OCT采用中心波長為820nm的光（帶寬為40nm）。用于眼后節和眼前節的2種不同帶寬的光源，它們在時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，則該光源的相干長度與帶寬呈反比：

從光源發出的光束入射到分光鏡上，光被分成2束相干光，分別在2條通道即干涉測量儀已知距離的兩臂中傳播，這2束光分別到達反射鏡和被測目標后都將從原路返回。從參考鏡反射回來的光稱為參考光束，其光程為Lref。從被測目標的組織（角膜或視網膜）反向反射或散射回來的光束稱為信號光束，其中含有從組織中測得的信息，其光程為Lsig。上述2束光返回到分光鏡時，它們之間的光程差ΔL=Lsig-Lref。干涉現象只發生光程差不大于相干長度時，即ΔL≤Lc。如果光程差ΔL很大，這2個光束是不會發生干涉的。

4 OCT的應用

眼前節：角膜和前節圖像、角膜厚度地形圖、有晶體眼人工晶體大小和術后位置、青光眼和眼外傷的前節分析、青光眼引流裝置的觀察、顯示白內障人工晶體和可調節人工晶體的圖像。

眼后節：青光眼、白內障術前和術后并發癥、糖尿病黃斑水腫、老年黃斑變性及其他視網膜疾病。

[1] HuangD,Swanson EA,LinCP,et al.Optical coherence tomography[J]. Science,1991,254(5035):1178-1181.

[2] 申曉麗,黃麗娜.光學相干斷層成像技術的臨床應用新進展[J].國際眼科雜志,2009,(12):2395-2396.

[3] Fercher AF,Drexler W.Optical coherence tomography principles and applications[J].Rep Prog Phys,2003(66):239-303.

[4] 陸豪,李海生.眼光學相干斷層掃描的原理和臨床應用[M].北京:世界圖書出版公司出版社,2008.

[5] 賈洪強,楊云東,楊立東,等.OCT在臨床常見黃斑疾病的圖像特征及應用價值[J].國際眼科雜志,2009,(1) 124-128.

[6] 石安娜,石潯,劉維峰,等.三維頻域OCT在鑒別診斷黃斑裂孔中的分析應用[J].國際眼科雜志,2009,(11): 2189-2192.

[7] 王立嶸.光學相干層析術系統性能分析—時域和頻域OCT[J].硅谷,2009,(21):5,97.

[8] 陳松,姜天樂,崔蘭君,等.光學相干斷層成像、共焦激光斷層掃描和視網膜厚度分析在老年性黃斑變性檢查中的對比研究[J].臨床眼科雜志,2007,(1):3-6.

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