寬場光學相干層析成像技術在眼科學中的研究進展

陶成龍，楊必文，范冉冉，鐘會清，蘇成康，郭周義，劉智明*

（1. 廣州浩康生物科技有限公司，廣州 510660；2. 華南師范大學生物光子學研究院，廣州 510631）

光學相干層析成像技術（optical coherence tomography，OCT）是集光學、物理學、精密自動控制、電子、計算機圖形圖像學等多門學科為一體的綜合成像技術［1］，可通過利用寬帶光源的低相干特性，獲取物體后向散射光的干涉信號，對其內部微觀結構進行檢測，從而進行高分辨率斷層掃描成像［2］。典型的OCT 成像技術利用血流誘導的信號變化作為內在對比機制區分血管系統和靜態組織，具有高分辨率、高精度成像、圖像清晰、較高的空間分辨率、高靈敏度、無損檢測的特性［3］。該技術早期主要應用于視網膜橫斷面檢查（也是最重要的應用），近年來已逐步滲透到血管內成像［4］、皮膚科［5］、口腔，甚至工業過程的監控［6］。掃描激光眼科成像技術的商業化使簡單、高質量的臨床寬視野成像成為可能，這簡化了相關疾病的成像流程，擴大了其成像范圍，更有利于早期診斷。

寬場光學相干層析成像技術（wide-field optical coherence tomography，WF-OCT）則是在典型的光學相干層析成像上進行了改良與優化，其能通過一次掃描完成一個二維平面圖像的采集，避免了傳統OCT 技術的逐點掃描。通過不同深度的掃描可以獲得樣品的三維數據集，根據三維圖像算法，將三維數據集合成樣品的三維圖像［7］。三維圖像能幫助檢測人員從不同角度觀察樣品的結構和細節信息，為醫學的早期診斷、病灶位置的判斷以及材料缺陷檢測提供有利的依據。

在眼科疾病OCT 臨床醫學應用中，在了解患者的病史和臨床特征的前提下，結合B 掃描（B-scan）圖像和其對應層面的橫斷面（En-face）圖像，對玻璃體視網膜交界面、淺層視網膜血管網、深層視網膜血管網、外層視網膜無血管區、脈絡膜毛細血管層以及視盤區域視網膜脈絡膜進行逐層觀察，并根據需要采用軟件附帶功能進行定量分析，與歷次光學相干層析血管造影（optical coherence tomography angiography，OCTA）圖像進行縱向比較，最后進行詳盡的OCTA 描述［8］。本文介紹了WF-OCT 技術的基本原理，并歸納了最新的技術進展以及其在眼科醫學中的應用。

1 WF-OCT 技術

圖1 典型的WF-OCT 系統［9］Fig. 1 Typical system of WF-OCT［9］

WF-OCT 系統利用平行光束照射在樣品表面，利用二維探測器接收干涉信號獲得樣品的二維信息，一次性建立樣品整個斷面的三維圖像，且能夠在低相干光源下對表面反射率較高的樣品的表面和次表面樣品進行干涉信號的采集，并且具有大于50°的寬成像視場（field of view，FOV），更大幅度地提高了成像的效率及質量。典型WF-OCT系統的結構如圖1［9］所示，主要由光學結構、機械運動以及采集傳感三部分組成。由光源激光器發出激發光，經過光導纖維，以平行光束進入光纖耦聯器；光纖耦聯器將光束分成兩束，一束進入包括掃描儀的樣品臂進行組織取樣，另一束則進入放有反射鏡的參考系統。從反射鏡返回的參考光和被樣品背向反射回來的信號光在分束棱鏡相遇。當它們的光程差處于光源的一個相干長度范圍內時，會產生干涉信號。干涉信號包括了樣品的二維信息，由二維相機檢測并傳送到電腦主機端。驅動步進電機和壓電陶瓷移相器通過移動宏動臺和微動臺來控制參考鏡的移動。在這過程中，掃描系統使從樣品不同深度結構反射回來的信號光與參考光產生干涉，僅需要幾秒鐘的采集時間便可以獲取變化數據集，同時計算機軟件記錄下樣品內不同深度的結構特征的信息，據此進行特征提取、圖像融合等處理，快速得到樣品光譜，進而分析判斷樣品性能［10］。

2 WF-OCT 國內外發展現狀

WF-OCT 技術主要在瞳孔、睫狀體等外界偽影［11］、光學像素采集效率［12］以及視網膜曲率的問題上，通過硬件和軟件兩個方向進行逐步改善與提升。

2.1 WF-OCT 硬件的發展

OCT 的功能拓展有兩個實現方法：一是增加光檢測元件，直接提升硬件設施得到光譜；二是不改變OCT 系統的硬件配置，編寫軟件模塊，通過對檢測到的干涉信號做后期變換和處理來得到光譜信息。早在2011年，Li等［13］運用圖像拼接技術將8個6 mm×6 mm的小OCT眼底數據拼接成了50°×35°的完整數據，并同時進行了縱向的運動糾正。2012年，Blatter 等［14］提出了傅里葉域模式激光的OCT 系統，實現了48°視場的眼底掃描。2015 年，Kolb 等［6］又展示了單體超寬場成像，其主要通過設計樣品臂實現了單次B-scan 寬度為 85°和100°的WF-OCT 掃描。其中最高視場為100°視場角，并用100°×100°進行拼接，同時，在這種情況下采用了高清晰度、高密度的各向同性采樣。研究中，與之前標準60°視場相比，采集受試者在100°視場中視網膜的單體超寬場成像數據幾乎將覆蓋面積增加了2 倍，提高了臨床診斷的觀察范圍。

同樣在2015 年，Zhang 等［15］使用寬場光學相干層析血管造影（wide-field optical coherence tomography angiography，WF-OCTA）對人眼視網膜進行實時眼動追蹤。利用商用蔡司三維高清光學相干層析成像儀5000 系統中的慢速運動跟蹤能力來演示視網膜微血管的無運動WF-OCT成像。按照一定的順序連續采集多個2.0 mm×2.4 mm 的小范圍區域，對每一個位置重復4 次B-scan 計算血管網，最終實現了12.0 mm×16.0 mm的大范圍血管網成像（圖2）。為了使數據更加可靠，同時更好地消除運動偽影的影響，系統運用了線掃描系統來輔助實現眼睛的運動追蹤，使得采集更連貫，避免了后期大量的拼接計算。運動跟蹤在評估和量化黃斑區時提供了良好的重復性和可靠性。這一特征預計在準確量化的縱向變化方面特別有用，可用于視網膜疾病，如糖尿病視網膜病變（diabetic retinopathy，DR）的診斷和治療監測。直到近期，該研究組已經實現了28.2 mm×28.2 mm的實時眼動追蹤拼接采集。

2017 年，Poddar 等［8］利用1.7 MHz、1 065 nm 的傅立葉域激光光源搭建了一套掃頻源光學相干層析成像系統（swept source optical coherence tomography，SS-OCT），用于實現眼底5 mm×5 mm和9 mm×9 mm 2 種不同尺寸的光學相干層析血管成像的圖像采集。其采用同一位置重復掃描5 次B-scan，通過計算同一位置隨時間變化的相位方差來呈現血管網。在光路設計上，掃描場鏡和眼底鏡都是用光學相干層析成像的2 個非球面鏡組合而成。最后同樣用4 個5 mm×5 mm 的小視場拼接成了30°的大視場范圍。同年，Huang 等［16］將光集成器件運用到了OCT 的樣品臂光纖中，利用3 層分光器件將單根樣品臂光纖分為8 根光纖，并將其依次縱向排列，相鄰光纖的縱向間隔為0.25 mm，光程差為2.50 mm。至此，SS-OCT 就可以通過1 次掃描實現8 個不同位置的信息掃描。這樣就間接縮短了掃描的時間，從而為大范圍的血管網掃描提供了保障。

2.2 WF-OCT 采用的算法研究

前期的硬件配置已經得到較高水平的優化。考慮到經濟成本開銷，人們便將視線轉移到了算法研究中來。2016 年，Zhang 等［17］利用WF-OCTA 提出了一種新穎的自動運動平行條帶算法來校正運動偽影，改善圖像質量。通過波長為1 045 nm、頻率為200 kHz 的光源搭建了SS-OCT 系統，并對同一位置6 mm×10 mm 的區域連續采集2 次光學相干層析血管成像數據，最終用5 個相鄰的6 mm×10 mm 眼底區域拼接成了25 mm×10 mm 的寬眼底視網膜圖像。整個眼底的視網膜血管的完整性得到了很大的恢復，整個血管造影相當均勻。

圖2 人眼視網膜微血管的WF-OCT 成像［15］Fig. 2 WF-OCT imaging of human retinal microvessel［15］

2017 年，Polans 等［18］搭建了一套單次En-face掃描范圍達到70°的WF-OCT 系統，掃描長度約19.28 mm。人眼固有的像差導致視網膜外周區掃描的圖像分辨率相比于視網膜中間的黃斑區要低得多，因此他們引入了Hofer 等［19］提出的無波前傳感的自適應光學系統來矯正OCT 的成像像差。該方法通過迭代的方式實現了對像差的矯正，單次4.5 mm B-scan 的迭代優化時間為20 ms，4.5 mm×4.5 mm內的所有B-scan的迭代時間為3～10 s。

綜上，在對WF-OCT 的應用上可以分為兩個方面。第一個方面是用單次B-scan的圖像對視網膜的結構進行檢測，以此來實現視網膜脫離、視網膜劈裂等需要對視網膜外圍的結構進行檢測的疾病和需要較大范圍測量的DR 等的檢測。這種單B-scan的寬場掃描比較易于實現，OCT 系統的掃描速度也完全能夠滿足這種單次的大范圍B-scan的需求。其難點在于視網膜自身的曲率帶來的光程彎曲使得視網膜圖像超出OCT 圖像的視野，以及在掃描視網膜外圍時，眼睛本身的像差帶來的外圍視網膜OCT圖像不清晰。第二個方面是將其運用在大范圍的光學相干層析血管成像功能上來檢測眼底血管網的分布情況。由于系統的采集速度的限制，如果單次采集時間過長就會受到眼動帶來的數據不連續的影響。因此各個科研組［6，8，13，15］分別采用正交配準、平行條帶配準這種后處理的方式來去除眼動帶來的影響，再運用圖像拼接技術將不同位置采集的圖像拼接成一個較大范圍的圖像。這種運用數據處理的方法雖然能夠解決問題，但由于數據量過大，導致運算時間過長以及在拼接時會出現數據缺失等情況，使得其較難實現商業化。另外還有一種運用硬件來解決該問題的方法，即用一套獨立的系統來輔助進行眼動追蹤。在光學相干層析血管成像數據采集時如有眼動發生，系統則會及時作出響應，調整光斑到正確的位置。這種方法可以使得操作更連貫，被測者更易于配合，得到的圖像更可靠，也更容易實現隨訪。

3 WF-OCT 在眼科學中的應用

自OCT 被引入眼科學以來，它在成像協議、算法和新參數方面取得了重大進展。這些新參數最大限度地發揮了其在診斷、評估治療反應和評估各種眼科疾病進展中的潛力［20］。WF-OCT 最常用于眼部疾病診斷，現廣泛地應用于DR、青光眼、新生血管型老年性黃斑病變（age-related macular degeneration，AMD）等疾病診斷中。DR 經常伴隨著視網膜血管閉塞，甚至新生血管（new vessels，NV）的形成［21］；青光眼常常會因視網膜血流量的減少而導致失明［22］；AMD 通常有脈絡膜NV 生成等不同的眼底病理特性［23］。外周OCT 檢查可以清楚地描繪視網膜層，并且能提高對視網膜層分裂與整個視網膜升高的診斷，但視網膜外周區域的局部缺血等癥狀往往難以被檢查到。WF-OCT 技術在系統的成像可見范圍、速度和靈敏度方面都有顯著提高，對視網膜外周區域的檢查、糖網病的早期預判和視網膜外周其他疾病的隨訪和治療（如靶向外周光凝）等具有很好的指導價值，已成為目前OCT 領域的研究熱點，具有巨大的發展潛力。

3.1 視網膜血管性疾病

視網膜血管性病變［24］是由眼部或全身性血管疾病引起的視網膜出血、滲出、水腫、缺血或梗塞，包括DR、視網膜中央動脈阻塞等。

DR 是糖尿病性微血管病變中最重要的表現，是一種具有特異性改變的眼底病變（圖3）［25］，是糖尿病的嚴重并發癥之一。You 等［26］探討了WF-OCTA 在臨床上DR 患者中難發現的NV 的檢測價值，發現WF-OCTA 可檢測出臨床檢查或彩色照片上未見的小NV，可提高對DR 的臨床評價。Yasukura等［27］探討了DR 的WF-OCTA 圖像中各小動脈分割的非灌注區。WF-OCTA 圖像顯示位于淺層和深層的大小動脈似乎是灌注邊界，通過側支血管介導的重疊灌注可能影響每個分支區域糖尿病的可能性。

Chung 等［28］用基于OCTA 的寬場剪輯技術，對視網膜靜脈阻塞患者在改善微血管障礙視網膜分支靜脈阻塞治療后的效果進行了跟蹤，發現該技術能夠很好地描述在經過抗血管內皮生長因子治療后患者視網膜分支靜脈阻塞相關微血管障礙的改善情況，并有望進一步評估該疾病的治療進展。

Tian 等［29］應用WF-OCTA 評估視網膜血管炎的中度葡萄膜炎患者的血管改變。WF-OCTA 鏡下的中度葡萄膜炎的脈絡膜和深層毛細血管叢的改變比淺層毛細血管叢更明顯。雖然WF-OCTA 掃描是檢測中度葡萄膜炎毛細血管非灌注的可靠工具，但它對確定疾病活動度沒有幫助。

圖3 不同嚴重程度DR的WF-OCT 成像［25］Fig. 3 WF-OCT imaging of eyes with different DR severities［25］

圖4 脈絡膜WF-OCT 成像［30］Fig. 4 WF-OCT imaging of choroid structure［30］

Kakiuchi 等［30］探討了WF-OCT 獲得的圖像中的黃斑下和斑周脈絡膜結構，發現在OCT 圖像中，黃斑區脈絡膜管腔的比例變化很小，但在黃斑周區變化很大，提供了關于正常情況和疾病相關改變的重要信息（圖4）。

3.2 青光眼及視神經疾病

青光眼是一組以視乳頭萎縮及凹陷、視野缺損及視力下降為共同特征的疾病，是導致人類失明的三大致盲眼病之一。Lee 等［31］比較了WF-OCT 的視網膜神經纖維層（retinal nerve fiber layer，RNFL）圖與光譜域OCT 圖對周前病變和早期青光眼的診斷能力。WF-OCT 的RNFL 厚度圖顯示了與光譜域OCT圖相似的對健康眼周前病變和早期青光眼的診斷能力，在臨床中可以有效地檢測早期青光眼的變化。

Hood 等［32］評估了一份基于WF-OCT 方案的青光眼診斷報告。通過分析108 例青光眼或疑似青光眼的臨床單頁報告，再與后期患者的病情相結合，進行病情診斷與分析。這份單頁報告包含RNFL 厚度圖、視網膜神經節細胞層概率圖、RNFL 黃斑和視神經厚度概率圖和視神經圖像。一份基于WF-OCT掃描的單頁報告可以提供極好的早期青光眼診斷所需的敏感性和特異性信息。

進一步，Muhammad 等［33］探討了利用混合深度學習方法與WF-OCT 相結合，以區分先前被分類為疑似青光眼和輕度青光眼的眼睛。混合深度學習方法的方案在區分疑似青光眼和早期青光眼方面優于標準OCT 臨床指標，但應該進一步改進現算法，進而提高篩選的靈敏度與檢測準確率。

同樣，WF-OCT 在眼底腫瘤方向也有應用。Lim 等［34］采用WF-OCTA 調查了經過放射治療后脈絡膜惡性黑色素瘤伴明顯放射性視網膜病變（choroidal melanoma with clinically evident radiation retinopathy，CERR）的發生率，發現在105 位脈絡膜惡性黑色素瘤患者中，CERR 的發生率幾乎達到50%。WFOCTA 成像顯示：與對照組相比，CERR 在整個寬視野和毛細血管周圍區域，淺叢和深叢的中心凹無血管區擴大，毛細血管密度（capillary vascular density，CVD）降低；與未發生CERR 患者相比，發生該病變的患者其視網膜表面和深叢的CVD 都減少，毛細血管周圍區域以及乳頭狀黃斑束淺叢的CVD 也減少（圖5）。這些發現對早期發現和監測放射性視網膜病變非常重要。

以上研究結果表明，作為一種眼科學診斷輔助光學相干成像工具，WF-OCT 技術在提高疾病信息成像鑒別方面有著巨大的作用。

4 總結與展望

圖5 WF-OCT技術在CERR監測中的應用［34］Fig. 5 Application of WF-OCT for CERR monitoring［34］

OCT 廣泛應用于生物醫學領域，無需標記即可對組織中的深度微結構形態進行成像。WF-OCT是OCT 的全場、高橫向分辨率版本。它使用簡單的非相干光源、高數值孔徑物鏡和二維檢測器，無需掃描即可獲取給定深度下樣本的正面視圖。在體內組織中，這些動態的技術被認為是在微觀結構水平測量彈性組織的有效手段。對于傳統成像技術，WF-OCT 有兩個主要優勢：第一，切片能力能夠將散射體的運動排除在相干之外；第二，干涉性質使它們對軸向尺寸的相位變化非常敏感。軸向尺寸的相位變化遠小于光軸分辨率，低至十幾納米。總而言之，擴大視野的寬領域掃描可以清楚地發現在臨床檢查和眼底照片中的漏診部分。對于多種眼科疾病來說，一般研究視網膜疾病、青光眼、視神經病變、白內障等，WF-OCT 技術有可能使疾病增殖階段的測定更加可靠和客觀，并且該技術更安全、更快、更便宜，更適合于常規監測，特別是在嚴重的非增殖性DR 或接受抗血管內皮生長因子治療的黃斑水腫等這些具有較長潛伏期、不易監測早期患病現象而導致錯失最佳治療時間的眼底疾病。然而，從基礎研究到臨床轉化的過程中，發展和優化光檢測元件掃描視圖范圍和數據處理部分以提高監測治療效果仍是今后WF-OCT 技術研究的重要方向。隨著WF-OCT 技術的不斷發展與改進，其將在眼科醫學領域發揮更大的作用。