光学相干断层成像术(OCT)发展简史

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分类： 医疗业务

光学相干断层成像术(OCT)发展史

光学相干断层成像术(optical coherence tomography，OCT)是一种高分辨率，非接触性、无创的生物组织成像技术。自从20世纪90年代初应用于眼科临床以来，这项技术使我们能在活体上获得类似于眼组织病理改变的影像，提高了我们对一些疾病发生发展过程的认识，是继眼科放射诊断、超声诊断、血管造影诊断后又一全新的影像学诊断技术。

第一节眼科影像技术的发展

1895年伦琴发现X射线后，放射诊断医学逐渐兴起。随着科学技术的进步，显像能源不断发现，特别是计算机技术的介入，使影像的密度和时空分辨均有重大突破。新的影像技术可从多方位、多层次显示眼部解剖结构及病理变化的信息，开拓了眼部影像检查的范围，提高了影像诊断的水平，目前已成为眼科最重要的检测手段之一。

眼科影像诊断按其像能来源可分为：射线诊断系列、声像诊断系列、眼底血管造影系列及光信息图像分析系列。射线诊断系列是在X线基础上发展起来的，如计算机断层扫描(computed toInography，CT)和磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)检查。除此之外，还有Y-线闪烁扫描(Y—scintigraphy)、发射计算机断层扫描(emission computed tomography，ECT)及数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)等。声像诊断的超声技术发展很快，由一维的A超，到二维的B超，现已有三维超声眼部成像，另外还有彩色多普勒成像(color Doppler inlage，CDI)及超声生物显微镜(ultrasound biomicroscope，UBM)等。眼底血管造影系列常用的是荧光眼底血管造影(fundus fluorescein angiography，FFA)和吲哚青绿脉络膜血管造影(indocyanine green angiography，ICGA)。OCT作为一种眼科图像分析方法，是近年来发展起来的眼科特有的诊断技术，它是根据光学原理以光扫描形式将所获取的信息转化为数字，经计算机处理，再以图形或数字形式显示，提供量化诊断指标。

第二节  OCT的发展

随着超声波检查在眼科领域的广泛应用，人们希望发展一种对眼部组织更高分辨率的检测手段。超声生物显微镜(UBM)的出现在一定程度上满足了这一要求，它通过使用更高频率的声波，可以对眼前段进行高分辨率的成像。但是由于高频率声波在生物组织内迅速衰减，它在眼内的探测深度受到一定的限制。如果用光波代替声波，其缺陷是否可以得到补偿呢?1987年，Takada等研究出光学的低相干干涉测量法，它是在纤维光学和光电组件的支持下发展成为进行高分辨率光学测量的方法；Youngquist等则研究出光学相干反射计，其光源是一个直接与光纤耦联的超级发光二极管，仪器中含有参考镜面的一个臂位于内部，而另一个臂中的光纤则与类似于照相机的设备相连接。这些都为OCT的出现奠定了理论和技术依据。

1991年，麻省理工学院华裔科学家David Huang等将研制的OCT用于测量离体的视网膜和冠状动脉。

实验中Huang等对去除了角膜和晶体的离体人类视网膜和视盘进行了OCT观察。OCT光束聚焦在视网膜上，从前到后可鉴别的结构依次为玻璃体、视网膜(视网膜神经纤维层——红色，视网膜内外丛状层——黄色至淡蓝色)、视网膜下液、视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)及脉络膜和巩膜。与其他视网膜成像技术不同的是，OCT从视网膜不同深度的反向散射光之间作鉴别，辨认出视网膜内各层结构的特征：在横截面图中，视网膜的后界为一个红色的高反射层，对应于RPE和脉络膜毛细血管层；因信号衰减，在脉络膜深层及巩膜仅观察到弱的反光；在RPE和脉络膜毛细血管层之前出现的暗带则代表视网膜光感受器的外节；位于这些外节之前的视网膜中层表现为中等反射；视网膜内界也为一个红色的高反射层，此层对应于视网膜神经纤维层(retinal nerve fiber layer，RNFL)的解剖定位。由于OCT具有前所未有的高分辨率，类似于光学活检，因此很快就被发展用于生物组织的测量和成像。

由于眼部的光学特点，OCT技术在眼科临床应用发展得最快。1995年以前，Huang等科学家运用OCT对离体及活体人眼的视网膜、角膜、前房及虹膜等组织进行测量和成像，不断完善OCT技术。经过几年的改进，OCT系统进一步完善，并发展成为一种临床实用的检测工具，制成了商品化仪器，并最终确定了它在眼底及视网膜成像方面的优越性。1995年OCT开始正式用于眼科临床。

1997年，OCT逐渐被应用于皮肤科、消化道、泌尿系统和心血管方面的检查。食管、胃肠、泌尿系OCT和心血管OCT均为侵入性检查，类似于内窥镜和导管，但它的分辨率更高，可观察超微结构。皮肤OCT为接触性检查，也可观察超微结构。

第三节 视网膜OCT

1995～1996年的临床研究主要集中在波士顿的新英格兰眼科中心和麻省理工大学的电机工程和计算机系。Hee等对正常人眼视网膜进行OCT成像，发现0CT得出的视网膜(包括中心凹和视乳头)横截面图像与其组织学切片相关。1996年后，OCT逐渐被世界各地眼科医生所认知，并迅速得到了广泛的临床应用。科学家根据临床应用反馈，不断从操作程序、分析软件、仪器构件等方面对OCT仪进行完善和改进，以便临床操作更方便、功能更齐全、分析更精确。

一．OCT1

最初应用于临床的OCT为OCT1(Zeiss—Humphrey OCT一2000，软件版本A4)，分别由控制台和动力台组成。控制台包括OCT计算机、OCT显示器、控制板和监视屏；动力台包括眼底观察系统、干涉光控制系统。由于控制台和动力台为相对独立的装置，两者之间由导线相连，所以仪器体积较大，所占空间较大。

OCT1的扫描程序包括线性扫描、环形扫描、重复扫描、组合环形扫描、6条线光栅扫描、3个同心圆扫描、放射状线性扫描、十字交叉线扫描、矩形扫描和视乳头(1．5 R，2．0 R，R=1．73 mm)扫描。

OCT1的分析程序分为图像处理和图像测量。图像处理包括图像标准化、图像校准、图像校准与标准化、图像高斯平滑、图像中值平滑；图像测量程序较少，只有视网膜厚度测量与视网膜神经纤维层厚度测量。

OCT1可以显示黄斑区视网膜的神经纤维层、内外丛状层、光感受器层和RPE／脉络膜毛细血管复合层。但由于OCT1的扫描程序及分析程序均较少，因而很快被OCT2所取代。

二、OCT2

OCT2是在OCT1的基础上进行软件升级形成(Zeiss～Humphrey OCT一2010，软件版本A5，A6．1)。也有一些仪器是将控制台和动力台合二为一，形成OCT2的仪器，这种仪器减少了图像监视器，在同一个电脑荧屏上观察OCT图像和监视患者的扫描部位情况，但操作与OCT1相似，是在控制板上手动操作。

OCT2除保留部分OCT1的扫描程序外，将线性扫描和环形扫描分为单线扫描和组线扫描、单环扫描和组环扫描，并增加了黄斑区和视网膜神经纤维层地形图扫描。

OCT2增加了不少分析程序。除保留视网膜厚度测量、视网膜神经纤维层厚度测量外，增加了黄斑视网膜地形图分析、扫描剖面厚度测量、视网膜神经纤维层地形图分析、视网膜神经纤维层平均值测量。

在视网膜厚度(特别是黄斑中心凹厚度)测量及RNFL厚度测量方面，OCT2的可重复性更佳，对黄斑厚度的测量其变异值小于11μm。运用OCT2，人们对各种眼科疾病进行了更广泛和更深入的研究。

三、OCT3

2002年OCT3(Zeiss-Humphrey OCT-3000，软件版本A1．1)的出现，标志着OCT技术进入一个新的阶段。OCT3除操作界面更友好，全部操作都可用鼠标在电脑上完成外，其扫描和分析程序日趋完善。更重要的是，OCT3的分辨率更高了，其轴向分辨率≤10 μm，横向分辨率为20μm。OCT3获取的轴向样本从原来的1个A扫描的128个增加到768个，因此OCT3的积分从原来的131 072个增加到786 432个，构建的扫描组织横截面图像的层次结构更清晰。此外它的设计也可用于眼前段成像。

OCT3提供了18种扫描程序，包括重复扫描、线性扫描、环形扫描、光栅扫描、交叉线扫描、放射线扫描、黄斑厚度地形图扫描、视乳头扫描、成比例环形扫描、同心圆扫描、视网膜神经纤维层厚度(3．4)扫描、视乳头环形扫描、视网膜神经纤维层厚度(2．27×视盘)扫描、X线扫描、视网膜神经纤维地形图扫描、快速黄斑厚度地形图扫描、快速视乳头扫描和快速视网膜神经纤维层厚度扫描。

OCT3共提供19种分析程序，包括图像标准化、图像校准、图像标准化与校准、图像高斯平滑、图像中值平滑、图像成比例处理、剖面图厚度测量、视网膜厚度测量、视网膜地形图测量、视网膜厚度／容积测量、视网膜概率图、视网膜厚度／容积表、视网膜厚度／容积变化、视网膜神经纤维层厚度、视网膜神经纤维层平均厚度、视网膜神经纤维层厚度地形图、视网膜神经纤维层厚度变化、视网膜神经纤维层厚度系列分析和视乳头分析等。

由于OCT3的分辨率提高，所以黄斑区的扫描图像可以辨认出更多层次，当成像较好时，在图像中可以分辨出视网膜的7～8层，甚至9层结构，可以更清楚地观察视网膜各层结构的病变。此外，OCT3首次提供了视乳头分析程序，使OCT在青光眼诊断方面提供了更广泛的应用前景。2003年底开发的OCT3新的软件版本(STRATUS OCT 2．0)提供了正常人视网膜神经纤维层厚度的标准化数据，将患者的视网膜神经纤维层厚度与正常值进行比较，可以提高青光眼的诊断准确性。尽管OCT3的扫描程序和分析程序不断完善，但随着临床应用以及对图像分析要求的日益提高，其扫描和分析程序也将不断更新以满足临床需要。

第四节眼前段OCT

早在1994年OCT出现之初，Izatt等就在实验室条件下对一只正常人眼进行眼前段的OCT检查，测量其角膜厚度、前房深度、虹膜厚度，并对角膜、房角及虹膜进行成像。

超声生物测量、共焦显微镜(confocal microscopy)、镜面反射显微镜(specular microscopy)及经改良的光学生物测量均可用于测量角膜厚度。但是，前三者均为侵入性检查，需接触角膜表面，而后者虽为非接触性检查，但对角膜上皮光线的反射要求很高，当角膜缺氧、上皮光线散射增加时则难以测量。由于OCT具有非接触性的优点，虽然它主要是用于视网膜成像，但人们仍然通过各种方法用OCT进行眼前段成像。实际上，用OCT2对眼前段进行成像时，只需要被检查者的头位比检查视网膜时稍向后移，即可使扫描光束在角膜上聚焦。而用OCT3检测患者时头位不用移动即可进行成像。OCT对视网膜成像是直线型的，实际上是仪器的设计补偿了视网膜的弯曲度，由于角膜的曲率半径较视网膜小，所以当其用于角膜成像时，所成的角膜像的弯曲度比实际要大，对周边角膜厚度测量有一定的影响。

为了克服用视网膜OCT仪进行眼前段扫描时扫描深度不足的缺点，科学家发明了一种附加裂隙灯的OCT对角膜及眼前段进行成像。这种OCT仪其中一个臂的末端伸展为一个特殊的平台，其上装置标准的裂隙灯。裂隙灯直接对眼前段的结构进行成像，操作者可通过目镜或摄像机看到这些结构，并把焦点定在所需要测量的平面(如角膜)上。由于眼前段研究通常需要比较大的景深，因此OCT光束的横向光斑通常也比较大，其OCT图像在横向上的分辨率和放大倍数都比较低。焦点分别在角膜、前房角和眼前段时，其分辨率分别为18μm、22μm、44μm。

OCT对角膜进行成像时，扫描每到组织交界处即出现高反射，呈现一个峰，第一个峰和最后一个峰之间的距离为角膜厚度，而第一个峰和第二个峰之间的距离则为角膜上皮厚度。利用OCT对角膜厚度的测量值与超声生物测量有高度的一致性，具有高准确性和可重复性，不但可测量全角膜厚度、角膜上皮厚度，还可通过计算得出角膜曲率，也可用于屈光手术前后监测角膜的改变。

第五节展  望

OCT作为一种非接触性、非侵入性、高分辨率的成像手段，必将越来越多地应用于临床医学和科学研究。未来的OCT将在以下三个方面继续发展：

一、提高分辨率

(一)超声介导的OCT

OCT的轴性分辨率与光源的带宽有关。商业用途OCT分辨率为10～20μm，实验室固体激光光源OCT分辨率可达4μm。但是这种分辨率是基于单一散射情况下的，当多种散射存在时，随着深度增加，分辨率迅速下降。超声介导的OCT可减低多种散射的作用。实验证明，持续超声介导可提高17％的分辨率，脉冲超声介导可提高8％的分辨率，同时图像的噪音减低。

(二)双光线OCT

双光线OCT消除轴性眼球运动对OCT图像的影响，这是由于它是以角膜前表面作为参考平面。为了提高信号质量，反射在角膜及视网膜上不同波段曲率的光线被一个衍射的光学元素整合。为了提高轴性分辨率，运用了有效波长为50μm的广谱整合光源，而且屈光间质的散射都可得到补偿。用传统的及双光线OCT对正常人的黄斑中心凹和视网膜神经纤维层厚度进行了检查，并对比两者的结果，发现改进的OCT轴性分辨率提高，特别是对中心凹的成像，可显示传统OCT显示不出的微结构细节。而且双光线OCT的轴性稳定性可以使记录眼底各层的特殊几何学轮廓成为可能。

(三)附加热光源的OCT

附加热光源的OCT在其辅助的几何学设备中附加了一个3 W的灯泡，使其轴性分辨率在一般组织可达1．1μm，在标准玻片上可达0．7μm，可以观察到涂片上的上皮细胞。

二、增加探测范围

(一)经巩膜OCT

巩膜为高散射组织。光源为1 310 nm波长的OCT可穿透巩膜对摘除的眼球进行成像。而附加了裂隙灯的波长为1 310 nm的OCT可对活体眼球进行经巩膜0CT检查，两者均可对前房角及睫状体清晰成像。

(二)偏振敏感性OCT

偏振敏感性OCT(Polarization sensitive optical coherence tomography，PSOCT)可在混浊的介质中增加极性状态下的光反射，从而提高各层组织间的对比度，提供深度分辨性的测量。双光源、双探测器的PSOCT可有效地应用于软组织(如皮肤)的测量。

(三)铬激光OCT

这种OCT运用Cr激光作为光源，其摄像系统为远红外线照相机，它可对多种组织进行成像，包括人的皮肤、鼠的耳朵等。

(四)彩色多普勒OCT

彩色多普勒OCT(color doppler optical coherence tomography，CDOCT)是OCT功能的延伸，它可在混浊的介质中实时测量血流。经多普勒处理的数据通过运用一种新的自相关技术软件，使数据的时间范围的信号得到处理。这种多普勒处理方法与高速OCT系统配伍，使实时的血流成像成为可能。在模拟组织的人体模型中CDOCT可对双方向的血流进行每秒4幅图的横截面成像。在鼠的股动脉CDOCT可对搏动的血流进行每秒8幅图的成像。

三、三维OCT

三维OCT首先用于体外的人类输卵管和周围神经成像。Ito等将三维OCT用于活体的玻璃体黄斑牵引综合征的成像，与传统OCT相比，其成像的层次更丰富，提高了视网膜各层组织间的对比度，使前膜和视网膜之间的关系更为突出。

20世纪90年代末期，我国较大城市的医疗机构先后购进了Zeiss-Humphrey的OCT扫描仪，对黄斑疾病和青光眼进行临床检查。主要对正常人黄斑厚度、黄斑裂孔、中心性浆液性视网膜脉络膜病变、老年性黄斑变性、视网膜中央静脉阻塞、视网膜中央动脉阻塞、糖尿病性视网膜病变、视网膜前膜、先天性视网膜劈裂、Stargardt病、正常人视网膜神经纤维层、青光眼视网膜神经纤维层等方面进行了大量研究。至2004年止，在《中华眼底病杂志》、《中华眼科杂志》、《中华医学杂志(英文版)》等杂志已刊登有关OCT临床应用的文章100多篇，大大提高了我国黄斑疾病和青光眼的临床诊断水平。

目前的OCT技术的局限性主要表现为没有标准化的数据库可供比较，在屈光间质混浊的情况下(如致密的角膜中央瘢痕、中等到严重的后囊下白内障、明显的玻璃体混浊)很难获得清晰的OCT图像，尤其对定量分析影响较大。但是随着图像分析技术的进一步发展，OCT技术将不断完善和开发，其量化指标的客观性将更为突出，分辨率将进一步提高，将为临床提供更有价值的图像数据资料。

小  结

光学相干断层成像术是一种较新的非创伤性、定量提供病变形态特征的检查方法，目前能以10μm的轴向分辨力，进行眼前节和眼后节组织的断层成像，起到了类似于活体组织病理学观察的作用。眼科光学相干断层成像的未来发展可能包括高速、三维视网膜成像，功能的成像及使用不同波长范围的光源增强穿透力至脉络膜成像等。

参考文献：

刘杏主编 黄时洲副主编.眼科临床光学相干断层成像学.广东科技出版社,2006年03月第1版.

张卯年主编.眼创伤学.军事医学科学出版社,2007.3.

王康孙主编.眼科激光基础与临床.上海科技教育出版社,2008.04.129

http://research.vuse.vanderbilt.edu/skalalab/optical-coherence-tomography.html

http://www.visioncareprofessional.com/emails/amdupdate/index41.htm

附录：

光学相干断层成像术操作常规

【目的】

光学相干断层成像术(Optical Coherence Tomography，OCT)可应用于青光眼及视神经疾病，视网膜及脉络膜疾病的分析诊断。

【原理】

利用干涉仪，近红外光，低相干光在眼内获得高分辨图像，是一种非接触性和损伤性的新的影像学检查方法。与超声波相比较，前者采用的是光波而非声波和无线电波。光波易达眼前后节，分辨率较高，故应用光学相干断层成像术可获得比超声波高10倍的分辨率。

【器械】

光学相干断层成像系统。

【操作方法及步骤】

1．将患者下颌置于下颌托上，可嘱患者被检查眼注视镜头内的注视点或非检查眼注视镜头外的注视点，条件许可时尽量选择前者。

2．检查视网膜神经纤维层可采用环行扫描，追踪观察病例可采用同一重复程序；操作者通过监视器，患者通过镜头可看见扫描线，看不见探头发出的近红外线；操作者可有效通过影相照相机观察眼底图像，获得指定的眼底断层扫描图。

3．计算机存储图像，彩色打印机打印。

罗云坚，陈达灿编.临床诊疗技术操作常规.广东科技出版社,2006.11.270