生物医学成像：OCT技术的发展与挑战

光学相干层析成像（OCT）是近年来发展迅速的一种无损低相干生物医学成像技术。由于能够检测生物组织的微观结构信息，其为生物医学基础和临床研究带来了极大的便利。

光学相干层析成像技术（OCT）基于低相干干涉仪原理，通过测量生物组织反射光的振幅和回波，能够快速提供高分辨率的断面和三维成像，因其具有无损伤、分辨率高、穿透性强、扫描速度快等优点而迅速发展，并受到广泛认可。

本文回顾了OCT的发展历程，并对各个类别的OCT系统进行介绍，对其成像原理、性能、优缺点等进行描述和对比，最后总结和展望该技术在生物医学的应用。

发展历程

在过去的30年中，OCT技术经历了多次迭代，出现了具备不同功能的多种OCT变体技术，如PS-OCT、OCTA、全场OCT （FF-OCT）、可见光OCT（Vis-OCT）等。OCT也因此广泛应用到了眼科、心血管疾病、皮肤科、泌尿外科、肠胃病学、牙科等多个领域。

1991年，麻省理工学院的研究小组首次使用OCT对离体人眼视网膜和冠状动脉进行成像，这为后来OCT在视网膜结构图像采集中的应用奠定了基础；1993年，Swanson等展示了体内垂直于乳头状黄斑轴的视神经头的光学相干断层图，可识别的结构包括视网膜神经纤维层、脉络膜和视盘轮廓。

图1 宽视野视网膜和脉络膜OCT成像。（a）体积宽场3D-OCT数据的渲染；（b）虚拟（任意）横截面图像，显示深度图像穿透和脉络膜和巩膜可视化能力，箭头表示巩膜血管；（c）通过对视网膜色素上皮（RPE）下方的信号进行积分获得的脉络膜的正视OCT图像，红线表示图1（b）中横截面的方向；（d）~（f）RPE下方深度30、80、200μm处的正视OCT图像，显示脉络膜层和巩膜

早期的OCT系统采用时域OCT（TD-OCT），但这种系统的成像效率有很大的局限性。直到2002年，首次演示了谱域OCT（SD-OCT），它是一种傅里叶域OCT（FD-OCT）。随后，高速SS-OCT也取得了重要进展。随着光源和探测器的发展，FD-OCT已达到MHz级别的成像速度，并在生物医学成像市场中发挥着重要作用。

OCT的操作原理

OCT方法目前主要有两种：分别是TD-OCT和FD-OCT。FD- OCT可通过两种形式实现，一种是基于光谱仪的成像方式（SD-OCT），另一种是基于窄带宽的扫频光源实现（SS-OCT）。

TD-OCT

TD-OCT系统使用短相干长度的宽带光源和光电探测器，基于部分相干干涉测量方法，通过移动参考镜改变参考通道长度来实现对OPD小于CL的信号的采集，输出纵向深度的反射率剖面（A扫描），再通过增加横向扫描仪进行二维空间扫描（B扫描），实现完整的二维成像。

图2 TD-OCT系统示意图

SD-OCT

SD-OCT基于低相干干涉仪的光谱输出解调，仍使用宽带光源，使用光谱仪作为处理单元，对光谱进行连续采样，通过傅里叶变换得到样品深度信息，进行B扫描。

图3 SD-OCT系统示意图

SS-OCT

SS-OCT光源采用频率扫描激光器和点探测器，在一个光谱范围内依次发射单一的波长进行扫描，使用傅里叶变换完成对样品纵向维度的图像重建，采用振镜或者电流计扫描镜进行光路旋转，完成对样品的整体成像。

图4 SS-OCT系统示意图

三种OCT的区别

TD-OCT在OPD为0时提供纵向单点的干涉信号，通过参考臂机械式扫描依次得到轴向范围内所有的反射率值；而FD-OCT测量时一次返回轴向范围内所有点的反射率值。
FD-OCT的成像速度由光谱仪的响应时间或扫描光源的扫描周期决定，能够实时成像，但灵敏度随着深度的增加衰减，常应用在表皮组织、视网膜组织、前段等测量深度不深但分辨率要求较高的应用领域。SD-OCT采用宽带光源，通过高速光谱仪实现光谱分辨检测；SS-OCT使用非频谱分辨点探测器，其光谱分辨率是通过高速波长扫描光源实现的，扫描效率更高，成本更低、更紧凑。

生物医学领域的应用

OCT作为一种非侵入式、高速率、高分辨率、实时检测的成像技术，已广泛应用于各种临床领域，包括病理检测、病理机制分析、病理过程监测和治疗评估。

实际上，与广泛使用的临床断层扫描模式相比，OCT的关键优势在于其μm级别的分辨率，能够检测微小的病理变化，使其在皮肤病学、眼科、心血管病学，甚至肠胃病学、肺病学、牙科和泌尿科等各组织上表皮病变检测方面有巨大的优势。

眼科

OCT是玻璃体视网膜实践中最常用的成像方式，是唯一一种提供深度定向视网膜横截面的体内成像方式，可进行视网膜结构的窥探及相关性研究，能有效筛查眼科疾病，未来与其他光学成像技术的结合将为医疗诊断提供更精确的信息。

图5 脉络膜黑色素瘤。（a）左眼眼底照片显示黄斑处有皮肤色的隆起性病变，散布着橙色色素，并在下缘伴有视网膜下液；（b）光学相干断层扫描血管成像（OCTA）的B型扫描和对应的面向图像显示高度血管通量以及与外层视网膜层紊乱相关的覆盖在上方的SRT和色素上皮剥离

心血管疾病

OCT在冠状动脉特别是支架评估方面具有高分辨率体内成像的巨大潜力，可提高系统对心血管中高危斑块和分子特征的检测能力，对巨噬细胞进行定位、可视化、移动，获得冠状动脉内高对比度OCT图像，评估心血管疾病患者的相关指标，推进对心血管疾病的认识，开发新的治疗方法并提高临床决策的准确性。

图6 左旋冠状动脉造影。（a）二维NIRAF图；（b）（c）横断面OCT-NIRAF图像；（d）放大部分显示升高的NIRAF与位于OCT界定的纤维性斑块上方的支架共定位；（e）支架远端部分NIRAF阴性的横切面图像；（f）叠加NIRAF信号的三维剖面图渲染

皮肤科

OCT技术可在体内实时观察皮肤浅层，在监测伤口愈合和炎症性皮肤病、皮肤科皮肤功能测试、皮肤药理学、美容、皮肤日晒损伤估计和肿瘤诊断方面颇有价值，与其他技术结合将为皮肤疾病带来更好的病理和维持非手术诊断方法和治疗方法。

图7 下肢慢性静脉溃疡患者。（a）溃疡周围邻近正常皮肤，淋巴管扩张而无灌注；（b）皮肤硬化，点状血管少量增加；（c）溃疡边缘可见较大的血管点，密度较高；（d）在溃疡的中部，由于肉芽形成，可见大量的虚线状血管，称为斑点

胃肠病学

内镜OCT在检查中可进行广域、亚表面和近显微镜成像，有助于区分肿瘤组织和炎症组织，并有助于对目标区域进行活检或消融，作为一种非侵入性的成像技术，在胃肠道疾病的诊断和治疗中具有广泛的应用前景。

图8 直肠恶性肿瘤。（a）正常直肠B扫描OCT导管图像；（b）对应正常直肠组织的血红素-噻唑啉染色组织切片图像（H&E图像）；（c）人直肠恶性肿瘤的B扫描OCT导管图像；（d）直肠肿瘤相应的H&E图像

总结与展望

作为一种非侵入式成像方式，OCT同时具备μm级分辨率和MHz采集速度，可实现mm级的成像深度，在多个医学领域具有重要的实用价值和极大的发展潜力。

尽管OCT技术仍存在一些局限性，比如在大面积组织成像时的外围成像质量和工作复杂度问题，以及不同类型OCT在分辨率和速度上的平衡问题，但随着技术的不断发展，这些局限终将被克服。

未来，OCT与其他学科和技术的结合，如多成像模态的融合，通过各成像技术的优势互补提高疾病筛查效率，如与传统内窥超声成像结合、与光声学相结合、与荧光标记剂结合等，将成为发展的一大趋势。它将在医学研究与临床实践中发挥越来越重要的作用，为我们的健康带来更多的保障。

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