突破传统局限，助力精准医疗！光学相干成像及临床应用研究

精准识别肿瘤边界对于提高切除率、降低复发率、改善患者预后具有极其重要的意义，但目前仍缺乏术中及时、精准识别肿瘤边界及肿瘤侵袭性的成像方式。

光学相干层析成像（OCT）作为一种无创、无标记、高分辨率的三维光学层析成像技术，不但可以获得组织的三维断层形貌特征，还能实现组织的三维微循环网络可视化。光学活性快速病理成像是一种不需要对术中新鲜组织进行任何预处理即可获得类似病理切片信息的高分辨率高对比度光学相干成像技术。

清华大学的薛平团队在《光学相干成像及临床应用研究》中介绍了推进光学相干成像在术中应用的系列研究工作。这些研究将有利于提高肿瘤全切率、降低肿瘤复发率、改善胶质瘤患者预后，推进精准医学的发展。

自适应多时间间隔光学相干断层血管造影：课题组提出了自适应多时间间隔相关映射OCTA技术，采用高效扫描协议和运动补偿算法，优化不同时间间隔B-scan血管图像权重，使血管密度增加约67%，信噪比提高约11.6%。

图1 传统扫描协议和智能扫描协议获得时间间隔。（a）传统扫描协议获得3Δt；（b）智能扫描协议获得3Δt；（c）智能扫描协议获得7Δt。

机器人辅助的光学相干断层扫描血管造影技术进行全脑微血管成像：将120kHz的OCT与机器人集成，提出新颖的机器人校准方法，实现整个小鼠脑部微血管的OCTA成像，获取分辨率均匀且无信号衰减效应的OCTA图像。

图2 平均（a）和自适应（b）多时间间隔算法重建的面向OCTA 图像的比较，其中方框表示感兴趣区域（ROI），这些区域的放大图显示在（c）和（d）中。相应的第300个B-scan OCTA 显示在（e）~（g）中，箭头指示了一些显著的信噪比和细节改进。

图3 机器人辅助的光学相干断层扫描装置。（a）系统设置示意图，系统组件包括SLD（超辐射发光二极管）、环形器、光纤耦合器（FC）、抛物线聚焦镜（C1、C2和C3）、镜子、偏振控制器（PC1和PC2）、光栅（G）、棱镜（P）、扫描振镜、CMOS和6轴机器人；（b）具有远心样品臂的光学图；（c）系统的点扩散函数；（d）用于读取横向分辨率值的USAF 1951分辨率卡图像，在第7组中可以看到第2个元素。

图4 小鼠全脑高分辨率血管图像。（a）全脑血管高分辨率广域图像（10 mm×8.1mm，横向分辨率为6μm）；（b）全脑血管低分辨率广域图像（8.8mm×8.8mm，横向分辨率为24μm）；（c）（e）高分辨率图像中红色框内的放大区域，其左侧图是用来展示横向分辨率的单个微血管剖面；（d）（f）低分辨率图像中红色框内的放大区域

显微镜集成OCT：将OCT样本臂集成到微创手术所需的操作显微镜中，有两种设计方案：一种是将OCT光束集成到商用手术显微镜中，优势是改动极小，不干扰医生工作流程，但OCT横向分辨率和视场依赖显微镜光学变焦；

图5 MIOCT扫描仪耦合到商用显微镜的相机端口（OCT光束穿过显微镜光学变焦模块，OCT横向分辨率和视场（FOV）与显微镜变焦水平耦合）

另一种是通过二向色镜耦合两种模态，从显微镜的光学变焦中解耦OCT，但其会增加显微镜高度和操作距离。

图6 MIOCT扫描仪直接集成在显微镜物镜前（这种设计需要望远镜在物镜之前放大OCT光束，但OCT分辨率和横向视场与显微镜变焦水平无关）

基于偏振隔离的拉伸脉冲锁模10.3MHz超高速扫描激光器：提出抑制通过CFBG传输光的方法，实现约100%的有效占空比，扫描速率达10.3MHz，有效占空比接近100%，波数扫描线性度高，轴向分辨率为9.5μm。

图7 基于CFBG的SPML激光器的偏振隔离示意图（PBC/S：纤维偏振波束合并器/分束器；ILP：光纤内联偏振器；IM：马赫-曾德尔干涉仪强度调制器；RFAmp：射频放大器；CFBG：啁啾光纤布拉格光栅；SOA：半导体光学放大器；CIR：光纤环形耦合器；PMF：保偏光纤；实线蓝色双向箭头表示PMF中的光极化轴方向，虚线蓝色箭头表示光传播方向）

术中实时三维OCT成像：实时三维OCT成像需要超高速扫频激光器和超高计算机处理速度，利用GPU和高级GPU编程语言可实现实时处理和可视化，避免运动伪影。基于FDML的A-scan采集速度为3.28MHz的OCT系统可实现实时三维OCT成像，并能灵活调节成像范围、视野和纵向分辨率。

图8 超高速扫频OCT系统的表征。（a）扫描激光输出的时间轨迹；（b）干涉信号的时间轨迹；（c）扫描激光的频谱；（d）对应干涉信号的展开相位（红线）和干涉信号曲线（灰线）；（e）由点扩散函数测得空气中的轴向分辨率为9.5μm；（f）单个腔体往返过程中的相对群延迟

图9 三种分立的分辨率模式［36］。（a）~（b）120nm带宽的高分辨率模式的实时4D-OCT；（c）~（f）17nm带宽的中间模式；（g）~（k）4nm带宽的远程模式；（a）（c）指尖和导管的3D视图；（b）（d）指甲的3D视图；（e）~（f）叶子上的毛毛虫和蜗牛的3D视图；（g）研究人员戴着激光防护眼镜的3D视图；（h）~（i）握手和拿着杯子的3D视图；（j）~（k）杯子场景对应的2D视图和正面视图；显示的图像取自实时4D-OCT软件的屏幕记录

基于全场OCT的光学活性快速病理成像：开发基于面阵干涉探测的光学活性快速病理成像（D-FFOCT）技术，采用Linnik显微干涉结构结合高速高动态范围面阵相机，可在毫秒时间尺度和纳米空间尺度上获得细胞内部代谢运动特征，分辨率达亚微米级别，能快速区分正常和病变组织，弥补OCT在细胞水平对比度上的不足。

图10 D-FFOCT系统示意图（BS：分束器；OB：显微物镜；PZT：压电位移器；TS：位移台；YAG：钇铝石榴石晶体）

图12 小鼠脑胶质瘤与正常脑组织的边界（从左至右依次为HE染色图、显微图、D-FFOCT图）

声明：本文仅用作学术目的。内容及图片来源于《中国激光》、《光学相干成像及临床应用研究》；DOI：10.3788/CJL231460；如涉及版权问题，可联系工作人员删除处理。

OCT技术及其相关研究的推进，为肿瘤切除前获取肿瘤血管及微循环信息、肿瘤切除后进行快速病理检测提供了有力支持，有望提高肿瘤全切率、降低肿瘤复发率、改善患者预后，推动精准医学的发展。未来，我们期待这一技术能不断完善，为更多患者带来福音。

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