光学相干层析技术课件

1、光学相干层析技术课件 姓名：王玲 学号：121630 光学相干层析技术课件 光学相干层析技术光学相干层析技术(optical coherence tomography,OCT)是近年来继共焦扫描显微镜之后发展是近年来继共焦扫描显微镜之后发展 起来的新型光学成像技术起来的新型光学成像技术。它利用弱相干光干涉仪的基本它利用弱相干光干涉仪的基本 原理原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相检测生物组织不同深度层面对入射弱相干干光的背光的背向向 散散射信号射信号。通过扫描通过扫描，可，可得到生物组织二维或得到生物组织二维或三三维结构图维结构图 像。它是一种非接触、无损伤成像技术，具有较高的分辨像。它是

2、一种非接触、无损伤成像技术，具有较高的分辨 率，率，可可达到达到115m，比传统的超声波探测高，比传统的超声波探测高1到到2个数量个数量 级级，成像速率达到成像速率达到1幅幅/秒秒，可，可以实现二维或以实现二维或三三维成像维成像。其其 灵敏度能够大于灵敏度能够大于100dB，在在高高散射生物组织中散射生物组织中成成像深度可像深度可 达达3mm。 光学相干层析技术课件 从探测深度、分辨率、简单实用等角度综合考从探测深度、分辨率、简单实用等角度综合考 虑虑，光学相干层析术被认为是很有发展前途的一种光学相干层析术被认为是很有发展前途的一种 新型光学成像技术新型光学成像技术。 光学相干层析技术（光学相

3、干层析技术（OCT）由于不存在辐射危）由于不存在辐射危 害，已发展成为面向医学应用的一种宝贵的非侵入害，已发展成为面向医学应用的一种宝贵的非侵入 式成像技术。目前，已经在用于诊断和生物医学成式成像技术。目前，已经在用于诊断和生物医学成 像领域赢得了一席之地。像领域赢得了一席之地。 光学相干层析技术课件 OCT基本工作原理 光学相干层析成像技术是以光学低相干领域反射测量技光学相干层析成像技术是以光学低相干领域反射测量技 术为基础，使用超发光二极管、激光二极管和光纤，摒弃了术为基础，使用超发光二极管、激光二极管和光纤，摒弃了 生物组织光学研究常用的笨重且昂贵的激光器。与医学领域生物组织光学研究常用

4、的笨重且昂贵的激光器。与医学领域 常用的常用的X X射线及核磁共振层析技术相比，它具有无损伤非介入射线及核磁共振层析技术相比，它具有无损伤非介入 的特点，可在自然条件下用于人体内部器官的病变检测，同的特点，可在自然条件下用于人体内部器官的病变检测，同 时与超声波和时与超声波和X X射线等医学常用检测技术相比具有超过这些技射线等医学常用检测技术相比具有超过这些技 术数倍以上的分辨率术数倍以上的分辨率(1(11515mm) )；与传统光学显微镜相比，它；与传统光学显微镜相比，它 采用弱相干性来抑制背景能量，从而具有极强的光学剖面分采用弱相干性来抑制背景能量，从而具有极强的光学剖面分 析能力结构特性

5、及多种光学性质的测量析能力结构特性及多种光学性质的测量。 光学相干层析技术课件 OCT系统的基本结构 光学相干层析技术课件 该系统的核心是一个迈克尔逊干涉仪，它利用低相干该系统的核心是一个迈克尔逊干涉仪，它利用低相干 干涉技术，通过一个时空变换的过程，将对时间的测量转干涉技术，通过一个时空变换的过程，将对时间的测量转 变成为对空间距离的测量。干涉仪的一臂装有反射镜作为变成为对空间距离的测量。干涉仪的一臂装有反射镜作为 参考臂，另一臂置于待测样品上作为样品臂。从光源输出参考臂，另一臂置于待测样品上作为样品臂。从光源输出 的弱相干光进入的弱相干光进入2 22 2光纤耦合器，被分为两束分别进入干光纤

6、耦合器，被分为两束分别进入干 涉仪的样品臂和参考臂。涉仪的样品臂和参考臂。一一束为信号探测光，经透镜聚焦束为信号探测光，经透镜聚焦 后照射到样品内部而得到后向散后照射到样品内部而得到后向散( (反反) )射光；另一束为反射射光；另一束为反射 镜反回的参考光。从反射镜返回的参考光与被测样品后向镜反回的参考光。从反射镜返回的参考光与被测样品后向 散散( (反反) )射的信号探测光二者经光纤耦合器形成干涉信号，射的信号探测光二者经光纤耦合器形成干涉信号， 然后被光电探测器探测输出经电路转化为干涉强度信号。然后被光电探测器探测输出经电路转化为干涉强度信号。 信号强度反映了样品的散信号强度反映了样品的散

7、( (反反) )射强度。射强度。 光学相干层析技术课件 迈克尔逊干涉仪 迈克尔逊干涉仪是光学相干层析成像系统中最主要的组成部分之迈克尔逊干涉仪是光学相干层析成像系统中最主要的组成部分之 一。一。 它是一种典型的分振幅干涉仪它是一种典型的分振幅干涉仪 。下图是其光路图。下图是其光路图。 平行玻璃板平行玻璃板G1和和G2相互平行，相互平行， 平面镜平面镜M1和和M2相垂直，相垂直，G1和和G2与与 M1和和M2成成45 。 。光源 光源S发出的光射到发出的光射到 分光板分光板G1(背面镀有银的薄层背面镀有银的薄层)上半透上半透 明表面把入射光分成强度几乎相等的明表面把入射光分成强度几乎相等的 反射

8、光束和透射光束，反射光束经平反射光束和透射光束，反射光束经平 面镜面镜M1再反射回来穿过再反射回来穿过G1进入观察进入观察 系统；透射光束透过补偿板系统；透射光束透过补偿板G2经平面经平面 镜镜M2再反射回来，被分光板再反射回来，被分光板G1半透半透 明表反射也进入观察系统，从而形成明表反射也进入观察系统，从而形成 干涉现象。干涉现象。 光学相干层析技术课件 OCT在医学中的应用 现在光相干层析成像技术作为一种非侵袭性的诊断现在光相干层析成像技术作为一种非侵袭性的诊断 工具，在临床医学中开始发挥其巨大的作用，因为工具，在临床医学中开始发挥其巨大的作用，因为OCTOCT 图图 像的轴向分辨率可以

9、达像的轴向分辨率可以达1010 ，比现在任何一种临床诊断设，比现在任何一种临床诊断设 备的分辨率高达备的分辨率高达1010倍以上，且这种光纤式结构不仅便宜而倍以上，且这种光纤式结构不仅便宜而 且很容易进入导管、内窥镜进行合作，在人体内部的组织且很容易进入导管、内窥镜进行合作，在人体内部的组织 器官检查中得到很高的分辨率，特别在眼科学、心脏学、器官检查中得到很高的分辨率，特别在眼科学、心脏学、 皮肤病等学科诊断中具有明显的优势。皮肤病等学科诊断中具有明显的优势。 光学相干层析技术课件 眼 科 对于青光眼的诊断和处理目前在临床是十分棘手的问对于青光眼的诊断和处理目前在临床是十分棘手的问 题，眼内压

10、测量经常不能准确预测出青光眼的病情进展，题，眼内压测量经常不能准确预测出青光眼的病情进展， 只有在视网膜神经纤维缺少只有在视网膜神经纤维缺少50%以上时，视野缺损和视神以上时，视野缺损和视神 经乳头凹陷这样的后期临床症状才能检测到经乳头凹陷这样的后期临床症状才能检测到。OCT对视网对视网 膜结构的高分辨率成像，对眼科临床上诊断青光眼、斑变膜结构的高分辨率成像，对眼科临床上诊断青光眼、斑变 质和斑水肿十分可靠。质和斑水肿十分可靠。 视网膜神经纤维层是在青光眼中受影响的解剖视网膜神经纤维层是在青光眼中受影响的解剖结构，结构， 由于由于OCT的高分辨率可敏感地测量视网膜神经纤维层的厚的高分辨率可敏感

11、地测量视网膜神经纤维层的厚 度且观测到视盘的外形变化，可以在度且观测到视盘的外形变化，可以在OCT中明确的判别。中明确的判别。 而且而且OCT检查几乎不会给病人造成任何不适。检查几乎不会给病人造成任何不适。 光学相干层析技术课件 心心 血血 管管 OCT对冠状动脉成像，对于激光消融术和其它去除对冠状动脉成像，对于激光消融术和其它去除 血管阻塞物技术十分重要，以往的技术无法明确地区分血管阻塞物技术十分重要，以往的技术无法明确地区分 病理和健康组织的外形轮廓。现在病理和健康组织的外形轮廓。现在OCT可以在开放的外可以在开放的外 科手术中和导管外科手术中探测血管壁。在冠状动脉科手术中和导管外科手术中

12、探测血管壁。在冠状动脉 OCT影像中，由于较大的后向散射和脂肪钙化斑状的阴影像中，由于较大的后向散射和脂肪钙化斑状的阴 影效应，脂肪钙化斑状层，纤维动脉粥样化和正常动脉影效应，脂肪钙化斑状层，纤维动脉粥样化和正常动脉 壁对比十分明显。绝大多数的心肌梗塞是由心脏中的动壁对比十分明显。绝大多数的心肌梗塞是由心脏中的动 脉中小的粥样斑块破裂造成，而不是大粥样斑块破裂引脉中小的粥样斑块破裂造成，而不是大粥样斑块破裂引 起，而这小粥样斑块破裂的趋势在目前技术中是检测不起，而这小粥样斑块破裂的趋势在目前技术中是检测不 出来的，具有高分辨率的出来的，具有高分辨率的OCT可以做到可以做到。 光学相干层析技术课

13、件 光在血液中占多数的散射是由于在红细胞质和血清之光在血液中占多数的散射是由于在红细胞质和血清之 间折射系数不同引起的，当增加血清的折射系数接近细胞间折射系数不同引起的，当增加血清的折射系数接近细胞 质时（这时需要在血管中充盈盐水、也可以通过泵入葡萄质时（这时需要在血管中充盈盐水、也可以通过泵入葡萄 糖、静脉对比剂实现），散射可以大大降低，血管壁的细糖、静脉对比剂实现），散射可以大大降低，血管壁的细 微结构可以清晰可见，可和病理学的分辨率相媲美（当然微结构可以清晰可见，可和病理学的分辨率相媲美（当然 由于血管的波动会产生一些运动伪影），提高了由于血管的波动会产生一些运动伪影），提高了OCT在血

14、在血 液中对血管壁的成像图像质量液中对血管壁的成像图像质量。 光学相干层析技术课件 皮皮 肤肤 由于大多数的皮肤疾病都伴有其结构的改变，现在各由于大多数的皮肤疾病都伴有其结构的改变，现在各 种各样的诊断方法都努力提高显示皮肤结构图像的空间分种各样的诊断方法都努力提高显示皮肤结构图像的空间分 辨率。目前辨率。目前OCT对皮肤结构成像的分辨率可达对皮肤结构成像的分辨率可达1520m， 这比其它的诊断方法要高出一个数量级。普通的这比其它的诊断方法要高出一个数量级。普通的OCT对皮对皮 肤成像的深度为肤成像的深度为1.52.0mm，对一般皮肤疾病的检查诊断，对一般皮肤疾病的检查诊断 是足够的。由于它的

15、无创伤性和没有任何副作用的特点，是足够的。由于它的无创伤性和没有任何副作用的特点， 以及不仅提供组织结构信息，而且还可以提供组织功能信以及不仅提供组织结构信息，而且还可以提供组织功能信 息，息，OCT可以检测人体内部诸如：炎症、坏死等病理反可以检测人体内部诸如：炎症、坏死等病理反 应，特别对角化过度、角化不全和真皮内空洞形成等皮肤应，特别对角化过度、角化不全和真皮内空洞形成等皮肤 疾病方面显示出极大的优势疾病方面显示出极大的优势。 光学相干层析技术课件 基于导管内窥镜光学生检 基于导管基于导管内窥镜内窥镜OCTOCT系统包括一个密封可旋转的系统包括一个密封可旋转的 中空导线和单膜光纤。通过以中

16、空导线和单膜光纤。通过以4r/s4r/s 的频率旋转导线、光的频率旋转导线、光 纤和内部固定的光学部件来完成光束的扫描。导管纤和内部固定的光学部件来完成光束的扫描。导管 内窥镜的直径为内窥镜的直径为1mm1mm，它足够小，允许进入人体的冠状动，它足够小，允许进入人体的冠状动 脉或内窥镜系统脉或内窥镜系统。OCTOCT图像可以显示出食管、气管、血管图像可以显示出食管、气管、血管 各种管壁层的结构。基于导管的各种管壁层的结构。基于导管的OCTOCT系统，对食道组织各系统，对食道组织各 层的分辨率可达到层的分辨率可达到1010mm，超过，超过MRIMRI、超声的影像分辨率。、超声的影像分辨率。 现在

17、认为对于食管癌治疗的最重要问题是早期发现，现在认为对于食管癌治疗的最重要问题是早期发现，OCTOCT 系统可以快速实时确诊组织的恶变部位，这对于一般内窥系统可以快速实时确诊组织的恶变部位，这对于一般内窥 镜是无法做到的。同时也为内窥镜的进一步治疗提供了指镜是无法做到的。同时也为内窥镜的进一步治疗提供了指 导方向。最后导方向。最后OCTOCT系统图像在细胞水平上分辨率可以对冠系统图像在细胞水平上分辨率可以对冠 状动脉成像术、微血管修复等外科和显微外科手术的提高状动脉成像术、微血管修复等外科和显微外科手术的提高 起到促进作用。起到促进作用。 光学相干层析技术课件 OCT技术的缺陷 OCT不能像电子

18、显微镜那样确定组织的分子结构，它的分辨率要小于活检组不能像电子显微镜那样确定组织的分子结构，它的分辨率要小于活检组 织镜检。应用短脉冲光源织镜检。应用短脉冲光源OCT 可以把纵向分辨率提高到可以把纵向分辨率提高到24m，但横向分，但横向分 辨率提高十分困难。同时理论的分辨率有时会在实际应用有所降低。辨率提高十分困难。同时理论的分辨率有时会在实际应用有所降低。 OCT成像探测组织的深度为成像探测组织的深度为24m，在较深的下边，光子便会多次散射丧失，在较深的下边，光子便会多次散射丧失 相干的可能。相干的可能。 对于组织内部细微的差别（如正常细胞和癌细胞的区别）这时需要一个光谱对于组织内部细微的差别（如正常细胞和癌细胞的区别）这时需要一个光谱 特性具有高度灵敏度，这在特性具有高度灵敏度，这在OCT系统做不到，因此不能完成诸如基因改变等系统做不到，因此不能完成诸如基因改变等 诊断。诊断。 由于在体内组织中反射和后散射自然特性，给由于在体内组织中反射和后散射自然特性，给OCT的应用设置了一些限制。的应用设置了一些限制。 对于一些平面结构组织和圆柱形反射体，需要对对于一些平面结构组织和圆柱形反射体，需要对OCT系统角度准直获得接近系统角度准直获得接近 于正常的入射。两个点以上的样本组织的反射体，反射到达探测器某点相位于正常的