眼科光学断层成像仪的发展及应用

张晓虹，陈卫伟

千佛山医院 医学工程部，山东济南 250014

眼科光学断层成像仪的发展及应用

张晓虹，陈卫伟

千佛山医院 医学工程部，山东济南 250014

本文阐述眼科光学相干断层成像技术（Optical Coherence Tomography，OCT）的发展及现状，并详细介绍了OCT的原理及系统的基本结构和应用

光学断层成像；视网膜成像；青光眼；白内障

光学相干断层成像技术是基于迈克尔逊干涉仪的新型光学成像技术，1994年开始正式用于眼科临床，它经过三代的发展，目前成像速度和图像的分辨率已大大提高，测量的是生物样品背向散射光、反射光，利用光源的相干长度来获得达μm量级的分辨率，具有无损伤、非接触、灵敏性高的特点，可以将数据处理成三维图像。OCT根据迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer）的原理设计，通过入射光经参考臂和样品臂反射回来的光程不同，从而生成干涉图像，通过干涉图像再反推样品臂中的物理长度信息。眼用OCT检查系统本质上是将Michelson型干涉仪的测距光路融入眼科裂隙生物显微镜形成一台应用光学干涉信号成像的可视性检查仪，可应用于眼前节和眼后节的检查。

1 OCT的发展和现状

1991年美国麻省理工学院Huang等[1]首先利用研制的OCT对离体的人视网膜和视盘进行了观察，经过几年的改进，最终确立了它在视网膜成像方面的优越性。OCT自1991年首次问世以来，一直成为国际上光学领域的研究热点。科学家们不断完善OCT技术并于1994年开始正式用于眼科临床。最初应用于临床的OCT为OCT 1，有10个扫描程序，7个分析程序，是一种科研用仪器。2000年OCT 2出现，它体积更小，更易操作。增加了2个扫描程序，4个分析程序，在视网膜厚度测定和RNEL厚度测量方面，OCT 2的可重复性更佳，对黄斑厚度的测量其变异值<11μm。2002年，Stratus OCT，即OCT 3的出现，标志着OCT技术进入一个新的阶段。OCT 3全部操作都可用鼠标在计算机上完成，扫描和分析程序日趋完善，分辨率更高。OCT 3提供了18种扫描程序，19种分析程序，黄斑区扫描图像可以辨认出更多层次，可以更清楚地观察视网膜各层结构的病变。首次提供了RNFL的正常参考值及视盘分析程序，为OCT在青光眼的诊断方面提供了更广泛的应用前景。从OCT 1到OCT 3，均是时域OCT（Time Domain Optical Coherence Tomography, TD2OCT）通过光学延迟线的快速变化来实现纵向深度扫描（即A扫描）。为了得到一个纵向的深度图像[2]，参考臂要来回进行机械扫描，这就大大限制了它的成像速度。针对TD2OCT的这点不足之处，Fercher等[3]提出了傅立叶域OCT（Fourier Domain Optical Coherence Tomography，FD2OCT）,其通过获取宽带光谱各频率成分的干涉信号来实现。后者大大提高了成像速度和图像的分辨率，并且可以将数据处理成三维图像，提供了直观、清晰的视网膜各层可视图像，在OCT发展史上是一座里程碑。

2 OCT的原理

眼科OCT根据迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer）的原理设计[4-6]。迈克尔逊干涉原理图，见图1。Michelson干涉仪是通过入射光经由参考臂和样品臂反射回来的光程不同，从而生成干涉图像，通过干涉图像再反推样品臂中的物理长度信息。M1和M2是2块互相垂直放置的平面反射镜，M2固定不动，M1可以沿精密丝杠V前后作微小移动，G1和G2是2块与其成45°平行放置的平面玻璃板，它们的折射率和厚度都完全相同，其中G1的背面镀有半反射膜，称为分光板（Splitter），G2称为补偿板。自透镜L出射的单色行光经分光板分成光束1（Lλ1）和光束2（Lλ2），它们分别垂直射入到平面反射镜M1和M2上。经反射的Lλ1回到分光板后，一部分透过分光板成为光束L出1并沿视场E方向传播；而透过G1和G2并经M2反射光束Lλ2回到分光板后，其中一部分被反射成为光束L出2，并沿E方向传播。由于光束L出1和L出2两者是相干光，因此在E处可以看到干涉现象。

图1 迈克尔逊干涉原理图

补偿板G2的作用是用于补偿光束Lλ1和光束Lλ2因经过G1的次数不同而引起的光程差。这种补偿在单色光照明时并非必要，光束Lλ1经过G1所增加的光程可以通过移动M1的位置，用空气中的行程补偿。但是使用非单色光照明时，因为玻璃的色散，不同波长的光有不同的折射率而无法用空气中的行程补偿。如果光束Lλ1和光束Lλ2的光程差太大，超过光源的相干长度，则不能产生干涉。如采用激光作为光源时，由于激光的单色性好，相干长度长，可省去补偿板。调整分光镜的分光比例，使会合的两波振幅相等，合成的光强度可用公式（1）表示如下：

式中的相位差θ=（4/λ）dcosΦ，其中Φ角为眼（或光检测器）与入射光之间的夹角。在E处观察到的干涉现象，可用式（1）进行分析。当移动反射镜M1或M2时，光程随即连续发生改变，所以在某定点所观察到的强度为明暗交替，仿佛在移动的条纹。通过计数某定点的条纹数，根据公式（2）即可求得反射镜所移动的距离d

式中m2为所计数的条纹数，λ为光在该介质中的波长，对在E处的观察者来说，光自M1和M2上的反射就相当于来自相距为d的M1和M0上的反射，其中M0是平面镜M2经G1半反射膜反射所成的虚像。因此，在E处所看到的明暗干涉现象取决于厚度d。设光在半反射膜内外两侧反射时引起的半波损失相同，则在d为0时光束1′和2′间的光程为0，产生相长干涉，E处视场最亮。移动反射镜M1，当移动距离为λ/4时，光束L出1和L出2的光程差为λ/2，产生相消干涉，E处视场最暗。显然，每移动λ/2，视场从最亮（最暗）到最亮（最暗）1次。这样，若E处视场从最亮到第N次最亮出现时，反射镜M1移动的距离为Nλ/2。因此，通过E处亮暗的变化就能测量出反射镜的移动量，在理想单色光照明的情况下，测量精度可达波长的1/2。

3 眼用OCT检查系统的基本构成

眼用OCT检查系统本质上是将Michelson型干涉仪的测距光路融入眼科裂隙生物显微镜，形成1台应用光学干涉信号成像的可视性检查仪。眼用OCT检查系统的基本构成，见图2。

图2 眼用光纤OCT检查系统

光源使用低相干、超亮度发光二极管，直接与光纤连接[7-8]。应用1个有两路光纤的耦合器作为分光器，一路作为干涉仪中的测量通道，另一路作为干涉仪中的参考通道。在测量通道的一端制成一个活动的探头，它可与不同的眼科光学设备连接。光纤耦合器的另一接口与光敏检测器连接，作为光信号输出。输出的光信号经光电转换、放大、滤波后即可在计算机上显示。

干涉仪中使用的光源是一种超亮度发光二极管，根据不同部位成像的要求，目前应用的是不同波长的光，因为不同波长的光在生物组织中有不同的吸收率和穿透力。眼前段OCT的光源采用中心波长为1310nm的光（带宽为50nm），眼后段OCT采用中心波长为820nm的光（带宽为40nm）。用于眼后节和眼前节的2种不同带宽的光源，它们在时间和空间上都具有周期性的变化。若采用的低相干光源呈高斯分布，则该光源的相干长度与带宽呈反比：

从光源发出的光束入射到分光镜上，光被分成2束相干光，分别在2条通道即干涉测量仪已知距离的两臂中传播，这2束光分别到达反射镜和被测目标后都将从原路返回。从参考镜反射回来的光称为参考光束，其光程为Lref。从被测目标的组织（角膜或视网膜）反向反射或散射回来的光束称为信号光束，其中含有从组织中测得的信息，其光程为Lsig。上述2束光返回到分光镜时，它们之间的光程差ΔL=Lsig-Lref。干涉现象只发生光程差不大于相干长度时，即ΔL≤Lc。如果光程差ΔL很大，这2个光束是不会发生干涉的。

4 OCT的应用

眼前节：角膜和前节图像、角膜厚度地形图、有晶体眼人工晶体大小和术后位置、青光眼和眼外伤的前节分析、青光眼引流装置的观察、显示白内障人工晶体和可调节人工晶体的图像。

眼后节：青光眼、白内障术前和术后并发症、糖尿病黄斑水肿、老年黄斑变性及其他视网膜疾病。

[1] HuangD,Swanson EA,LinCP,et al.Optical coherence tomography[J]. Science,1991,254(5035):1178-1181.

[2] 申晓丽,黄丽娜.光学相干断层成像技术的临床应用新进展[J].国际眼科杂志,2009,(12):2395-2396.

[3] Fercher AF,Drexler W.Optical coherence tomography principles and applications[J].Rep Prog Phys,2003(66):239-303.

[4] 陆豪,李海生.眼光学相干断层扫描的原理和临床应用[M].北京:世界图书出版公司出版社,2008.

[5] 贾洪强,杨云东,杨立东,等.OCT在临床常见黄斑疾病的图像特征及应用价值[J].国际眼科杂志,2009,(1) 124-128.

[6] 石安娜,石浔,刘维峰,等.三维频域OCT在鉴别诊断黄斑裂孔中的分析应用[J].国际眼科杂志,2009,(11): 2189-2192.

[7] 王立嵘.光学相干层析术系统性能分析—时域和频域OCT[J].硅谷,2009,(21):5,97.

[8] 陈松,姜天乐,崔兰君,等.光学相干断层成像、共焦激光断层扫描和视网膜厚度分析在老年性黄斑变性检查中的对比研究[J].临床眼科杂志,2007,(1):3-6.

Development and Application of Ophthalmological Optical Coherence Tomography Instrument

ZHANG Xiao-hong，CHEN Wei-wei
Medical Engineering Department, Qianfoshan Hospital, Jinan Shandong 250014, China

TH786

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.06.043

1674-1633(2012)06-0118-03

2011-12-31

2012-05-22

作者邮箱：zhangxiaohongqy@sina.com

Abstract:This paper expounds on the development and the current situation of ophthalmological optical coherence tomography, and introduces the principle, basic structure and application of OCT.

Key words:optical tomography; retina imaging; glaucoma; cataract