OCT技术调研专业资料.doc

从四个方面介绍：1、OCT简介；2、OCT技术的应用；3、国内外的研究团队介绍；4、国内外厂商及产品介绍。一、OCT简介 光学相干层析（Optical Coherence Tomography，简称 OCT）是 20 世纪 90 年代初发展起来的低损、高分辨、非侵入式的医学、成像技术。它的原理类似于超声成像，不同之处是它运用的是光，而不是声音。相比其它一些成像技术，例如超声成像、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、X-射线计算机断层（X-ray Computed Tomography，CT）等，OCT 技术具有与之相比较高的分辨率（几微米级），同时，与共聚焦显微（Confocal Microscopy）、多光子显微技术（Multiphoton Microscopy）等超高分辨技术相比，OCT 技术又具有与之相比较大的层析能力，如图1所示。可以说 OCT 技术填补了这两类成像技术之间的空白，在眼科、皮肤、胃肠道、肾脏、血管等诸多领域有着广泛的应用前景。图1 OCT 与其它成像技术的对比OCT 技术手段方面，根据探测信号的类型不同，OCT 重要有两种技术手段：时域 OCT（Time Domain OCT，TD-OCT）和频域 OCT（Fourier Domain OCT， FD-OCT）。1、时域OCT技术光学相干层析成像系统结合了低相干干涉和共焦显微测量的特点。系统选用的光源为宽带光源，常用的是超辐射发光二极管(SLD)。光源发出的光经22耦合器分别通过样品臂和参考臂照射到样品和参考镜，两个光路中的反射光在耦合器中汇合，而两臂光程差只有在一个相干长度内才干发生干涉信号。同时由于系统的样品臂是一个共焦显微镜系统，探测光束焦点处返回的光束具有最强的信号，可以排除焦点外的样品散射光的影响，这是OCT可以高性能成像的因素之一。把干涉信号输出到探测器，信号的强度相应样品的反射强度，通过解调电路的解决，最后由采集卡采集到计算机进行灰度成像。图2 时域OCT基本光路OCT 成像的主旨就是要得到样品不同深度的反射率分布。假如参考镜处的反射率一定，那么由于样品结构的不均匀性，从样品不同深度散射回来的光的强度就不同，所以当两臂光相遇时产生的干涉信号里就带有样品不同深度的光反射率信息。由宽带光源的低相干性可知，OCT干涉仪可以获得较窄相干长度，保证轴向扫描的成像分辨率在微米级。对于窄带光源，如图3(a)所示，由于其相干长度很长，在相称大的光程差范围内都能输出干涉条纹变化。这样的干涉条纹对比度与两臂的光程差变化几乎无关，无法拟定零级条纹的位置，则无法找到等光程点，失去了精拟定位的功能。而对于宽带光源而言，如图3(b)所示，只有当两臂的光程差在这个很短的相干长度之内时，探测器才干检测到干涉条纹的对比度变化。并且，在对比度最大的地方相应着等光程点，随着光程差的增长，对比度迅速锐减，因此具有很好的层析定位精度。于是可移动参考臂的反射扫描镜，来寻找变化后的平衡点，通过测量反射扫描镜的变化前后的位移即可测得相应的光纤传感器长度的变化。图3 窄带光源与宽带光源相干长度的比较由于光源为低相干宽带光源，故其相干长度极短。而只有当参考臂和测量臂光程差在光源的一个相干长度之内时，背向散射光和参考光才会产生干涉，且当光程差接近零时才具有最大相干强度。因此，随着参考镜的轴向移动，可选择样品中与之光程相等的层来进行成像，而其他层的信息将被滤掉，从而实现了层析成像。图4所示为一个简朴组织的一次纵向扫描的结果。此样品组织由两层构成，折射率分别为n1和n2，与空气的折射率 n 不同。样品臂中，在两种不同折射率介质的交界面处会发生反射。当参考臂的反射镜扫描时，探测器的输出端可以看到两个干涉信号。其中第一个干涉信号相应着空气与组织层1的交界面，第二个干涉信号相应着组织层1与组织层2的交界面。在载波频率处解调，就可以得到原始的干涉信号的光强。通过沿样品表面 X 方向和 Y 方向移动样品臂可以获得样品的三维图像。图4 OCT 纵向扫描示意图2、频域OCT技术频域 OCT 在近年来渐渐取代了时域 OCT，其重要因素在于其无需在参考臂中进行光程扫描，直接一次性获取纵向扫描。如此，频域OCT 系统的成像速度将得到极大提高。时域 OCT 采集的是随参考臂光程变化的强度信号，它的每一个纵向扫描时间都等于参考臂光程变化一个周期的时间。频域 OCT 的参考臂无需扫描，它一次性地采集某一横向位置的深度方向的干涉光谱信号，也就是频域信号。深度方向的时域信号就编码在这个光谱里。每一个纵向扫描实际就相应一个干涉光谱，对光谱做傅里叶变换即可恢复出时域信号。频域 OCT 省去了传统时域 OCT 当中深度扫描的时间，极大提高了成像采集速度。获得干涉光谱目前重要有两种方法，一种是基于光谱仪，另一种是基于扫频光源。前者我们称之为光谱频域 OCT（Spectral Domain OCT， SD-OCT），后者我们称之为扫频 OCT（Swept Source OCT， SS-OCT）。如图5所示，SD-OCT是通过一个基于光栅和透镜的光谱仪，将干涉信号分光再聚焦到线阵电荷耦合元件harge-Coupled Device，CCD）上获得干涉光谱的。如图6所示，SS-OCT则是通过采用一个输出波长随时间高速扫描的扫频光源，再通过探测器记录下每一波长的信号进而得到干涉光谱。图5 基于光谱仪的频域OCT基本光路图6 基于扫频光源的频域OCT基本光路2.1光谱频域OCT技术原理如图3所示，若光源是一个具有高斯线型的宽带低相干光源，假设其光谱功率密度表达为 s(k)。此外，样品臂不再是单一反射镜面，而是一个具有多层结构的物质，每层有不同的反射率。检测到的信号表达式为：上式中，R 代表参考臂反射率，、分别代表样品第 i、j 层的反射率。表达样品第 i 层与参考臂的光程差，表达样品第 i层与第 j 层之间的光程差。上式前两项仍然表达直流本底项，第三项是互相干项，表达样品不同层反射光与参考光的干涉信号，第四项是自相关项，表达样品不同层之间的干涉。表达对于不同波数光的光强，可以通过测量干涉信号的光谱得到。要得到样品内部深度方向的结构信息，也即反射率信息，我们还需要将上式从波数域（k）变换到空间域（z）。对上式做傅里叶变换可以得到上式中，表达光源光谱做傅里叶变换后的形式，也是光源相干函数的包络。z 表达样品某层与参考臂的光程差，假如将零光程差点放置在样品表面，z 表达信号距离样品表面的距离，也即深度。前两项仍然是直流项，出现在 z=0 的位置，第三项反映样品深度方向信息，不同层的反射率信息都记录在该项中。最后一项是自相关项，由于样品中各层反射率一般比较小，远远小于参考臂反射率，故此项较小，且出现在 z=0 位置附近。系统的测量臂进行横向扫描，对每个横向扫描位置采集到的干涉光谱信号进行傅里叶变换，最后拼接在一起，就能得到样品的各层横截面图像。频域 OCT 的探测原理可以用图7来说明。参考臂和样品臂返回的干涉信号被光栅分光、聚焦后打在线阵CCD 上，CCD的每一个像素都接受某波长的干涉光谱，由于受到光程差的调制，CCD上会接受到明暗相间的振荡信号，振荡频率取决于样品与参考臂的光程差。对该信号做逆傅里叶变换后即可恢复出样品深度方向的结构信息。图7 频域 OCT 的探测原理2.2扫频OCT技术原理扫频OCT技术与在光通信领域广泛使用的光学频域测距(OFDR)技术在原理上是相通的。在大多数使用单点探测器的扫频OCT系统中，干涉光谱的强度如式所示，其中，为从参考臂返回到探测器的光功率，为照射到样品上的光功率，和分别代表样品深度方向上反射系数的幅度和相位，为光源相干函数，代表随时间变化的波数，z代表样品深度坐标。在上式等号右边，第一项代表从参考臂返回的光强，第二项为从样品各层返回的光强以及样品各层之间的干涉光强，前两项代表会对最后得到的图像形成干扰背景的噪声信号，通常称第一项为直流项，称第二项为自相关项，第三项为参考臂与样品各层之间的干涉光强，即扫频光学相干层析系统探测到的有效干涉光谱信号，对此干涉光谱数据进行傅立叶变换，即可实现从波数空间到深度空间的转换，获得深度分辨的样品散射强度信息。对干涉光谱信号进行傅立叶变换之后的表达式如式所示：其中，为光源功率谱，AC项为自相关项FFT之后的结果。如图8所示为扫频OCT技术的原理示意图。根据维纳辛钦定理，信号的自相关函数和功率谱密度是一对傅立叶变换对，对于扫频OCT技术而言，通过探测样品光与参考光干涉光谱信号，基于傅立叶变换的信号解决即可恢复样品各层信号和参考镜信号的自相关信号，反映样品的内部结构。图8扫频OCT的原理示意图2.3时域OCT、光谱频域 OCT、扫频OCT的对比传统的时域OCT直接测量干涉信号，而傅立叶域OCT测量干涉信号的光谱，通过对干涉光谱信号进行傅立叶变换重建OCT轴向扫描信号。虽然这种傅立叶域OCT探测方式需要光谱探测装置和额外的信号解决环节，其优点在于样品中所有深度位置的信号同时被探测，而不是传统的时域OCT探测技术中需要对样品进行逐点的深度扫描，先后探测样品各个深度位置处的信息。在系统的成像速度和灵敏度方面都有显著的提高。扫频OCT与谱域OCT的基本原理是相通的，在谱域OCT系统中，光源使用宽带光源，探测部分基于光栅将宽带干涉信号的不同光谱成分投射在线阵CCD的不同像素上，CCD的一次曝光记录一组完整的干涉光谱信号。与扫频OCT中干涉光谱信号是按照时间先后获取的不同，谱域OCT系统将干涉光谱信号编码在不同的空间位置上。谱域OCT系统中使用的CCD是硅基光子探测材料，在800nm波段有很高的灵敏度响应，而在高于1000nm的波段灵敏度迅速下降。虽然谱域OCT在对弱散射组织例如眼睛成像方面有接近完美的表现，但由于随着波长变短，光的散射效应迅速加大，使工作在800nm波段的谱域OCT不适合对散射组织进行成像。例如，对上皮组织进行成像在医学诊断领域很有价值，由于人体癌症细胞多起源于管腔组织(如结肠、食道)的上皮组织。在上皮组织中，密集分布的细胞器(如线粒体、细胞核、细胞膜)可看作一种高散射介质，限制了800nm波段光学成像的穿透深度。类似地，很多种非生物材料对较短波长的光波也表现出很强的散射效应。由于一系列光通信器件(如半导体光放大器、光纤及其光纤型光电器件、hiGaAS探测器)的商业化，扫频OCT系统可以搭建成为工作在1000nm、131onln或1550nm波段的成像系统。因此，能运用较长波长的光波对高散射样品进行光学成像，是扫频OCT系统的一大特色。扫频OCT系统相对谱域OCT系统的另一个优势在于灵敏度下降方面的性能。这两种系统对探测样品较深位置处的信号灵敏度都有所下降。在谱域OCT系统中，由于光谱仪记录干涉光谱信号需要一定的积分时间，在这段时间内由于样品抖动对干涉光谱信号附加一个随机相位跃变，导致干涉光谱信号被平均的结果(通常被称为“fringe washout”效应)。对更高频率的条纹信号探测的不精确性导致相应的灵敏度下降现象。在扫频OCT系统中，灵敏度下降因素是由于扫频光源输出波长具有一定的瞬时线宽引起，相干性随光程差加大而下降，这与谱域OCT系统光谱仪的有限光谱分辨率引起的灵敏度下降相似。当前扫频激光光源可以达成的瞬时线宽在0.060.2nm，与其相应的6dB灵敏度下降深度为37mm。谱域OCT系统中光谱仪的光谱分辨率也能达成与扫频光源瞬时线宽同一量级的光谱分辨率，但由于“washout”效应导致实际的灵敏度下降6dB相应的深度位置在13mm。第三，至今为止，扫频OCT系统能达成比谱域OCT系统更快的成像速度。这要归功于扫频激光技术的快速发展，其中涉及傅立叶域锁模激光技术，也由于商业化的高速数据采集卡的发展。出现的采用傅立叶域锁模激光的扫频OCT系统能达成370KHz的轴向扫描速度，并且其中的核心组件还能支持更高速率的轴向扫描速度。而谱域OCT系统的速度，受限于灵敏度性能和商用线阵探测器阵列的积分时间和读取速度。虽然最近报道了采用新式相机的谱域OCT系统达成312.SKHz的轴向扫描速度，但是其轴向分辨率和灵敏度性能都产生极大的下降。二、光学相干层析技术的应用初期的OCT大多应用于眼科，由于眼睛相对来说属于透光性较好的介质。随着 OCT 技术的不断发展，对于透光性不那么好、散射较强的其他组织，OCT 也逐渐有了许多应用。在过去十几年里，OCT与光纤技术和内窥技术结合，应用扩展到了胃肠道、皮肤、肺部、肾脏、心血管等诸多领域。1、在眼科方面的应用OCT 技术的第一个临床应用领域就是眼科学。由于运用了宽带光源的低相干性，OCT 具有杰出的光学切片能力，可以实现对次表面高分辨率的层析成像，其探测深度远超过传统的共焦显微镜，特别适合眼组织的成像研究，可以提供传统眼科无损诊断技术无法提供的视网膜断层结构图像，不仅能清楚地显示出视网膜的细微结构及病理改变，同时还可以进行观测并做出定量分析，其在眼科诊断方面的研究是 OCT 生物医学应用发展的重点方向之一，对眼科疾病诊断做出重大奉献，目前已成为视网膜疾病和青光眼强有力的诊断工具。 随着 OCT 性能的提高，可以预测 OCT 对眼科将产生更加深远的影响，从而可以提高疾病初期诊断的灵敏度和特异性，改变监测疾病进展的能力。OCT 对于理解视网膜的结构和功能，解释视网膜疾病的发病机理，拟定新型治疗方案，监测疾病治疗效果等方面起着越来越重要的作用。目前在临床上 OCT 重要用于青光眼、黄斑病变、玻璃体视网膜疾病、视网膜下新生血管的初期诊断及术后随诊。 2、在皮肤科方面的应用OCT 技术已经达成人体皮肤成像的目的。高分辨率的 OCT 能检测到人体健康皮肤的表皮层、真皮层、附属器和血管。Welzel等实现了 OCT 系统的人体皮肤成像，成像系统中波长为 830nm，深度分辨率为 15m，探测深度为 0.51.5mm，成像时间为1040s。Wang 等还可以描绘出轴向分辨率10m的在体小鼠皮肤和人体胃肠道的 OCT成像，将甘油和丙二醇涂于小鼠皮肤表面 OCT 成像，可见表皮、表皮基底层，真皮乳头层、真皮网络层，皮下组织，筋膜，肌肉和毛囊。 OCT 可以用于损伤修复监测。Yeh 等用 OCT、多光子显微镜（Multiphoton microscope，MPM）在皮肤组织仿真模型中监测激光热损伤和随后的损伤修复。离体的皮肤组织仿真模型由具有1型胶原蛋白、纤维细胞的真皮和不同角蛋白酶的表皮组成。非侵入性光成像技术被用作随时间变化的基质损伤和修复的系列测量，并与组织病理学检查结果对比。3、在心血管系统的应用OCT 作为非侵入性检测技术用于活体血液成像，在生物医学研究和临床诊断中具有很大的价值。光学多普勒层析成像（Optical Doppler tomography，ODT）是将激光多普勒流量计与 OCT相结合，也称作彩色多普勒相干层析成像（Color Doppler optical coherence tomography，CDOCT），可达成人体血流的高分辨率成像和实时检测。Chen 等用 ODT 获得了在体鸡胚绒毛膜和啮齿类动物肠系膜的活体血流层析速度成像，并监测对于血管活性药物的干预和光动力学治疗后血流动力学的改变及血管结构的变化。4、非医学领域的应用OCT 研究的最初目的是为生物医学的层析成像，并且医学应用仍然继续占主导地位。除了在医学领域的应用，随着 OCT 技术的发展，OCT 技术正在向其他领域推动，特别是工业测量领域，如位移传感器、薄底片的厚度测量以及其他可以转换成位移的被测物的测量。最近，低相干技术已作为高密度数据存储的关键技术。OCT 技术还可用于测量高散射聚合物分子的残余孔隙、纤维构造和结构的完整性。还可以用于测量材料的镀层。OCT 技术还能用于材料科学，J.P.Dunkers 等人使用OCT 技术对复合材料进行了无损伤的检测。 M.Bashkansky 等人运用 OCT 系统对陶瓷材料进行了检测，拓展了 OCT 技术的应用范围。S.R.Chinn 等还对 OCT 在高密度数据存储中的应用进行了研究，实现多层光学存储和高探测灵敏度。三、国内外研究团队介绍1、国外的研究团队：（总结了文献中多次提到的这些国外研究团队的突出奉献）1)美国麻省理工大学的 Fujimoto 研究小组：与 David Huang初次提出光学相干层析技术。光谱OCT研究的先驱，最早开展偏振 OCT的研究，初次建立了基于自由光学元件的偏振 OCT 系统。2)维也纳大学的 Fercher 研究小组：1993 年，Fercher 等人发表了第一张人类眼底活检 OCT 断层照片，于 1995 年初次提出频域 OCT 技术并从理论上论证了其可行性。3)美国麻省理工学院的 Wojtkowski：2023年初次从实验上验证频域 OCT 技术，获得了第一幅人体在体视网膜 OCT 图像，指出了频域 OCT 在成像速度和信噪比两方面相比时域 OCT 有巨大的改善和提高。2023 年，运用超宽带光源实现了超高分辨率的频域OCT。4)美国麻省理工学院的Potsaid：2023年将cMos探测器引入谱域ocT系统之后才真正实现了谱域ocT系统成像速度的突破。5)美国加州大学欧文分校 Beckman 实验室的的Zhongping Chen和J.S. Nelson研究组：Chen 小组采用掺杂的光子晶体光纤可以实现中心波长在 1m，抱负分辨率为 2.1m 的超高分辨率 OCT。并基于位相分离技术，成功地将多普勒 OCT 应用于鲜红斑痣的激光治疗，药物对血流的影响，大脑血流分布，以及微流体芯片中流体动态测量等诸多研究中。此外，美国Oregon Health & Science University的Ruikang Wang研究组。美国伊利诺斯大学的 Boppart 研究小组、西澳大利亚大学的 Sampson 研究小组、美国西储大学的 Izatt 研究小组、英国 Keele 大学的 Ruikang Wang 研究小组及香港科技大学的Schmitt 研究小组等科研机构在这方面做了相称多的工作。2、国内的研究团队（每个研究团队下面都有一些老师在研究，以及一些硕博文献，列出了一些老师的名字，总结了每个团队的研究内容）1) 天津大学光电信息技术实验室，运用蒙特卡洛模拟研究OCT的图像对比度，探讨了OCT探测深度，图像清楚度，图像散斑；还提出一种高速OCT成像技术，将传统的点聚焦成像模式改变为线聚焦成像模式。（姚晓天、刘铁根、郁道银）2) 浙江大学现代光学仪器实验室，对OCT实验系统及轴向分辨率进行了研究，并运用蒙特卡洛模拟OCT成像系统。（丁志华）3) 华中科技大学的OCT研究，对OCT轴向图像的形成机理及传递函数进行了剖析。（曾绍群、骆清铭）4) 中科院的上海光机所，在对共焦扫描成像理论研究的基础上对OCT进行了实验研究，以及运用品有三维能力扫描OCT装置对生物样品藕横向和轴深方向扫描的后向散射光，得到藕的轴深方向的断层像。（王向朝、宋桂菊） 5) 清华大学的单原子测控实验室，进行了激光CT的光散射模拟计算，以及OCT实验系统研究与图像解决研究。（薛平、袁韬）6） 清华大学深圳研究生院光学检测实验室，着力于OCT应用及产业化研究，目前已经开发出较为成熟的眼科用的OCT，以及与手术显微镜结合可用于临床诊断OCT，珠宝检测用OCT等一系列产品样机。（何永红）清华大学后与深圳莫廷影像技术有限公司合作，将其研究成果转化为产品，2023 年，深圳市莫廷影像技术有限公司与清华大学、华南师范大学等多家高校和科研单位进行紧密合作和技术交流而后，成为中国第一家专业研制 OCT 仪器的公司从而填补了国内空白。7) 华南师范大学信息光电子科技学院光子中医学实验室，重要运用OCT对中医的舌诊进行研究，以及各种溃疡组织的愈合过程的研究。8) 南开大学光电子中心，对1300nm的光学层析成像，生物组织折射率，蒙特卡洛图象重建进行了研究。（王新宇、张春平、张连顺）四、国内外厂商及产品介绍1、国内外各厂商介绍德国的蔡司和海德堡，两者都比较贵，性能当然是很不错了，两者都生产眼前节和眼底OCT，是很主流的OCT生产商；日本的拓普康和Tomey，这两个公司一方面在美国和日本都有研发部门，另一方面和日本筑波大学的合作很密切，技术很先进。拓普康重要是做眼底OCT，普康占领着最大的中国市场，性能不错，同档次的机型比德国那两家便宜一些；Tomey重要做眼前节的OCT，在眼前节OCT领域处在行业领先位置；美国的OCT公司也不少，Optovue是做得不错的一家，他们就是和麻省理工的Fujimoto研究组和俄勒冈健康医学大学的David Huang研究组直接合作的，这两个人就是时域OCT的发明人；中国的OCT公司据有深圳的莫廷，这个公司重要是依托清华大学的技术。在技术方面也许不如德日美的那几个公司，产品的性价比当然是最高的，并且售后服务都很方便。具体的价位很难说，各公司都是机密的，需要去联系客服询问各个型号的参数和报价，价位不也许给出很明确的数字的，由于OCT方面的技术发展还是不久的，硬件软件的更新都有也许导致价格变动。蔡司海德堡拓普康和optovue的性能领先，互相之间各有优势劣势，中国的莫廷最便宜。2、国内外各厂商产品介绍（目前的产品重要是应用于眼科，频域技术，每个厂商找了一些代表性的产品以及产品性能参数）德国-蔡司：第三代产品Stratus OCT第四代产品Cirrus HD-OCT，CIRRUS HD-OCT 4000（临床科研型OCT），CIRRUS HD-OCT 400（临床应用型OCT）第五代产品：CirrusHD-OCT 5000和500两款OCT系统表CirrusHD-OCT 5000和500参数日本-拓普康:代表产品：3D OCT-2023德国-海德堡OCT: 海德堡的OCT轴向分辨率是5微米，横向分辨离是6微米；其他所有品牌的OCT，虽然轴向分辨率也是5微米，但横向分辨率都在10微米以上。代表产品：SPECTRALI S OCT，自动追踪眼球运动的频域OCT 超高速频域OCT中国-莫廷：OCT代表产品：MOcean 3000/3000 Plus美国-Optovue:Avanti Widefield Enface OCT表Avanti Widefield Enface OCT参数