OCT关键技术调研专业资料.doc

从四个方面简介：1、OCT简介；2、OCT技术应用；3、国内外研究团队简介；4、国内外厂商及产品简介。一、OCT简介 光学相干层析（Optical Coherence Tomography，简称 OCT）是 20 世纪 90 年代初发展起来低损、高辨别、非侵入式医学、成像技术。它原理类似于超声成像，不同之处是它运用是光，而不是声音。相比其他某些成像技术，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 技术具备与之相比较高辨别率（几微米级），同步，与共聚焦显微（Confocal Microscopy）、多光子显微技术（Multiphoton Microscopy）等超高辨别技术相比，OCT 技术又具备与之相比较大层析能力，如图1所示。可以说 OCT 技术弥补了这两类成像技术之间空白，在眼科、皮肤、胃肠道、肾脏、血管等诸多领域有着广泛应用前景。图1 OCT 与其他成像技术对比OCT 技术手段方面，依照探测信号类型不同，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特点。系统选用光源为宽带光源，惯用是超辐射发光二极管(SLD)。光源发出光经22耦合器分别通过样品臂和参照臂照射到样品和参照镜，两个光路中反射光在耦合器中汇合，而两臂光程差只有在一种相干长度内才干发生干涉信号。同步由于系统样品臂是一种共焦显微镜系统，探测光束焦点处返回光束具备最强信号，可以排除焦点外样品散射光影响，这是OCT可以高性能成像因素之一。把干涉信号输出到探测器，信号强度相应样品反射强度，通过解调电路解决，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 成像主旨就是要得到样品不同深度反射率分布。如果参照镜处反射率一定，那么由于样品构造不均匀性，从样品不同深度散射回来光强度就不同，因此当两臂光相遇时产生干涉信号里就带有样品不同深度光反射率信息。由宽带光源低相干性可知，OCT干涉仪可以获得较窄相干长度，保证轴向扫描成像辨别率在微米级。对于窄带光源，如图3(a)所示，由于其相干长度很长，在相称大光程差范畴内都能输出干涉条纹变化。这样干涉条纹对比度与两臂光程差变化几乎无关，无法拟定零级条纹位置，则无法找到等光程点，失去了精准定位功能。而对于宽带光源而言，如图3(b)所示，只有当两臂光程差在这个很短相干长度之内时，探测器才干检测到干涉条纹对比度变化。并且，在对比度最大地方相应着等光程点，随着光程差增长，对比度迅速锐减，因而具备较好层析定位精度。于是可移动参照臂反射扫描镜，来寻找变化后平衡点，通过测量反射扫描镜变化先后位移即可测得相应光纤传感器长度变化。图3 窄带光源与宽带光源相干长度比较由于光源为低相干宽带光源，故其相干长度极短。而只有当参照臂和测量臂光程差在光源一种相干长度之内时，背向散射光和参照光才会产生干涉，且当光程差接近零时才具备最大相干强度。因而，随着参照镜轴向移动，可选取样品中与之光程相等层来进行成像，而其她层信息将被滤掉，从而实现了层析成像。图4所示为一种简朴组织一次纵向扫描成果。此样品组织由两层构成，折射率分别为n1和n2，与空气折射率 n 不同。样品臂中，在两种不同折射率介质交界面处会发生反射。当参照臂反射镜扫描时，探测器输出端可以看到两个干涉信号。其中第一种干涉信号相应着空气与组织层1交界面，第二个干涉信号相应着组织层1与组织层2交界面。在载波频率处解调，就可以得到原始干涉信号光强。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 在近年来徐徐取代了时域 OCT，其重要因素在于其无需在参照臂中进行光程扫描，直接一次性获取纵向扫描。如此，频域OCT 系统成像速度将得到极大提高。时域 OCT 采集是随参照臂光程变化强度信号，它每一种纵向扫描时间都等于参照臂光程变化一种周期时间。频域 OCT 参照臂无需扫描，它一次性地采集某一横向位置深度方向干涉光谱信号，也就是频域信号。深度方向时域信号就编码在这个光谱里。每一种纵向扫描实际就相应一种干涉光谱，对光谱做傅里叶变换即可恢复出时域信号。频域 OCT 省去了老式时域 OCT 当中深度扫描时间，极大提高了成像采集速度。获得干涉光谱当前重要有两种办法，一种是基于光谱仪，另一种是基于扫频光源。前者咱们称之为光谱频域 OCT（Spectral Domain OCT， SD-OCT），后者咱们称之为扫频 OCT（Swept Source OCT， SS-OCT）。如图5所示，SD-OCT是通过一种基于光栅和透镜光谱仪，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。如图6所示，SS-OCT则是通过采用一种输出波长随时间高速扫描扫频光源，再通过探测器记录下每一波长信号进而得到干涉光谱。图5 基于光谱仪频域OCT基本光路图6 基于扫频光源频域OCT基本光路2.1光谱频域OCT技术原理如图3所示，若光源是一种具备高斯线型宽带低相干光源，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，而是一种具备多层构造物质，每层有不同反射率。检测到信号表达式为：上式中，R 代表参照臂反射率，、分别代表样品第 i、j 层反射率。表达样品第 i 层与参照臂光程差，表达样品第 i层与第 j 层之间光程差。上式前两项依然表达直流本底项，第三项是互相干项，表达样品不同层反射光与参照光干涉信号，第四项是自有关项，表达样品不同层之间干涉。表达对于不同波数光光强，可以通过测量干涉信号光谱得到。要得到样品内部深度方向构造信息，也即反射率信息，咱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形式，也是光源相干函数包络。z 表达样品某层与参照臂光程差，如果将零光程差点放置在样品表面，z 表达信号距离样品表面距离，也即深度。前两项依然是直流项，出当前 z=0 位置，第三项反映样品深度方向信息，不同层反射率信息都记录在该项中。最后一项是自有关项，由于样品中各层反射率普通比较小，远远不大于参照臂反射率，故此项较小，且出当前 z=0 位置附近。系统测量臂进行横向扫描，对每个横向扫描位置采集到干涉光谱信号进行傅里叶变换，最后拼接在一起，就能得到样品各层横截面图像。频域 OCT 探测原理可以用图7来阐明。参照臂和样品臂返回干涉信号被光栅分光、聚焦后打在线阵CCD 上，CCD每一种像素都接受某波长干涉光谱，由于受到光程差调制，CCD上会接受到明暗相间振荡信号，振荡频率取决于样品与参照臂光程差。对该信号做逆傅里叶变换后即可恢复出样品深度方向构造信息。图7 频域 OCT 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光学频域测距(OFDR)技术在原理上是相通。在大多数使用单点探测器扫频OCT系统中，干涉光谱强度如式所示，其中，为从参照臂返回到探测器光功率，为照射到样品上光功率，和分别代表样品深度方向上反射系数幅度和相位，为光源相干函数，代表随时间变化波数，z代表样品深度坐标。在上式等号右边，第一项代表从参照臂返回光强，第二项为从样品各层返回光强以及样品各层之间干涉光强，前两项代表会对最后得到图像形成干扰背景噪声信号，普通称第一项为直流项，称第二项为自有关项，第三项为参照臂与样品各层之间干涉光强，即扫频光学相干层析系统探测到有效干涉光谱信号，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转换，获得深度辨别样品散射强度信息。对干涉光谱信号进行傅立叶变换之后表达式如式所示：其中，为光源功率谱，AC项为自有关项FFT之后成果。如图8所示为扫频OCT技术原理示意图。依照维纳辛钦定理，信号自有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照光干涉光谱信号，基于傅立叶变换信号解决即可恢复样品各层信号和参照镜信号自有关信号，反映样品内部构造。图8扫频OCT原理示意图2.3时域OCT、光谱频域 OCT、扫频OCT对比老式时域OCT直接测量干涉信号，而傅立叶域OCT测量干涉信号光谱，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信号解决环节，其长处在于样品中所有深度位置信号同步被探测，而不是老式时域OCT探测技术中需要对样品进行逐点深度扫描，先后探测样品各个深度位置处信息。在系统成像速度和敏捷度方面均有明显提高。扫频OCT与谱域OCT基本原理是相通，在谱域OCT系统中，光源使用宽带光源，探测某些基于光栅将宽带干涉信号不同光谱成分投射在线阵CCD不同像素上，CCD一次曝光记录一组完整干涉光谱信号。与扫频OCT中干涉光谱信号是按照时间先后获取不同，谱域OCT系统将干涉光谱信号编码在不同空间位置上。谱域OCT系统中使用CCD是硅基光子探测材料，在800nm波段有很高敏捷度响应，而在高于1000nm波段敏捷度迅速下降。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体现，但由于随着波长变短，光散射效应迅速加大，使工作在800nm波段谱域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来源于管腔组织(如结肠、食道)上皮组织。在上皮组织中，密集分布细胞器(如线粒体、细胞核、细胞膜)可看作一种高散射介质，限制了800nm波段光学成像穿透深度。类似地，诸各种非生物材料对较短波长光波也体现出很强散射效应。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)商业化，扫频OCT系统可以搭建成为工作在1000nm、131onln或1550nm波段成像系统。因而，能运用较长波长光波对高散射样品进行光学成像，是扫频OCT系统一大特色。扫频OCT系统相对谱域OCT系统另一种优势在于敏捷度下降方面性能。这两种系统对探测样品较深位置处信号敏捷度均有所下降。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种随机相位跃变，导致干涉光谱信号被平均成果(普通被称为“fringe washout”效应)。对更高频率条纹信号探测不精准性导致相应敏捷度下降现象。在扫频OCT系统中，敏捷度下降因素是由于扫频光源输出波长具备一定瞬时线宽引起，相干性随光程差加大而下降，这与谱域OCT系统光谱仪有限光谱辨别率引起敏捷度下降相似。当前扫频激光光源可以达到瞬时线宽在0.060.2nm，与其相应6dB敏捷度下降深度为37mm。谱域OCT系统中光谱仪光谱辨别率也能达到与扫频光源瞬时线宽同一量级光谱辨别率，但由于“washout”效应导致实际敏捷度下降6dB相应深度位置在13mm。第三，至今为止，扫频OCT系统能达到比谱域OCT系统更快成像速度。这要归功于扫频激光技术迅速发展，其中涉及傅立叶域锁模激光技术，也由于商业化高速数据采集卡发展。浮现采用傅立叶域锁模激光扫频OCT系统能达到370KHz轴向扫描速度，并且其中核心组件还能支持更高速率轴向扫描速度。而谱域OCT系统速度，受限于敏捷度性能和商用线阵探测器阵列积分时间和读取速度。虽然近来报道了采用新式相机谱域OCT系统达到312.SKHz轴向扫描速度，但是其轴向辨别率和敏捷度性能都产生极大下降。二、光学相干层析技术应用初期OCT大多应用于眼科，由于眼睛相对来说属于透光性较好介质。随着 OCT 技术不断发展，对于透光性不那么好、散射较强其她组织，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、在眼科方面应用OCT 技术第一种临床应用领域就是眼科学。由于运用了宽带光源低相干性，OCT 具备出众光学切片能力，可以实现对次表面高辨别率层析成像，其探测深度远超过老式共焦显微镜，特别适合眼组织成像研究，可以提供老式眼科无损诊断技术无法提供视网膜断层构造图像，不但能清晰地显示出视网膜细微构造及病理变化，同步还可以进行观测并做出定量分析，其在眼科诊断方面研究是 OCT 生物医学应用发展重点方向之一，对眼科疾病诊断做出重大贡献，当前已成为视网膜疾病和青光眼强有力诊断工具。 随着 OCT 性能提高，可以预测 OCT 对眼科将产生更加深远影响，从而可以提高疾病初期诊断敏捷度和特异性，变化监测疾病进展能力。OCT 对于理解视网膜构造和功能，解释视网膜疾病发病机理，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作用。当前在临床上 OCT 重要用于青光眼、黄斑病变、玻璃体视网膜疾病、视网膜下新生血管初期诊断及术后随诊。 2、在皮肤科方面应用OCT 技术已经达到人体皮肤成像目。高辨别率 OCT 能检测到人体健康皮肤表皮层、真皮层、附属器和血管。Welzel等实现了 OCT 系统人体皮肤成像，成像系统中波长为 830nm，深度辨别率为 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辨别率10m在体小鼠皮肤和人体胃肠道 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损伤修复。离体皮肤组织仿真模型由具有1型胶原蛋白、纤维细胞真皮和不同角蛋白酶表皮构成。非侵入性光成像技术被用作随时间变化基质损伤和修复系列测量，并与组织病理学检查成果对比。3、在心血管系统应用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备很大价值。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），可达到人体血流高辨别率成像和实时检测。Chen 等用 ODT 获得了在体鸡胚绒毛膜和啮齿类动物肠系膜活体血流层析速度成像，并监测对于血管活性药物干预和光动力学治疗后血流动力学变化及血管构造变化。4、非医学领域应用OCT 研究最初目是为生物医学层析成像，并且医学应用依然继续占主导地位。除了在医学领域应用，随着 OCT 技术发展，OCT 技术正在向其她领域推动，特别是工业测量领域，如位移传感器、薄底片厚度测量以及其她可以转换成位移被测物测量。近来，低相干技术已作为高密度数据存储核心技术。OCT 技术还可用于测量高散射聚合物分子残存孔隙、纤维构造和构造完整性。还可以用于测量材料镀层。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 技术应用范畴。S.R.Chinn 等还对 OCT 在高密度数据存储中应用进行了研究，实现多层光学存储和高探测敏捷度。三、国内外研究团队简介1、国外研究团队：（总结了文献中多次提到这些国外研究团队突出贡献）1)美国麻省理工大学 Fujimoto 研究小组：与 David Huang初次提出光学相干层析技术。光谱OCT研究先驱，最早开展偏振 OCT研究，初次建立了基于自由光学元件偏振 OCT 系统。2)维也纳大学 Fercher 研究小组：1993 年，Fercher 等人刊登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 Wojtkowski：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 有巨大改进和提高。 年，运用超宽带光源实现了超高辨别率频域OCT。4)美国麻省理工学院Potsaid：将cMos探测器引入谱域ocT系统之后才真正实现了谱域ocT系统成像速度突破。5)美国加州大学欧文分校 Beckman 实验室Zhongping Chen和J.S. Nelson研究组：Chen 小组采用掺杂光子晶体光纤可以实现中心波长在 1m，抱负辨别率为 2.1m 超高辨别率 OCT。并基于位相分离技术，成功地将多普勒 OCT 应用于鲜红斑痣激光治疗，药物对血流影响，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 UniversityRuikang Wang研究组。美国伊利诺斯大学 Boppart 研究小组、西澳大利亚大学 Sampson 研究小组、美国西储大学 Izatt 研究小组、英国 Keele 大学 Ruikang Wang 研究小组及香港科技大学Schmitt 研究小组等科研机构在这方面做了相称多工作。2、国内研究团队（每个研究团队下面均有某些教师在研究，以及某些硕博文献，列出了某些教师名字，总结了每个团队研究内容）1) 天津大学光电信息技术实验室，运用蒙特卡洛模仿研究OCT图像对比度，探讨了OCT探测深度，图像清晰度，图像散斑；还提出一种高速OCT成像技术，将老式点聚焦成像模式变化为线聚焦成像模式。（姚晓天、刘铁根、郁道银）2) 浙江大学当代光学仪器实验室，对OCT实验系统及轴向辨别率进行了研究，并运用蒙特卡洛模仿OCT成像系统。（丁志华）3) 华中科技大学OCT研究，对OCT轴向图像形成机理及传递函数进行了剖析。（曾绍群、骆清铭）4) 中科院上海光机所，在对共焦扫描成像理论研究基本上对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后向散射光，得到藕轴深方向断层像。（王向朝、宋桂菊） 5) 清华大学单原子测控实验室，进行了激光CT光散射模仿计算，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，当前已经开发出较为成熟眼科用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伙，将其研究成果转化为产品， 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伙和技术交流而后，成为中华人民共和国第一家专业研制 OCT 仪器公司从而弥补了国内空白。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对中医舌诊进行研究，以及各种溃疡组织愈合过程研究。8) 南开大学光电子中心，对1300nm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、国内外厂商及产品简介1、国内外各厂商简介德国蔡司和海德堡，两者都比较贵，性能固然是很不错了，两者都生产眼前节和眼底OCT，是很主流OCT生产商；日本拓普康和Tomey，这两个公司一方面在美国和日本均有研发部门，另一方面和日本筑波大学合伙很密切，技术很先进。拓普康重要是做眼底OCT，普康占领着最大中华人民共和国市场，性能不错，同档次机型比德国那两家便宜某些；Tomey重要做眼前节OCT，在眼前节OCT领域处在行业领先位置；美国OCT公司也不少，Optovue是做得不错一家，她们就是和麻省理工Fujimoto研究组和俄勒冈健康医学大学David Huang研究组直接合伙，这两个人就是时域OCT创造人；中华人民共和国OCT公司据有深圳莫廷，这个公司重要是依托清华大学技术。在技术方面也许不如德日美那几种公司，产品性价比固然是最高，并且售后服务都很以便。详细价位很难说，各公司都是机密，需要去联系客服询问各个型号参数和报价，价位不也许给出很明确数字，由于OCT方面技术发展还是不久，硬件软件更新均有也许导致价格变动。蔡司海德堡拓普康和optovue性能领先，互相之间各有优势劣势，中华人民共和国莫廷最便宜。2、国内外各厂商产品简介（当前产品重要是应用于眼科，频域技术，每个厂商找了某些代表性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-德国-海德堡OCT：海德堡OCT轴向辨别率是5微米，横向辨别离是6微米；其她所有品牌OCT，虽然轴向辨别率也是5微米，但横向辨别率都在10微米以上。代表产品：SPECTRALI S OCT，自动追踪眼球运动频域OCT 超高速频域OCT中华人民共和国-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