相干光断层扫描(optical coherence tomography,OCT)是一种具有高分辨、非侵入性特点的医学成像技术,现已广泛应用于生物组织的非损伤性成像。OCT的基本原理与B超类似,区别在于它所使用的成像介质为光。将光照射在生物组织中,利用光的干涉原理获得被组织吸收后散射回来的光,再用探测器分析获得数据,属于非损伤性成像设备,比较安全,因此,高分辨率OCT系统广泛应用于眼科疾病诊断,是目前眼科仪器发展的重要前沿。
OCT有两种主要技术手段,时域OCT(time domain optical coherence tomography,TD-OCT)和傅里叶域OCT(Fourier domain optical coherence tomography,FD-OCT)。
由低相干光源超辐射发出的光耦合进入单模光纤,被光纤耦合器均分为两路,一路是参考光,是由透镜进入并从平面反射镜返回的光;另一路是样品光,是经透镜聚焦到被测样品的光。由反射镜返回的参考光与被测样品的后向散射光在探测器上汇合,当两臂的光程差在宽光谱光源相干长度的范围内(即光程差<光源的相干长度),两束光便发生干涉,再把干涉信号输出到探测器,信号的强度对应样品的反射强度,经过解调电路的处理,最后由采集卡采集到计算机进行灰度成像。其中,轴向平移参考镜实现轴向扫描,横向平移样品臂对光束进行横向扫描,通过纵向移动反射镜位置并记录相应的干涉信号强度即可获得样品不同深度( z 方向)的测量数据,再结合采样光束在横向( x - y 平面)的扫描,所得结果经计算机处理,可获得样品的三维结构信息(图1-1-1)。
图1-1-1 时域OCT的基本原理图
TD-OCT出现后,迅速得到大量学者的关注和广泛应用,但其缺点也慢慢显现出来。首先,其在进行轴向扫描时,由于扫描机器的限制,使测量速度变慢。其次,由于信噪比局限在90dB以下,它不能满足高信噪比成像的需求。针对这些缺点,FD-OCT应运而生,FD-OCT将代表样品不同深度信息的光束统一收集后,通过傅里叶变换即可计算出样品深度的强度信息,从而解决了轴向扫描带来的速度减慢问题。FD-OCT应用的信噪比公式,也使FD-OCT拥有较高的信噪比。
FD-OCT根据获得干涉光谱的方法不同分为两种,一种基于扫频光源,另一种基于光谱仪,前者称为扫频光源相干光层析成像(swept source optical coherence tomography,SS-OCT),后者称为频域相干光层析成像(spectral domain optical coherence tomography,SD-OCT)。
视网膜成像使用的OCT采用830nm超级发光二极管作为扫描光源,较短的830nm波长(近红外系统)可提供较高的轴向分辨率,但它不能穿过角膜缘,因此看不到角膜缘和房角结构。要克服这一不足需要提高扫描光的穿透力,可以通过增加扫描光的波长来实现。此外,后节OCT对角膜成像速度慢,易产生运动伪像使图像像素较低。眼前节全景OCT(anterior segment optical coherence tomography,AS-OCT)的出现解决了这些问题,AS-OCT具备以下特点:①采用1 310nm的超级发光二极管作为扫描光源;②图像采集速度快,消除了运动伪像,使眼前节结构测量更加准确;③成像时间短,可以实现对较大区域进行快速扫描,所以图像宽幅足以使整个角膜和前房一次就能成像;④可观察眼前节的快速动态变化,比如不同照明环境及调节状态引起的眼前节改变;⑤操作过程简单,图像分辨率高。AS-OCT作为一种非接触式,无创成像技术来捕获眼前节的图像,可以对角膜厚度、前房深度、虹膜厚度,并对角膜、房角及虹膜进行成像。但OCT光束的横向光斑比较大,其OCT图像在横向上的分辨率和放大倍数都比较低,焦点在角膜、前房角和眼前节时,其分辨率分别为18μm、22μm、44μm。从TD-OCT到SD-OCT的技术变化极大地提高了OCT设备的图像采集速度和分辨率,从而可以清晰地描绘眼前节组织。用SD-OCT仪器扫描,提供更高的图像采集速度和更短的波长,从而使其能够提高4~7μm的轴向分辨率,它的水平扫描宽度为3~6mm。SS-OCT和SD-OCT的形式略有不同,其波长为1 310nm,水平扫描宽度为16mm。凭借更长波长的光源和更高的穿透性能,扫频光源OCT可提供来自更深区域的信号。而超高分辨率OCT技术的特点是轴向分辨率为1~4μm,可以对眼前节进行更精确的成像,一般用于科学研究。AS-OCT在不同的眼条件下有多种用途,以测量各种眼前节参数。例如,OCT对角膜进行成像时,扫描每到组织交界处即出现高反射,呈现一个峰,第一个峰和最后一个峰之间的距离为角膜厚度,而第一个峰和第二个峰之间的距离则为角膜上皮厚度。利用OCT对角膜厚度的测量值与超声生物测量有高度的一致性,具有高准确性和可重复性,不但可测量全角膜厚度、角膜上皮厚度,还可通过计算得出角膜曲率,也可用于屈光手术前后监测角膜的改变。当然,AS-OCT在其他眼前节结构的成像中也占有很大的优势。