光学相干断层扫描（OCT）： 简介

如果您看过验光师，他们可能会使用光学相干断层扫描（OCT）来扫描您的视网膜。这项新技术使用低相干干涉仪对半透明组织进行成像。作为一种非侵入性技术，它的另一个好处是可以对有危险或无法通过活检取样的组织进行成像。这使得 OCT 成为诊断疾病的有力工具。在这篇博文中，我们将介绍 OCT 及其目前在医学领域的各种应用方式，以及一些优点和局限性： 

光学相干断层扫描是如何工作的？
OCT 如何用于验光？
光学相干断层扫描还能如何使用？
光学相干断层血管成像（OCTA）
非透明组织
光学相干断层扫描的优点和局限性
光学相干断层扫描是如何工作的？
光学相干断层扫描通常与超声波相提并论，因为两者都是利用波来成像器官和组织。但两者的主要区别在于，超声波使用声波，而声波是通过介质的压缩和稀释运动的。在超声波检查过程中，换能器会将电信号转换成超声波，然后对准目标组织。这些波的传播速度比光慢得多，声波从目标组织反弹时产生的回声可以被精确测量。相比之下，OCT 使用光波，光波的传播速度为 10^8 m/s，因此无法检测到几毫米传播速度的光的时间延迟。OCT 使用干涉测量法来测量光波的时间延迟，这样做的另一个好处是大大提高了图像的分辨率。

OCT 使用一种称为迈克尔逊干涉测量法（Michelson Interferometry）的干涉测量法，如下图所示。在这种干涉仪的最简单版本中，一束光被分成参考光束和样本光束，并被送往两面镜子。参考光束射向一个固定的反射镜，然后反射回检测器。 而样品光束则反射到一个可移动的镜子上，这个镜子可以沿着光束的路径进行调整。由于光束路径长度的任何变化都与光束相位的变化直接相关，因此两束光会相互干扰。这样就可以测量距离的微小变化。

(左）迈克尔逊干涉仪插图。不列颠百科全书》提供。(右图）低相干光入射到多层半透明样品上的示意图。Novacam 公司提供。

在 OCT 的情况下，不是使用镜子反射样品光束，而是由目标组织将光散射或反射回探测器。在大多数情况下，入射光为高斯光束，带宽较大，跨越多个波长的光（可见光或近红外）。带宽大的光线相干性低。当低相干性光线入射到由多个半透明层（如组织）组成的样品上时，不同波长的光线会在不同的边界反射，如上图（右）所示。值得注意的是，OCT 扫描会产生两种类型的图像。A 扫描是扫描组织时产生的横截面。B 扫描是将一个区域的 A 扫描序列合并成一个更大的图像，从上方显示组织结构。

检查过程中可使用三种 OCT：时域、光谱域和扫源 OCT。时域 OCT 比谱域 OCT 使用更少的图像，图像之间有间隔（如上图中的绿色线条所示）。频谱域 OCT 连续捕捉感兴趣区域的图像，通过傅立叶变换与时域 OCT 联系起来，可以使用计算机上的 FFT 功能进行变换。扫源 OCT，顾名思义，就是扫描频率范围并记录断层信息。如今，大多数 OCT 设备都结合使用频谱域和扫源 OCT。

光学相干断层扫描如何用于验光？
目前，光学相干断层扫描在验光配镜中主要用于视网膜成像，以筛查各种眼病，如青光眼或糖尿病视网膜病变。在检查过程中，瞳孔放大非常重要，以便让尽可能多的光线进入眼内。然后，验光师会对视网膜进行一系列横截面扫描。然后将这些横截面汇总成表面视图图像（B 扫描）。这将详细显示视网膜的各个层次，并能发现疾病，由于视网膜无法进行活组织检查，因此这一点尤为重要。

(a) 由多个 A 扫描（右）合成的视网膜 OCT B 扫描（左）示例。(b）（a）中 OCT 扫描的三维重建图。神经科学百科全书》提供

目前，OCT 在检测疾病方面有多种用途，其中最常见的是青光眼。青光眼是由于眼内液体过多，造成眼内压力失衡所致。在使用 OCT 检测患者青光眼症状时，验光师会寻找压力积聚的迹象。这看起来就像视神经变宽或组织层变薄。

OCT 还可用于检测糖尿病视网膜病变，这种病变是由视网膜血管受损引起的。它还用于检测黄斑皱褶、孔洞和老化引起的变性。这些都是视网膜中导致视力下降的结构性问题，通过 OCT 可以很容易地看到。

OCT 的其他用途？
作为一种非侵入性技术，人们非常希望在医学成像中找到 OCT 的其他用途。在此，我们将讨论检查血管（OCTA）和非透明组织的用途：

光学相干断层扫描血管造影（OCTA）
血管造影是对血管或淋巴管的检查。当 OCT 应用于视网膜的血管时，光线会被移动的血细胞反射。传统的血管造影（荧光素和吲哚菁绿血管造影）需要向目标区域注射染料，因此具有侵入性。另一方面，OCT 是无创的，而且获取图像所需的时间更短，因为染料需要时间才能正确覆盖感兴趣的区域。

与典型的 OCT 扫描不同，OCTA 需要对同一区域进行多次扫描，才能观察到血管中的血流情况。这就带来了一个并发症，即病人的移动和眨眼会在图像中产生伪影。这可以通过使用高采样率（在极短的时间内拍摄图像）或使用光谱域 OCT 来解决。

通常情况下，OCTA 的表现就像改进的 OCT 扫描，不过这种技术也有一些独特的优势。例如，2019 年，杜克健康发布的一项研究表明，OCTA 可用于检测阿尔茨海默病患者，因为这些患者视网膜中的血管密度低于健康患者。

 

健康眼睛的 OCT 血管造影，详细显示视网膜的血管结构。在图像底部附近可以看到一个不连续的伪影。美国眼科学会提供

用于非透明组织的 OCT
人们对在非透明组织中使用 OCT 进行了大量研究，希望它能用于癌症组织的初步筛查或对无法进行活检的组织进行成像。由于不需要从受检者身上提取样本，因此可以对有危险或无法活检的部位进行精确成像。虽然非透明组织会吸收大部分可见光波长，但在某些波长下它是透明的。特别是波长较长的光线（如近红外），从扫描组织上散射的光线较少。相反，光线在反射之前会穿透组织。最佳的光波长取决于组织的特性，但在大多数情况下，1300 纳米附近的波长效果较好。

OCT 的优点和局限性
OCT 不太可能取代传统的活组织检查。不过，它为检查组织疾病提供了一种有用的工具，尤其是对活检有危险的组织，如脑组织。在其他成像或诊断方式出现高假阴性率的情况下，它也能提供帮助。OCT 的高分辨率图像能提供更多低分辨率成像可能遗漏的细节。最后，由于 OCT 可实时生成图像，因此可在手术过程中使用，以提供更多信息和指导。 

由于 OCT 需要光线传播，因此在光线受阻（如白内障）的情况下无法使用。在这种情况下需要使用不同的技术。OCT 的轴向分辨率或纵向分辨率也受到限制。 光线只能穿透几毫米以内的组织，这通常与活检深度相当。然而，当目标区域需要更大深度的成像时，这就成了一个问题。最后，病人的移动也限制了 OCT 的效果，因为这会在最终图像中产生伪影。许多 OCT 机器都有校准软件，可以将患者移动的影响降至最低，但有些影响是无法减轻的。例如，如果患者在扫描过程中眨眼，B 扫描中就会出现黑线。解决这个问题的唯一方法就是再次扫描遗漏的区域。