断层扫描成像新技术——光学相干计算机断层摄影术
作者：薛平 钱俊雯 刘志荣 陈瓞延
单位：薛 平 陈瓞延 清华大学单原子分子测控实验室北京市，100084；钱俊雯 清华大学图书馆信息参考部；刘志荣 苏州广播电视报计算机室
关键词：
中国激光医学杂志990216 断层扫描成像技术是人类疾病诊断学中的重要工具。人们所熟知的X线计算机断层摄影(XCT)和磁共振成像(MRI)等技术，已在生物医学领域中得到了广泛应用，在医学诊断中，尤显重要。但是由于技术能力所限，XCT和MRI无法使人们观察到密集体腔内的组织变异，空间分辨率和时间分辨率还较低，而且，仪器操作复杂，造价过高，作为常规检查对人体有不良影响，因而无法满足诊断学和生物医学发展的进一步要求。
随着激光技术的不断发展，尤其是超快激光技术的发展，一种新的断层扫描成像技术——光学相干CT(optical coherence tomography，简称OCT)应运而生[1]。OCT将半导体激光和超快激光与光学、超灵敏探测、精密自动控制和计算机图像处理等多项技术结合为一整体，是继XCT和MRI技术以后又一大技术突破。这一技术的应用，将使人们获得微米量级的空间分辨率，而且也给出前所未有的动态时间分辨图像。现将OCT原理、国内第一套OCT系统的总体结构和OCT技术的研究进展情况简介如下 。
, http://www.100md.com
一、OCT基本原理
OCT原理类似于超声成像，只是用光波代替了声波。由于光波波长很短，因而分辨率高，而且成像时不需接触样品。其物理原理如图1所示。图1A表示OCT通过测量光脉冲在样品中传播的时间延时，得到样品结构图像，类似于超声成像的原理。但光速远快于声速，因而时间延时短至10-15 s，电子设备难以直接测量，故而利用图1B所示的光学干涉仪装置进行测量。
超快激光或低相干光源光束，经过透反分束镜，分为两束光，一束射往样品(眼球)，另一束则射在参考反射镜上，参考镜的位置为已知的。参考镜的反射光(参照光)和从眼球各界面反射回来的光(信号光)脉冲序列在光电探测器上会合。当参考光脉冲和信号光脉冲序列中的某一个脉冲同时到达探测器表面，则会产生光学干涉现象。这种情形，只有当参考光与信号光的这个脉冲经过相等光程时才会产生。只要调节移动参考镜，使参考光分别与从眼内不同结构反射回来的信号光产生干涉，同时分别记录下相应的参考镜的空间位置，这些位置便反映了眼球内不同结构的空间位置。
, http://www.100md.com
事实上，这个过程便是一个时空变换的过程，将时间的测量，转变成为空间的测量。
上述过程，得到了样品深度方向(Z轴)的一维测量数据，再扫描测量平行于样品表面(X-Y方向)的数据，将得到的信号经计算机处理，便可得到样品的立体层析图像。根据信号的强弱，赋予相应的灰度，便可得到样品的灰度图；或者赋予相应的色彩，便可得到样品的假彩色图。美国麻省理工学院研究小组便利用OCT获得了的人眼前腔和活兔食管及气管[2]的二维断层扫描图像，穿透深度为毫米到厘米量级。
, http://www.100md.com 断层扫描成像技术是人类疾病诊断学中的重要工具。人们所熟知的X线计算机断层摄影(XCT)和磁共振成像(MRI)等技术，已在生物医学领域中得到了广泛应用，在医学诊断中，尤显重要。但是由于技术能力所限，XCT和MRI无法使人们观察到密集体腔内的组织变异，空间分辨率和时间分辨率还较低，而且，仪器操作复杂，造价过高，作为常规检查对人体有不良影响，因而无法满足诊断学和生物医学发展的进一步要求。
随着激光技术的不断发展，尤其是超快激光技术的发展，一种新的断层扫描成像技术——光学相干CT(optical coherence tomography，简称OCT)应运而生[1]。OCT将半导体激光和超快激光与光学、超灵敏探测、精密自动控制和计算机图像处理等多项技术结合为一整体，是继XCT和MRI技术以后又一大技术突破。这一技术的应用，将使人们获得微米量级的空间分辨率，而且也给出前所未有的动态时间分辨图像。现将OCT原理、国内第一套OCT系统的总体结构和OCT技术的研究进展情况简介如下 。
, http://www.100md.com
一、OCT基本原理
OCT原理类似于超声成像，只是用光波代替了声波。由于光波波长很短，因而分辨率高，而且成像时不需接触样品。其物理原理如图1所示。图1A表示OCT通过测量光脉冲在样品中传播的时间延时，得到样品结构图像，类似于超声成像的原理。但光速远快于声速，因而时间延时短至10-15 s，电子设备难以直接测量，故而利用图1B所示的光学干涉仪装置进行测量。
超快激光或低相干光源光束，经过透反分束镜，分为两束光，一束射往样品(眼球)，另一束则射在参考反射镜上，参考镜的位置为已知的。参考镜的反射光(参照光)和从眼球各界面反射回来的光(信号光)脉冲序列在光电探测器上会合。当参考光脉冲和信号光脉冲序列中的某一个脉冲同时到达探测器表面，则会产生光学干涉现象。这种情形，只有当参考光与信号光的这个脉冲经过相等光程时才会产生。只要调节移动参考镜，使参考光分别与从眼内不同结构反射回来的信号光产生干涉，同时分别记录下相应的参考镜的空间位置，这些位置便反映了眼球内不同结构的空间位置。
, 百拇医药
事实上，这个过程便是一个时空变换的过程，将时间的测量，转变成为空间的测量。
上述过程，得到了样品深度方向(Z轴)的一维测量数据，再扫描测量平行于样品表面(X-Y方向)的数据，将得到的信号经计算机处理，便可得到样品的立体层析图像。根据信号的强弱，赋予相应的灰度，便可得到样品的灰度图；或者赋予相应的色彩，便可得到样品的假彩色图。美国麻省理工学院研究小组便利用OCT获得了的人眼前腔和活兔食管及气管[2]的二维断层扫描图像，穿透深度为毫米到厘米量级。
图2 清华大学建立的OCT系统的结构示意图
最后，参考光I1、信号光I2以及它们的相干调制信号全都经由光纤耦合器进入探测端，在这端的带通滤波器将直流本底光强滤掉，只有调制信号能够通过。然后经过光电转换将光信号变成电信号并进行放大，再由A/D变换得到数字信号被计算机读取，并经过图像处理的手段获得可观测结果。
, 百拇医药
三、OCT国内研究进展
在建立了这套OCT系统之后，我们对几种动植物样品进行了一些测量，得到比较清楚的图像。图3是兔眼球的OCT图像，其中角膜、晶状体、睫状体等结构都十分清晰。该OCT图像所对应的实际样品大小为10 mm×4 mm，图中横向分辨率约为20 μm，纵向分辨率约为25 μm。事实上，利用计算机图像重组技术，可以提高分辨率达一个量级，获得亚微米分辨率的图像[9]。
图3 兔眼球前部的OCT图像
目前整个系统还处于不断完善和发展的阶段，今后的工作是将这项先进的技术尽快与不同的实际应用课题结合起来。根据实际需要完善后，用于医疗、生产实践，推动我国激光生物医学的发展。
, 百拇医药
参考文献
[1] Huang D, Swanson EA, Lin CP, et al. Optical coherence tomography. Science, 1991, 254:1178-1181.
[2] Tearney GJ, Brezinski ME, Bouma BE, et al. In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography. Science，1997, 276:2037-2039.
[3] Tearney GJ, Boppart SA, Bouma BE, et al. Scanning single-mode fiber optic catheter-endoscope for optical coherence tomography. Optics Letters, 1996, 21:543-546.
, 百拇医药
[4] Wang X, Milner TE, Chen ZP, et al. Measurement of fluid-flow-velocity profile in turbid media by the use of optical Doppler tomography. Appl Opt, 1997, 36:144-149.
[5] Hee MR, Huang D, Swanson EA, et al. Polarization-sensitive low-coherence reflectometer for birefringence characterization and ranging. J Opt Soc Am, 1992, B9:903-908.
[6] Chan KP, Yamada M, Devarajet B, et al. Optical imaging through highly scattering media by use of heterodyne detection in the 1.3 μm wavelength region. Optics Letters, 1995, 20:492-494.
, http://www.100md.com
[7] Yuan T, Xue P, Chen Y, et al. The theoretical simulation and experimental research on optical coherence tomography (OCT). In: Li Junheng, Harrington JA, eds. Biomedical Optics and lasers: diagnostics and treatment. Proceedings of SPIE. Vol 3548. 1998. 142-147.
[8] 谌一，薛平，袁涛，等，激光相干层析成像的光散射模拟计算。光学学报，1999，19:486-490.
[9] Xue P, Yuan T, Chen Y, et al. Simulation and deconvolution of experimental OCT image. In: Tuchin YY, Lzatt JA, eds. Coherence domain optical methods in biomedical science and clinical applications. Ⅲ. Proceedings of SPIE. Vol 3598. 1999. 25-32.
收稿日期：1999-3-10, http://www.100md.com
单位：薛 平 陈瓞延 清华大学单原子分子测控实验室北京市，100084；钱俊雯 清华大学图书馆信息参考部；刘志荣 苏州广播电视报计算机室
关键词：
中国激光医学杂志990216 断层扫描成像技术是人类疾病诊断学中的重要工具。人们所熟知的X线计算机断层摄影(XCT)和磁共振成像(MRI)等技术，已在生物医学领域中得到了广泛应用，在医学诊断中，尤显重要。但是由于技术能力所限，XCT和MRI无法使人们观察到密集体腔内的组织变异，空间分辨率和时间分辨率还较低，而且，仪器操作复杂，造价过高，作为常规检查对人体有不良影响，因而无法满足诊断学和生物医学发展的进一步要求。
随着激光技术的不断发展，尤其是超快激光技术的发展，一种新的断层扫描成像技术——光学相干CT(optical coherence tomography，简称OCT)应运而生[1]。OCT将半导体激光和超快激光与光学、超灵敏探测、精密自动控制和计算机图像处理等多项技术结合为一整体，是继XCT和MRI技术以后又一大技术突破。这一技术的应用，将使人们获得微米量级的空间分辨率，而且也给出前所未有的动态时间分辨图像。现将OCT原理、国内第一套OCT系统的总体结构和OCT技术的研究进展情况简介如下 。
, http://www.100md.com
一、OCT基本原理
OCT原理类似于超声成像，只是用光波代替了声波。由于光波波长很短，因而分辨率高，而且成像时不需接触样品。其物理原理如图1所示。图1A表示OCT通过测量光脉冲在样品中传播的时间延时，得到样品结构图像，类似于超声成像的原理。但光速远快于声速，因而时间延时短至10-15 s，电子设备难以直接测量，故而利用图1B所示的光学干涉仪装置进行测量。
超快激光或低相干光源光束，经过透反分束镜，分为两束光，一束射往样品(眼球)，另一束则射在参考反射镜上，参考镜的位置为已知的。参考镜的反射光(参照光)和从眼球各界面反射回来的光(信号光)脉冲序列在光电探测器上会合。当参考光脉冲和信号光脉冲序列中的某一个脉冲同时到达探测器表面，则会产生光学干涉现象。这种情形，只有当参考光与信号光的这个脉冲经过相等光程时才会产生。只要调节移动参考镜，使参考光分别与从眼内不同结构反射回来的信号光产生干涉，同时分别记录下相应的参考镜的空间位置，这些位置便反映了眼球内不同结构的空间位置。
, http://www.100md.com
事实上，这个过程便是一个时空变换的过程，将时间的测量，转变成为空间的测量。
上述过程，得到了样品深度方向(Z轴)的一维测量数据，再扫描测量平行于样品表面(X-Y方向)的数据，将得到的信号经计算机处理，便可得到样品的立体层析图像。根据信号的强弱，赋予相应的灰度，便可得到样品的灰度图；或者赋予相应的色彩，便可得到样品的假彩色图。美国麻省理工学院研究小组便利用OCT获得了的人眼前腔和活兔食管及气管[2]的二维断层扫描图像，穿透深度为毫米到厘米量级。
, http://www.100md.com 断层扫描成像技术是人类疾病诊断学中的重要工具。人们所熟知的X线计算机断层摄影(XCT)和磁共振成像(MRI)等技术，已在生物医学领域中得到了广泛应用，在医学诊断中，尤显重要。但是由于技术能力所限，XCT和MRI无法使人们观察到密集体腔内的组织变异，空间分辨率和时间分辨率还较低，而且，仪器操作复杂，造价过高，作为常规检查对人体有不良影响，因而无法满足诊断学和生物医学发展的进一步要求。
随着激光技术的不断发展，尤其是超快激光技术的发展，一种新的断层扫描成像技术——光学相干CT(optical coherence tomography，简称OCT)应运而生[1]。OCT将半导体激光和超快激光与光学、超灵敏探测、精密自动控制和计算机图像处理等多项技术结合为一整体，是继XCT和MRI技术以后又一大技术突破。这一技术的应用，将使人们获得微米量级的空间分辨率，而且也给出前所未有的动态时间分辨图像。现将OCT原理、国内第一套OCT系统的总体结构和OCT技术的研究进展情况简介如下 。
, http://www.100md.com
一、OCT基本原理
OCT原理类似于超声成像，只是用光波代替了声波。由于光波波长很短，因而分辨率高，而且成像时不需接触样品。其物理原理如图1所示。图1A表示OCT通过测量光脉冲在样品中传播的时间延时，得到样品结构图像，类似于超声成像的原理。但光速远快于声速，因而时间延时短至10-15 s，电子设备难以直接测量，故而利用图1B所示的光学干涉仪装置进行测量。
超快激光或低相干光源光束，经过透反分束镜，分为两束光，一束射往样品(眼球)，另一束则射在参考反射镜上，参考镜的位置为已知的。参考镜的反射光(参照光)和从眼球各界面反射回来的光(信号光)脉冲序列在光电探测器上会合。当参考光脉冲和信号光脉冲序列中的某一个脉冲同时到达探测器表面，则会产生光学干涉现象。这种情形，只有当参考光与信号光的这个脉冲经过相等光程时才会产生。只要调节移动参考镜，使参考光分别与从眼内不同结构反射回来的信号光产生干涉，同时分别记录下相应的参考镜的空间位置，这些位置便反映了眼球内不同结构的空间位置。
, 百拇医药
事实上，这个过程便是一个时空变换的过程，将时间的测量，转变成为空间的测量。
上述过程，得到了样品深度方向(Z轴)的一维测量数据，再扫描测量平行于样品表面(X-Y方向)的数据，将得到的信号经计算机处理，便可得到样品的立体层析图像。根据信号的强弱，赋予相应的灰度，便可得到样品的灰度图；或者赋予相应的色彩，便可得到样品的假彩色图。美国麻省理工学院研究小组便利用OCT获得了的人眼前腔和活兔食管及气管[2]的二维断层扫描图像，穿透深度为毫米到厘米量级。
图2 清华大学建立的OCT系统的结构示意图
最后，参考光I1、信号光I2以及它们的相干调制信号全都经由光纤耦合器进入探测端，在这端的带通滤波器将直流本底光强滤掉，只有调制信号能够通过。然后经过光电转换将光信号变成电信号并进行放大，再由A/D变换得到数字信号被计算机读取，并经过图像处理的手段获得可观测结果。
, 百拇医药
三、OCT国内研究进展
在建立了这套OCT系统之后，我们对几种动植物样品进行了一些测量，得到比较清楚的图像。图3是兔眼球的OCT图像，其中角膜、晶状体、睫状体等结构都十分清晰。该OCT图像所对应的实际样品大小为10 mm×4 mm，图中横向分辨率约为20 μm，纵向分辨率约为25 μm。事实上，利用计算机图像重组技术，可以提高分辨率达一个量级，获得亚微米分辨率的图像[9]。
图3 兔眼球前部的OCT图像
目前整个系统还处于不断完善和发展的阶段，今后的工作是将这项先进的技术尽快与不同的实际应用课题结合起来。根据实际需要完善后，用于医疗、生产实践，推动我国激光生物医学的发展。
, 百拇医药
参考文献
[1] Huang D, Swanson EA, Lin CP, et al. Optical coherence tomography. Science, 1991, 254:1178-1181.
[2] Tearney GJ, Brezinski ME, Bouma BE, et al. In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography. Science，1997, 276:2037-2039.
[3] Tearney GJ, Boppart SA, Bouma BE, et al. Scanning single-mode fiber optic catheter-endoscope for optical coherence tomography. Optics Letters, 1996, 21:543-546.
, 百拇医药
[4] Wang X, Milner TE, Chen ZP, et al. Measurement of fluid-flow-velocity profile in turbid media by the use of optical Doppler tomography. Appl Opt, 1997, 36:144-149.
[5] Hee MR, Huang D, Swanson EA, et al. Polarization-sensitive low-coherence reflectometer for birefringence characterization and ranging. J Opt Soc Am, 1992, B9:903-908.
[6] Chan KP, Yamada M, Devarajet B, et al. Optical imaging through highly scattering media by use of heterodyne detection in the 1.3 μm wavelength region. Optics Letters, 1995, 20:492-494.
, http://www.100md.com
[7] Yuan T, Xue P, Chen Y, et al. The theoretical simulation and experimental research on optical coherence tomography (OCT). In: Li Junheng, Harrington JA, eds. Biomedical Optics and lasers: diagnostics and treatment. Proceedings of SPIE. Vol 3548. 1998. 142-147.
[8] 谌一，薛平，袁涛，等，激光相干层析成像的光散射模拟计算。光学学报，1999，19:486-490.
[9] Xue P, Yuan T, Chen Y, et al. Simulation and deconvolution of experimental OCT image. In: Tuchin YY, Lzatt JA, eds. Coherence domain optical methods in biomedical science and clinical applications. Ⅲ. Proceedings of SPIE. Vol 3598. 1999. 25-32.
收稿日期：1999-3-10, http://www.100md.com