相干光学

相干光学（精选7篇）

相干光学 篇1

日前，中科院西安光学精密机械研究所研制成功的高速3D内窥光学相干断层扫描仪(OCT)影像系统，各项关键指标达到国际同类产品的技术水平。其图像分辨率约为12 mm，扫描速度为40 kHz是传统眼科OCT 2倍左右。

该设备使用自主研发的微型光纤探头，可深入心脏病患者血管栓塞处进行光学相干断层扫描，并获取栓塞处清晰的3D内窥影像，使在心脏手术中能精确定位支架摆放位置，并可在离线情况下直接观察血管病变形态及心脏支架置入状况。此外，其影像速度快及分辨率高，超过现有的血管超声(IVUS)和心脏X光(DSA)技术。该设备对于有效预防支架再狭窄和血栓支架的形成、实现心肌梗死的早期筛查和有效预防以及研究和评价心脏支架安全性具有实用价值。

相干光学 篇2

光学相干断层成像技术(OCT)是继X射线、CT、MRI和超声诊断技术之后的又一种新的血管内成像方法。它综合光学技术、超灵敏探测技术和计算机图像处理技术快速获得血管横断面高分辨率的微观结构图像。OCT分辨率可达10μm×25μm,接近观察到组织水平,被称为“体内的组织学显微镜”。随着OCT在人体冠状动脉内获得高清晰图像使这项技术在冠心病介入领域中应用报道逐渐增多,并以其在冠状动脉疾病诊疗方面凸显的技术优势及重要价值而受国内外专家的高度关注。据悉,OCT是一项较为成熟的技术,早期用于眼科相关检查;2001年开始应用于冠状动脉成像,具有临床有效性及安全性;OCT可用于诊断临界病变,包括精准判断斑块成分、发现和识别易损斑块及红、白血栓,判断支架术后即刻效果,术后随访,检测和患者密切相关的药物洗脱支架术后内膜覆盖情况等,这些优势可以指导医生在评价治疗方案、确定治疗策略、采取应对措施等方面做出更为准确的判断;OCT可提高手术的安全性和成功率,辅助判断术后抗血小板药物氯比格雷的服用时间,节约患者的长期治疗费用。国内阜外医院等12家拥有OCT设备。

相干光学 篇3

冠状动脉粥样硬化性心脏病(CAD),冠状动脉狭窄及急性冠状动脉综合征(ACS)等心血管疾病是目前威胁人类健康的严重疾病之一。现在大部分医疗机构对于冠状动脉状态的检查通常采用冠状动脉造影(CAG)或者血管内超声(IVUS)等方法对冠状动脉的复杂组织断面(如图1)进行检测。冠状动脉造影能够显示血管的整体轮廓,有助于分析冠状动脉狭窄的情况,但是无法显示血管壁的组织结构。而IVUS利用超声探头进入血管内扫描,可得到冠状动脉管壁的断层图像,不过超声组织成像过程中会产生伪影,因此超声成像的分辨率一般只能到100μm,医生在后期图像分析时较难清晰观察不同组织之间的边界及组织质地,熟练分析IVUS图像需要进过半年以上的学习和临床经验积累。近年来迅速发展起来的光学相干成像技术(OCT)最初是用于眼科透明组织的成像分析,后来被研究者们用于血管内组织成像并得到了很好的效果。

1 血管内OCT技术的历史

OCT的分辨率能够达到10μm,可以清晰地显示血管的断层图像,提供血管壁形态、斑块性质、管径,以及血管狭窄的情况,绝大部分心肌梗塞的产生是由于动脉中小的粥样斑块破裂造成的,但是以往的所有影像手段都无法检测出来,只有OCT技术能够做到这一点[1]。OCT技术的分辨率能够达到组织病理切片检查的水平,所以这项技术也被称为“光学活检”[2],能够为冠心病患者的检查和治疗提供很好的依据。

OCT技术[3]是在1991年由美国麻省理工学院的Huang等人提出的一项新的成像技术,并由哈佛医学院的Schuman等人有限应用于眼科疾病的诊断,随后由研究者们分别应用于消化系统、呼吸系统、泌尿系统及心血管系统的组织成像。其中OCT技术在心血管系统中的应用表现出了良好的成像素质,可以清楚地识别易损斑块、血栓、支架和内膜。这项技术不但大大提高了冠状动脉疾病诊断的准确性,并应用于心血管疾病的治疗及植入支架后用药控制的过程,为病人康复过程提供了可靠数据支持。

目前国际上能够生产临床使用的血管内OCT产品的公司只有美国Lightlab Imaging(LLI)公司,该公司的知识产权来自于MIT、Harvard University、Massachusetts General Hospital、Tufts University、Medtronic,以及the Zeiss Foundation。目前该公司的产品在国内的北京协和医院、301医院、上海同济医院等几十家医院使用,手术量也在逐年增加。现在全球专家在美国、欧洲及日本等地建立了很多研究机构,来支持OCT技术在心血管领域的发展。

2 血管内OCT的技术原理

OCT设备是以迈克尔逊干涉仪为基础利用近红外光的干涉原理来采集组织断层信息的。首先利用弱相干光源产生一定波长的相干光,然后通过分束镜分为样品光和参考光,光线照射样品时会发生散射和反射,而不同组织对光的散射和反射程度不同,于是我们通过采集反射回的光强度可以辨别组织类型[4]。

光强探测器最后接收到的强度Id为:

公式(1)中Er为参考臂发射光场,Es为样本臂发射光场,Es'为样本臂反射光场,Ir为样本臂的发射光强,Is为样本臂发射光强,Is'为样本臂反射光强

其中:

公式(2)中是光源中心频率,是光信号的功率谱密度。这样通过探测器探测到光强和时间延迟信息,再将光信号转化成电信号,我们就可以得到某个深度的组织信息,经过图像重建得到组织的断层图像图2。

完整的光影仪包括光源、分光器、参考臂、样本臂、探测器,以及数字处理器。样本臂是由一个可旋转的光学耦合器(又称探头连接单元,PIU)和成像导丝导管组成图3,其作用就是将检测光引导到所需检测的血管壁上。

医生操作过程中将阻断球囊导管和成像导丝送入冠状动脉内,通过扩张球囊阻断靶病变处的近端血管血液,经过管腔内持续低容量的冲洗,将靶病变处的血液冲洗干净,然后成像导丝在血管内进行扫描成像。成像完成后,球囊收缩,血液流动恢复,医生将球囊导管和导丝退出冠状动脉完成整个操作。

3 血管内OCT在临床上的应用

冠状动脉中的不稳定斑块也称为易损斑块是引发冠状动脉疾病的重要隐患,如巨噬细胞密度、纤维斑块和富含脂质斑块的增加会引起患者的不稳定心绞痛,Jang等人的研究[5]表明畸形冠状动脉综合征和急性心肌梗死患者与稳定心绞痛患者相比脂质斑块含量较高而且纤维帽变薄。因此,临床医生通过检查冠状动脉中的易损斑块情况能够在早期检测心血管疾病及其严重程度。在图4和图5中比较了OCT图像、IVUS图像及组织病理检查照片,可以看出OCT图像的分辨率很高,而且能清晰分辨各种斑块性质。

利用OCT技术可以观察到增厚的内膜、弹力板和脂质斑块等组织,且对各种斑块成分具有很高的对比度。OCT技术对于钙化组织的穿透能力较强,Patwari等人的研究[6]证明对于几乎完全闭塞的冠状动脉斑块,这项技术都能穿透并成像。由于光传播速度较声传播速度高很多,所以OCT成像的实时性非常高,而且最大程度上避免了运动伪影。因此OCT技术的应用在冠状动脉病变检查方面表现出了良好的性质,为医生制定治疗方案提供了更完备的依据。

对于冠状动脉狭窄的患者,医生通常会采用植入支架的方法进行治疗[7],在手术中需要评估介入手术的治疗效果,如支架贴壁情况以及组织撕裂、组织脱垂等手术伤害,临床治疗的研究结果表明,OCT技术能清晰地显示支架贴壁情况和内膜损伤情况(如图6)。

病人在支架手术后的康复过程中会产生内膜增生,于是近年来大都采用药物洗脱支架,能够防止内膜过度增生,但是这种支架会造成内膜覆盖不全而引起血栓,所以病人需要服用抗血小板药物。手术后的病人需要定期检查内膜覆盖情况以确定停药时间,以往利用IVUS进行检查分辨率不足,现在利用OCT进行扫描得到的图像医生可以很清晰的观察内膜增生和覆盖支架的情况[8](如图7),从而确定病人的停药时间。

4 OCT技术存在的不足和发展前景

目前OCT技术的发展已经比较成熟,但是还是存在很多不足之处。首先是OCT技术使用的光源没有研究一致的标准,而且对组织的穿透力不足,无法深度探测组织内部病变情况,另外应用于血管内成像的耗材费用昂贵,限制了这项技术的推广。

OCT技术应用于体表检查时可达到无创效果,但用于血管内检查时需要进行侵入操作,为防止血液细胞对红外光的干扰,扫描前要在血管近端阻断血流。医生在临床操作中曾经出现过冠状动脉夹层和血栓,所以这项操作对医生的操作技术要求比较高,操作时动作要细致娴熟。也因为血液对OCT成像的影响,病人在动脉开口部位有病变以及心功能不全的话,这项技术的应用会受到限制。

由于OCT只能穿透2~3mm的表层组织,所以在某些领域的发展受到限制,于是研究者们正在试验利用OCT技术和其他技术相结合来完善其不足,其中包括医学超声-OCT内窥镜成像[9],用于探测脂肪组织中肿瘤的光声成像技术[10],与多普勒技术相结合的光学多普勒层析系统等[11]。科学家们研究的声光结合式探头,正在进行仿真实验,相信其发展前景广阔。还有建立在OCT和激光扫描偏振计(SPL)基础上的偏振敏感光学相干技术[12],这项技术能够同时检测干涉光的偏振和由于病变引起的偏振相位差信息,这样能比常规的OCT多提供以为生物信息,这项技术已经在龋齿诊断的研究中取得了很好的效果,分辨率可达到2~3μm。

OCT技术有相当优越的成像效果,相信通过各个领域各项技术的结合,这项技术会有很广阔的发展前景。

5 总结

由于OCT技术的发展,现在冠状动脉疾病的诊断和治疗有了清晰定量的依据,而且在支架手术的术中操作、术后评估,以及随访检查等各个阶段发挥了很好的作用。凭借其高分辨率和实时成像速度,这项技术已经成为心血管病人的精确治疗的必要手段,相信通过研究者们的努力,OCT技术必能发挥更大的作用。

摘要：本文介绍了光学相干成像(Optical Coherence Tomography,OCT)这种采集组织浅表断层图像的新技术,分析了血管内OCT技术的成像原理及临床应用优势,文章最后对其发展前景进行了展望。

关键词：光学相干成像,冠状动脉造影,冠状动脉综合症,迈克尔逊干涉仪

参考文献

[1]刘伟,樊宽章,张长忠.光学相干成像技术及在医学中的应用[J].医疗卫生装备,2002,(3):32-36.

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[5]Jang IK,Tearney GJ,MacNeill B,et al.In vivo characterizationof coronary atherosclerotic plague by use of optical coherencetomography[J].Circulation,2005,111:1551-1555.

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[10]刘英杰,苏翼雄,姚建铨,等.光声技术在医学成像中的应用[J].医疗卫生装备,2005,26(8):26-28.

[11]Proskurin SG,He Y,Wang RK.Doppler optical coherencetomography imaging of converging flow[J].Phys Med Bjol,2004,49(7):1265-1276.

相干光学 篇4

关键词：低相干,光滤波器,Z变换分析法,物理参数

0 引言

在现代波分复用(DWDM)系统中，光学滤波器是用来实现波长选择功能的非常重要的器件。为了达到更好的性能，越来越多新的结构被应用到光学滤波器的设计中，例如布拉格光栅[1]，微环谐振器[2]，光子晶体[3]等等。测量光子器件一般是用光谱分析仪(OSA)来观察输出光谱特性，然后根据所测出的光谱用数值填充的方法来给出物理参数，例如莱文森算法[4]。在光谱波数重叠严重时，光谱分析有很大难度[5]。该方法用来测量耦合谐振滤波器既不直接，也不准确。因此光谱分析结果无法为光学滤波器设计以及制造提供足够信息。光通讯产业的发展迫切需要高效准确的方法去检测光学器件的物理参数。

干涉测量法被广泛应用到光学各个领域，如表面形态测量[6]。低相干干涉测量技术(OLCM)就是本文所给出解决方案的基础。用低相干干涉测量技术来分析待测器件，在表征阵列波导光栅(AWG)[7]的相位误差上非常有效。研究者也尝试用这个方法表征更为一般的光学滤波器。单输入、单输出的轨道型环状滤波器就是用低相干干涉仪(OLCI)[8]来分析的。在滤波器设计中，描述环状谐振器栅格的数学方法恰恰与低相干干涉仪(OLCI)[9]相吻合。然而，在研究分析高阶的多环谐振器时，尚缺少一种详细可行的解决方法，能够从低相干干涉图像中获取完整的光器件物理参数。因此，目前的低相干测量技术在表征光学滤波器的结构时受到了限制。

利用OLC测量技术，可以从单环干涉图像中获得高精度的环长参数。本文的研究目标是利用低相干测量技术的优点，设计出一套方法，去获得多环谐振器的主要物理参数、光谱信息以及其他的信号特征。本文将数字滤波器的概念和Z变换方法应用到光学滤波器的建模中，包括应用滑动平均型(MA)、自回归型(AR)和自回归滑动平均型(ARMA)[4]三大滤波器模型。只要建立滤波器的Z域表达式，我们就能从中获得出环形谐振器的物理参数。

1 低相干干涉测量技术原理

在低相干干涉测量技术中，一般先将宽光谱光源分成两路，分别送入到待测器件与参考臂，然后测量输出的干涉结果。低相干干涉仪(OLCI)准确的数学模型如图1所示。光强、待测器件传输函数、参考臂传输函数都是波数的复函数。S()代表光源的光谱强度。Hd()与Hr()分别代表待测器件的传输函数以及参考臂传输函数的不变部分，参考臂的变化就会引起传输函数的变化[10]。exp(-jx)代表参考臂传输函数的可变部分，即相位延迟，它与参考臂的受控长度成线性关系。

理想条件下(忽略不可控的相位偏移)，低相干系统输出光强的数学表达式为

其中：I(x)代表所测不同位置的干涉强度，B()是光源的光功率谱密度，即S()2。显然，该式表明待测器件的传输函数跟输出的干涉谱存在傅里叶变换关系。根据式(1)，利用测量得到的干涉谱和光源光谱数据，我们就可以直接获得待测器件的传输函数及待测器件的参数。例如文献[8]，波导阵列光栅(AWG)就是用简单的MA滤波器模型表征的，它相邻波导的长度差异就能直接从干涉图像中提取出来。

单级微环谐振器作为ARMA类型的简单的全通滤波器，已经在文献[9]中被研究过了。它由一个无损的直波导跟一个环状光波导耦合组成。MA型以及单级的ARMA型的滤波器都是很容易用干涉图谱来表征的，因为它们的数学表达式并不复杂。但是，对于高阶器件来说，无法获得精确的表达式，也无法分析其干涉图谱的解析关系。我们迫切地需要一种普适的模型和算法去表征高阶的器件(包括MA,AR和ARMA类型)。有了这种算法，就能分析高阶的光滤波器件，这对于生产、器件的修正都具有深远指导意义。

2 从干涉图谱中提取传输函数

光源输入环形谐振器晶格后被分成多条路径，并在输出端叠加输出。不同路径导致不同的衰减和不同相位的偏移，因此传输函数能用以下表达式表示：

0exp(-j0)(10)1exp(-j1)(10)...(10)Nexp(-jN)

在应用低相干干涉方法来研究环谐振器时，输出干涉图谱的强度可以用式(2)来表示

式中：是波数，I0(x)是B()的傅里叶反变换，I(x)可以看成是I0(x)不同相移的线性叠加。因此我们能根据干涉图谱位置关系得到每一光路相位偏移和根据图谱峰值大小计算出光路中的衰减。利用上述性质，数字信号处理(DSP)的方法就能够被应用到光学滤波器的分析中来[4]，在每个延迟单元直接替换z-1得到传输函数的Z变换。

光学滤波器干涉图谱的不同位置分布着形状相同、幅度不同的干涉图样，相邻的两个峰值的距离代表着单元延迟LU，且第k个图样正代表单位延时k倍的那条光路：

光学滤波器的路径长度能够直接从干涉图谱中图像的位置读出，而图像的峰值大小能够计算出耦合系数的大小。根据线性时不变系统理论，一个时不变系统(LTI)具有如等式(4)所示的Z变换式子，在时域能够用式(5)来描述。

在OLCI系统中，输入信号是谱函数为B()的光源，输出是在时间/空间域的干涉图谱I(x)。如图2(a)所示，I(x)包含了一系列的分布均匀但峰值大小不同的波形。第n个峰值代表的是有n个单位延迟的光路。单位延迟也就是环长，大小代表了不同的功率耦合系数以及内部损耗。实际上所有的波形都具有相同的高斯包络，这些高斯包络的峰值是研究的重点。峰值可正可负，只保留峰值使输出离散化，如图2(c)和图2(d)所示，我们将这两个离散序列命名为B[n]和I[n]。

用式(6)表示输出的离散序列，第n个峰值是I[n]，当n是负数的时候I[n]=0，因为不存在一条光路是单位延迟的负数倍。而B[n]则可以用式(7)表示(输入只有一个峰值)。

重新改写式(1)：

得到：

根据前面的分析，可以对三种典型滤波器分别进行低相干分析。MA型滤波器也叫有限冲击响应滤波器，因为它在滤波器内部具有有限条光路。一个N阶的MA滤波器具有N条路径。传输函数中的系数bk代表的是第K条光路的相对衰减系数，跟I[n]中的干涉峰值成比例。

AR滤波器是全极点滤波器，它具有无限条光路，它的系数跟干涉图样的峰值不成正比关系。它的系数都在分母。在时域中，I[n]与B[n]的关系如式(11)给出：

ARMA滤波器是三种滤波器中最复杂的一种，有2N个待定的传输函数。继续用LTI系统的线性差分方程来进行建模，得到式(12)：

如式(10)至式(12)所示，ARMA是其中最复杂的情况，本文只给出ARMA型滤波器的解法，至于其他两种相对简单，不一一赘述。因为ARMA有2N个未知数，我们需要列出多条方程来计算。值得注意的是当n大于N之后，式(12)的右边都是零。当n=0到N时，式子的右边不为零。我们分别写出0到N,N+1到2N+1的两组等式，分别如式(13)和式(14)所示：

很显然，ak可以直接从式(14)得到，见式(15)。为了计算bk，可以按照式(16)的方法。对于ARMA滤波器，为了解出2N+2个未知数，前面的2N+2个干涉峰值必须测出，而MA与AR滤波器只需要前N+1个干涉峰的值。

以上就是从低相干干涉图计算光滤波器传输函数的完整方法。跟传统的方法相比，例如Yule-Walker方法和最小二乘法[11]，本文给出的方法更加直接准确。根据低相干干涉测量技术，我们可以单纯测量干涉图中的系列峰值I[n]，然后利用线性方程计算出传输函数的系数ak和bk。

3 在传输函数中获取准确的物理参数

对于那些能够写出传输函数的光滤波器来说，他们的物理参数与传输函数的关系是易得到的。例如微环谐振器，它的完整模型能够用一个2×2的矩阵模型来描述[12]。

其中：参数t代表的是直通传输耦合系数，参数κ则代表交叉耦合系数，a代表的是传输损耗，θ等于，绕环一周的相位偏移量等于。在所有的环都共用一个环长LU时，重新将写成z-1，定向耦合器用一个传输矩阵S来表示，环部分用一个矩阵P来表示。完整的多环谐振器传输矩阵可以写成元素为m11至m22的2×2矩阵，该矩阵模型表达为

通过计算可以知道m11和m21都是Z-1的多项式，多项式的系数由微环的物理参数所决定，可以假设系数分别为ak与bk，传输函数两个端口的输出函数可以由式(21)和式(22)来描述，其中b0=tN,a0=1。

忽略整体移项后，Through端与Drop端的所有传输函数是有理的。这样的有理传输函数就可以通过上文描述的方法确定。这样的性质使我们找到了一种便于操作的算法，可以在干涉图谱的基础上推导出系统的传输函数。

得到传输函数后，通过迭代的方法利用ak和bk来计算系统的物理参数[13]。N阶的传输矩阵用MN来表示。式(23)表达了忽略整体移项后总的传输矩阵与比它低一阶的矩阵关系：

正如上文讨论的那样，传输函数只与第一列的元素m11和m21相关，我们重点关注m11和m21。用上标的形式去表示ak和bk就可以得到式(24)的结果。

一般情况下可以令t作为实数，而且aNN-1=0和bN-1N-1=0，那么第N级的耦合系数t就可以由式(25)计算得出。第N级的损耗能够用式(26)表示。根据式(24)，所有的物理参数都能用迭代的方法计算出来。

值得注意的是，本文在前面所得到的bk都是归一化的值，即b0=1，但是这里b0是等于tN。所以在迭代之前要用式子aN/(bN/tN)(28)tN2进行转换。

下文通过理想的5级微环模型来验证上述的方法。它的模型如图3所示，设计的耦合参数，损耗都如表1所示。我们首先进行仿真分析。系数ak和bk由干涉图谱的峰值计算得出，然后计算物理参数。这个例子证明了用低相干方法来计算谐振器的内部物理参数是可行的。测量值与实际值的误差几乎是可以忽略的。

4 实验验证

微环器件在制造过程中存在误差，与标定值不同。我们在实验中使用自主开发的OLCI测量系统(图4)来获得微环器件的参数[14]。实验中，噪声是影响实验结果的最主要因素，本文的算法对于噪声所带来的干涉图谱峰值变形十分敏感，因此进行降噪是算法实现的重要前提。影响实验结果的另外一个因素是环长的制造误差，这就需要在相位敏感性方面采取一些措施[14]。在频谱离散化时要将环长误差准确对应到峰值间距，否则获得的参数是不可靠的，这是因为本文的递归算法会将每绕一环圈产生的误差积累起来。对测量的实验数据进行分析，发现干涉图谱的噪声大致在-35 dB。我们设置的滤波器带宽为200 Hz，实验效果非常理想。

环长的制造误差可以由实测低相干干涉图谱的长度得到。在表2中，给出了每个环的实验测量长度。当我们将图5所示的恢复信号保存起来，我们就能应用前面的方法进行分析。从表2中可以看出，用低相干方法测得的透射系数t与交叉耦合系数k跟实际参数是很相近的。

为了进一步验证装置的有效性，我们利用测量结果重构Throughput端口的传输函数频谱，并且与实际测量到频谱进行对比。如图6所示，两个频谱吻合较好。图中实线是分光仪测量所得，点线是由干涉图像推导得出。

5 结论

低相干(OLC)测量技术在表征器件参数时比频谱响应分析更加准确，广泛应用在光器件的描述上。这项技术已经应用在很多光学滤波器上，但是还没有一个通用的算法可以通过干涉图谱来计算滤波器的结构。本文的目的就是给出一种通用的测量方法来获取光学滤波器的各种结构参数。当滤波器某端口的输出可以看作是多条光路的叠加时，它就可以通过Z变换来分析，并且它的传输函数能够容易地从干涉图谱中提取出来。Z变换的系数跟干涉图谱的峰值构成线性等式的关系，为准确的计算提供方便。得到传输函数，我们就能计算完整的频谱响应，推导物理参数。实验的结果已经表明，数据处理算法是准确并且易于操作。

相干光学 篇5

光学相干 层析技术 又称相干 断层扫描 技术 (OCT),自1991年David Huang等人[1]提出以来,就迅速成为了生物医学和材料检测等领域的研究热点之一[2,3]。它利用弱相干光干涉仪的基本原理,检测物体不同深度层面对入射光的背向反射或几次散射信号。对活体眼组织显微镜结构的非接触式、非侵入性断层成像产品在市场上已经有成熟的产品。

其基本的光学相干层析系统包括:光源模块,耦合器模块、光路扫描模块及探测器模块。其中,时域OCT系统的光路扫描模块分为参考臂横向扫描及样品臂的纵向扫描,扫描模块的步长、时间及方向均由系统控制程序定义;而探测器模块需要将采集到的电压信号送入上位机(电脑)中进行后续的处理及图形转换,也需要系统软件执行。

目前,最常用的OCT系统软件是基于Lab View开发的,它是一种可视化编程工具,能够提供大量的模块和硬件接口,使用非常方便,尤其擅长数据采集系统。但是在后期图像重构及图像去噪方面缺乏灵活性,特别是处理数据时,使用Lab VIEW提供的图形函数就比较繁琐[4]。

Matlab是Math Works公司推出的一种面向工程和科学运算的交互式计算软件,它提供了强大的矩阵处理功能和绘图功能,集成了大量的函数和工具箱Tool-box,在生物医学工程、图像信号处理、信号分析、控制论和系统论等各个领域具有较强的影响力[5,6]。

Matlab提供图形用户界面开发环境(GUIDE)来完成界面设计。GUIDE(Graphical User Interface Devel-opment Environment)是一个工具集,Matlab将所有GUI支持的用户控件都集成在这个环境中,并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,在最新的Matlab版本中,GUIDE所提供的控件只有12种,而使用外部Active X控件,则存在无限扩展Matlab界面编程的可能性[7]。所谓Active X控件是基于COM标准的能够被外部自动调用的OLE对象,它是对通用控件的扩充[8],是GUI设计的精华所在。通过在Matlab界面设计中使用外部控件Active X,可以使用户的学习和使用更为方便和容易[9]。

本研究利用基于Matlab/Active X控件的光学相干层析系统,实现对材料内部结构的准确检测。

1基于Matlab/ActiveX控件的光学相干层析系统开发

基于Matlab/Active X控件的光学相干层析完整系统包括以下4个模块:

( 1 )参考臂和样品臂线性平台控制模块;

( 2 ) NI采集模块;

( 3 )信号处理模块;

( 4 )图像显示模块。

系统程序流程图如图1所示。

OCT系统的主界面如图2所示。

两个线性平台的Active X控件分别控制参考臂和样品臂的线性平台扫描,5个按钮分别执行对应的初始化、扫描、停止、成像及分辨率求解操作。通过该界面还可以对NI采集通道,以及NI卡的采样频率进行设置。

1.1基于Matlab/ActiveX控件的线性平台控制模块创建

线性平台控制模块需要实现的功能是:

首先进行样品一个纵深上的扫描,即参考臂先实现一个A扫描后,移动样品臂横向扫描一个步长(B扫描), 然后再完成下一个纵向及横向扫描,如此循环往复。

本研究搭建的光学相干层析系统扫描模块采用Thorlabs MTS25-Z8 25 mm紧凑型电动移动平台,Thorlabs公司提供方便的APT协议,可以简便地与Matlab通信。研究者首先创建一个空白的GUIDE界面,在空白界面中添加两个Active X控件,事先将这两个控件均设为MGMotor Control,设置这两个MGMotor的序列号属性(即HWSerial Num)为电动平台的序列号,即可实现使用GUI控制平台扫描。

本研究在GUIDE界面中设置3个命令按钮:

(1)Initial初始化按钮。实现按钮单击时初始化两个线性平台的速度、加速度以及最小步长;

(2)Scan扫描按钮。实现按钮单击时启动两个线性平台按照设定的扫描时序进行扫描;

(3)Stop停止按钮。实现两个线性平台的停止。

MGMotor Control1和MGMotor Control2对应的句柄值为Active X1及Active X2[6],是图形窗口句柄han-dles的成员存储,本研究在Initial、Scan、Stop按钮的callback回调函数中分别编写对应的执行语句,对扫描需要的参数进行设置,运行后,设置的参数显示在GUI界面上的线性平台控件中,以方便查看。

1.2NI采集模块创建

该模块实现的功能如下:

在样品每一个纵向扫描的过程中,开启或关闭NI采集卡,实时采集扫描过程中样品的干涉光强,并将其转换为电压值,保存到数组中,送给上位机供图像重构及处理。

采集卡使用NI公司的NI USB-6009,14位差分AI分辨率,最大采样率为48 k S/s。笔者在GUI界面中插入一个下拉菜单用于选择NI卡的采样通道,以及一个可编辑文本框用于设置NI卡的采样频率,这些参数变量可以采用Global全局变量声明,实现回调函数及GUI界面之间的数据共享。系统将下拉菜单及可编辑文本框中获得的参数传递给采集卡程序以供参数的初始化。

本研究在Matlab中提供DAQ数据采集工具箱,调用工具箱函数可以控制NI采集卡,完成采集和分析的任务。在编程与调试之前,应正确安装采集卡的驱动程序,并在NI-MAX中对采集卡做好设置,确保采集卡正常工作[10]。

采集卡的工作过程分4个步骤:

(1)初始化采集卡;

(2)触发采集操作;

(3)读取数据;

(4)释放资源。

使用命令data(i,:)=getdata(ai)将数据读取并保存在一个二维数组中。

时序扫描图如图3(a)所示。

在采集卡采集的过程中,注意到原来的线性平台扫描时序如图3(a)所示,线性平台返程的阶段采集卡并不作采集,线性平台做一个A扫描后需要返回原点才能进行一个B扫描(A扫描为纵向扫描,B扫描为横向扫描),浪费了线性平台的行程及系统运行时间。

改进后的采集时序如图3(b)所示,线性平台返回的过程也作数据采集,但在数据保存时需要将采集到的偶数列数据进行倒序处理,与奇数列的原数据合成为一个二维扫描矩阵,才能正确反映物体内部结构的光强值。

经验证,图3中的两种扫描方式的成像效果一致, 可以节省近一半的系统时间。

2信号处理及结果分析

2.1二维矩阵的平稳小波变换

由于在OCT图像中,像素灰度与光电流成比例, 散斑的出现会使图像的一些像素随机变量变暗,产生许多噪声,使人无法看清图像的细节,降低了图像的清晰度[11],所以需要采取适当的信号处理方法来提取更敏感的信号。

该系统创新性地采用平稳小波变换(stationary wavelet transform,SWT)进行图像处理[12],对每个采集到的数据点光强值进行小波分解,保留分解后的细节系数,重新存入数据矩阵,成像时可以获得更清楚的图像结构信息[13]。程序将小波变换写在命令按钮的回调函数中,单击按钮程序便执行相应的小波分解函数。

2.2系统分辨率求解

该模块还包含对样品一维干涉峰值信号取半峰全宽,以此换算求出系统的分辨率。以一层塑料薄膜为例,由于透明胶与空气的折射率不一样,光在塑料薄膜的界面处会发生明显干涉,表现为扫描光强信号的干涉峰。

塑料薄膜两个界面的干涉信号图如图4所示。由图4可知,两个干涉峰值分别为塑料薄膜的上、下界面。

OCT系统测量的是生物组织对入射光束的后向散射光,所以OCT系统的纵向分辨率一般为相干长度的一半,常用公式:(2 ln 2)/πλ02/Δλ 来理论计算OCT系统光源的纵向分辨率。但由于光源光谱很少为理想的高斯型,由公式计算出的纵向分辨率与光源实际的纵向分辨率会有所不同。对于具体光源,必须通过计算探测器输出的干涉信号半峰全宽(FWHM)值,方可得到系统的实际纵向分辨率。

干涉信号的细节放大图如图5(a)所示。

干涉信号求包络曲线后,执行命令求取半峰全宽值,如图5(b)所示。

编程实现时:首先对干涉条纹信号取包络,然后寻找半峰全宽的纵坐标位置(1/2峰值位置),接下来使用find(y=?)命令来寻找对应的两个横坐标值。

需要注意的是:由于采样的数据点是离散的,所以在半峰的位置可能不存在采样点,可以在半峰值左右最小的范围内寻找距离最小的点,命令改为find (y>?&y<?),即y的取值在1/2峰值附近微小范围内波动,寻找到的对应的两点横坐标间的距离相减,计算得系统实际的半峰全宽。

求解得到已搭建系统的分辨率为0.93 μm,与通过公式计算得到的理论分辨率0.9 μm较为吻合,由此可见,该系统性能良好,受散射的影响较小[14]。

2.3图像显示

图像显示模块实现在二维的扫描全部完成后,将采集到的数据矩阵在Matlab界面上显示样品的断层扫描图。

本研究使用imagesc指令进行成像。系统在调用imagesc函数时,若只使用一个参数,可以用任意灰度范围显示图像。在该调用方式下,数据矩阵中的最小值对应于颜色映象表中的第一个颜色值,数据矩阵中的最大值对应于颜色映象表中的最后一个颜色值。

系统在GUI界面上显示平稳小波变换(SWT)处理前后的图片用于对比,可以将图片保存为fig文件。

成像运行子界面如图6所示。

由图6可以清晰地看到,小波变换后的界面分层清晰了很多。

3结束语

基于Matlab/Active X控件的光学相干层析系统软件具有成本低、易于操作等优点,本研究在Matlab中使用Active X控件开发系统软件便于升级和维护。将系统用于一层及多塑料薄片的实验测量,计算得到塑料薄片的厚度,与游标卡尺测量结果一致,验证了系统的可行性。

系统还可以将塑料薄片间的空气间隙测出,真正实现了无损检测。

本研究所开发的系统软件一体化程度高,具有友好的图形界面,能够方便地控制及集成各个模块,还可以同时进行数据处理及样品成像等。该应用对于光学相干层析成像系统的应用具有一定的参考价值。

摘要：为了推进光学相干层析系统的研究,采用Matlab/ActiveX控件开发了时域光学相干层析成像系统,实现了被测样品深度方向按预定的时序和参数(比如速度和位移等)进行扫描;利用计算机驱动NI数据采集卡同步采集样品干涉信号;采用平稳小波变换去噪模块等信号处理方法对所采集的数据进行了分析处理,并对系统采集到的干涉图形求取了半峰全宽和系统的分辨率;将采集到的数据矩阵进行重构成像显示,实现了对材料内部结构的精确检测。研究结果表明,该光学相干层析系统软件集成化高、界面友好、维护及升级方便,便于光学相干层析系统的研究和开发,能够实现对多层薄膜的无损检测和评价。

相干光学 篇6

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2011 年12 月-2014 年12 月在河北省沧州市中心医院产科确诊的妊高征患者,既往无慢性高血压、心血管疾病及糖尿病、肾病等疾病,其中48 例产妇在产前被确诊患有妊高征,本次由于产后眼部不适到眼科就诊,确诊存在妊高征眼底病变,接受眼部检查,年龄24~45 岁,平均(26.00±3.45)岁。其中初产妇30 例,经产妇18 例;诊断妊高征病程平均(30.00±10.22)d;眼部检查平均在产后(9.00±6.34)d;剖腹产35 例,顺产13 例。产前最高时血压:收缩压(181.00±18.92)mm Hg,舒张压(98.00±13.14)mm Hg;就诊于眼科时平均血压:收缩压(150.00±16.43)mm Hg,舒张压(85.00±11.22)mm Hg。

1.2 检查项目与设备

所有接受检查的妊高征患者行眼部检查,包括视力、验光、裂隙灯检查、眼底检查、OCT检查、眼底照相检查,以及部分患者行眼底荧光血管造影检查。

验光及视力检查采用日本拓普康公司KR-8800验光机和标准对数视力表检查,眼底彩色照相及眼底荧光血管造影检查采用TRC-NW7SF眼底照相造影机(日本拓普康公司),OCT检查采用HD-OCT4000(德国Zeiss公司)。

1.3 妊高征诊断标准

标准依据《妇产科学》(第7 版)[13],分为妊娠期高血压、子痫前期(轻度、重度)和子痫。妊娠高血压:①妊娠期首次出现血压≥140/90 mm Hg,并于产后12周恢复正常;②尿蛋白阴性(-);③少数患者可伴有上腹部不适或血小板减少。子痫前期轻度:①妊娠20周后出现血压≥140/90mm Hg;②尿蛋白≥0.3 g/24 h或随机尿蛋白弱阳性(+);③可伴有上腹不适、头痛等症状。子痫前期重度:①血压≥160/110 mm Hg;②尿蛋白≥2.0 g/24 h或随机尿蛋白≥阳性(++);③血清肌酐>106μmol/L,血小板<100×109/L;④血乳酸脱氢酶升高;⑤血清谷丙转氨酶或谷草转氨酶升高;⑥持续性头痛或其他脑神经或视觉障碍;⑦持续性上腹不适。子痫:子痫前期孕妇抽搐不能用其他原因解释。

1.4 血压分级

就诊眼科时血压分为:0 级,收缩压<140 mm Hg和/ 或舒张压<90mm Hg;1 级,收缩压≥140mm Hg和/或舒张压≥90 mm Hg;2 级,收缩压≥160 mm Hg和/或舒张压≥100 mm Hg;3 级,收缩压≥180 mm Hg和/或舒张压≥110 mm Hg。

1.5 统计学方法

采用SPSS 17.0 统计软件进行数据分析,计量资料以均数±标准差(±s)表示,患者产前妊高征分级和产后眼底检查、产后就诊于眼科时的血压分级和眼底检查、眼底和OCT检查结果分别做等级相关性检验,P <0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般情况

48 例患者产前诊断妊高征2 例(4.17%),子痫前期轻度5 例(10.42%),重度32 例(66.67%),子痫9 例(18.74%)。就诊眼科时血压0 级22 例,1 级19例,2 级5 例,3 级2 例。

2.2 OCT结果

48 例患者96 只眼中,OCT检查异常72 只眼(75.00%)。其中视网膜神经上皮层浆液性脱离40只眼(55.56%),累及黄斑中心凹28 只眼(见图1A),合并神经上皮层水肿6 只眼(见图1B);中心凹之外神经上皮层脱离12 只眼(见图1C),主要集中在视盘周围。色素上皮层及椭圆体带改变22 只眼(见图1D)(30.56%)。其他改变如视盘水肿、视网膜出血等10 只眼(13.88%)。

2.3 眼底检查结果

眼底检查分期依据《实用眼科学》(第3 版)[14],分为3 期:Ⅰ期,动脉痉挛期;Ⅱ期,动脉硬化期;Ⅲ期,视网膜病变期,如视网膜水肿、出血、渗出,视网膜脱离,视乳头水肿等(见图2)。48 例患者96 只眼,其中Ⅰ期4 只眼(4.17%),Ⅱ期12 只眼(12.50%),Ⅲ期80 只眼(83.33%)。48 例患者接受眼底检查,由于产妇为特殊人群,只有眼底较重的30 例患者接受眼底造影检查,造影可见视盘边界不清,荧光渗漏,视网膜出血荧光遮蔽,出现非灌注区及新生血管,视网膜色素沉着和脱失改变,及陈旧Elschning斑等改变(见图3)。

2.4 患者妊高征分级和眼底检查的等级相关性检验

48 例患者96 只眼,其中Ⅰ期(0 级)4 只眼,Ⅱ期(1 级)12 只眼,Ⅲ期(2 级)80 只眼。48 例患者中,产前诊断妊高征0 级2 例(4 只眼),子痫前期轻度为1 级5 例(10 只眼),重度为2 级32 例(64 只眼),子痫为3 级9 例(18 只眼)。以眼底检查等级为X值,以妊高征分级为Y值,作相关性检验,发现眼底检查结果与妊高征分级呈正相关(C=0.545,χ2=56.991,P =0.000)。见表1。

A:黄斑区中心视网膜神经上皮层脱离,细箭头示视网膜神经上皮层脱离;B:黄斑区中心及视盘颞侧视网膜神经上皮层脱离并视网膜神经上皮层囊样水肿,细箭头示视网膜神经上皮层脱离;粗箭头示视网膜神经上皮层囊样水肿;C:黄斑区鼻侧视网膜神经上皮层脱离,细箭头示视网膜神经上皮层脱离;D:视网膜色素上皮层不平整,椭圆体带不清晰,连续性差

A:右眼视盘水肿,边界不清,细箭头示盘周散在大量棉绒斑;粗箭头示线状出血;B:左眼视盘轻度充血,动脉狭窄,反光增强,细箭头示视盘周围可见浅层视网膜出血;粗箭头示色素沉着和脱失;C:右眼眼底视网膜脱离,细箭头示脱离范围;D:左眼彩色眼底照片显示眼底视网膜脱离,细箭头示脱离范围

A:右眼视盘边界不清,荧光渗漏,细箭头示小片非灌注区;粗箭头示盘周可见线状荧光遮蔽;B:左眼视盘边界欠清,荧光渗漏,视盘周围散在条状出血荧光遮蔽,黄斑区散在点状高荧光及大量不规则形中心低荧光,周围环绕高荧光的Elschnig斑,细箭头示高荧光的Elschnig斑;C:右眼颞上象限大片非灌注区,细箭头示大片非灌注区;D:左眼视盘边界不清,荧光渗漏明显,盘周可见条片状出血荧光遮蔽

2.5 妊高征患者产后就诊于眼科时的血压分级和眼底检查的等级相关性检验

就诊眼科时血压0 级22 例(44 只眼),1 级19例(38 只眼),2 级5 例(10 只眼),3 级2 例(4 只眼)。以眼底检查结果为X值,以眼科就诊时血压分级为Y值,作相关性检验,结果表明,两者无相关性(C=0.117,χ2=2.633,P =0.853)。见表2。

2.6 眼底检查与OCT检查的等级相关性检验

OCT检查无异常为0 级(24 只眼);出现异常,但无黄斑区中心凹视网膜神经上皮层脱离为1 级(44 只眼);出现黄斑区中心凹视网膜神经上皮层脱离为2 级(28 只眼)。以眼底检查结果为X值,以OCT检查结果为Y值,作相关性检验,两者呈正相关(C=0.324,χ2=20.130,P =0.000)。见表3。

眼

眼

眼

3 讨论

妊高征多见于初产妇、双胎、羊水过多或有高血压家族史者,或孕前期患有高血压和肾脏疾病者。与孕妇的精神、神经因素及内分泌紊乱有关。病因尚不清楚,国内外大量研究成果形成多种学说。妊高征主要的病理改变是全身小动脉痉挛,最先出现视网膜血管功能性收缩,眼底出现动静脉比例改变,血管粗细不均,反光增强等。病情进一步发展,当视网膜中央血管系统痉挛时微小血管梗塞,神经纤维坏死形成棉绒斑(软性渗出)和火焰状出血。当睫状血管系统血管痉挛收缩时,脉络膜缺氧渗透性增加,负担物质交换的色素上皮细胞缺氧衰竭,加上无氧代谢产物增多,衰竭的色素上皮细胞不堪重负,发生灶性坏死,色素上皮屏障随之崩溃,大量渗出液涌入神经上皮下,形成球形脱离,治愈后灶性坏死的色素上皮细胞发生萎缩,出现透见高荧光。由于修复过程中色素增殖,高荧光中央夹杂点状荧光遮蔽,常呈簇状分布,数年不变[15]。有研究证实,正是由于脉络膜缺血,导致相应的色素上皮层受损,致其屏障功能出现障碍[16]。该研究通过眼底和OCT检查可以清晰地观察到患眼眼底的出血及棉绒斑、视网膜脱离,以及色素上皮层的改变如色素的沉着和脱失,造影所见的Elschnig斑、Siegrist斑等[16]。

许多妊高征患者由于怀孕或者哺乳不能进行眼底荧光血管造影检查,单纯的眼底照相检查对于色素上皮的损害观察不够细致,有些细微损害容易忽视。视网膜的浅脱离,通过眼底检查、荧光血管造影及眼科超声检查也容易漏诊,然而相干光断层成像是一种对生物组织进行高分辨率、横截面成像的新技术,可以获取生物组织超微结构的横截面及三维图像。通过断层扫描可获得不同组织结构定量测定数据,定量信息有助于对组织结构的细微变化和疾病的发生或转归等方面进行追踪观察,因其无创、无痛性、检查时间短、可重复在同一检查部位测量、对比观察,在妊高征的诊断评估方面,较其他检查方法有明显的优势[17]。该研究发现,眼底彩照漏诊的眼底损害通过OCT观察,可以很清晰地看到视网膜各层的损害,妊高征眼底改变多在后极部,特别是集中在黄斑区,这也正是OCT可观察的范围[17]。同时本研究显示,眼底和OCT检查有较好的相关性,所以眼底结合OCT检查能更好地发现妊高征眼底病变。

该研究主要是针对妊高征患者产后的眼部观察,发现大部分患者是产后血压得到控制后,才出现视力下降,视物模糊或者视物疲劳等症状,或者产前有眼部症状,产后加重才到眼科就诊的,与以往的报道相似[16,18,19,20]。该研究同时也发现患者眼底改变的严重程度和产前妊高征的严重程度相关,而与产后就诊于眼科时的血压无相关性,提示妊高征是一种特殊类型的高血压疾病,高血压不一定是患者眼底脉络膜循环障碍的原因,患者产后虽然血压、蛋白尿、水肿得到控制,但妊娠被认为是一种自然同种异体移植,正常妊娠的维持有赖于母体与胎儿之间免疫平衡的建立与稳定,妊娠时胎盘可释放出某些免疫致病因子,使母体产生某些免疫反应或应急反应,这可能是高血压及脉络膜缺血的共同发病机制[16]。另外,有研究分析,产后一段时期(除免疫状态处于特别时期外),内分泌水平波动明显,加之产后还需要哺乳护理婴儿,容易出现精神疲劳、情绪波动,也使部分患者眼部血管出现痉挛收缩或缺血,从而出现视网膜、脉络膜的改变[20]。

相干光学 篇7

1OCT 概述

OCT的工作原理类似于超声成像, 其区别主要是光波代替了超声波, 且光波的速度较声波快100万倍。从OCT的超亮二极管发出光束, 经光纤进入光纤耦联器后被分成两束, 一束通过照射某一特定区域获取该处不同层面组织反向散射光信号, 另一束则进入参照系统。2个光路中反射或反向散射的光线被重新整合成一束并为探测器探测, 并对不同层面组织所产生的反向散射强度和延搁时间进行测量。利用计算机软件对获得的数据进行分析, 以伪彩色灰阶值实时地构建对应的图像。最初应用于临床的OCT为OCT 1, 它提供了10个扫描程序和7个分析程序, 但因其体积庞大及操作复杂, 故主要应用于科研工作。2000年出现了体积更小、更易操作的OCT 2, 因增加了2个扫描程序和4个分析程序, 故其在视网膜厚度测量方面的可重复性更佳, 对黄斑厚度的测量其变异值 <11μm。2002年出现了拥有18种扫描程序和19种分析程序的OCT 3, 其扫描和分析程序更完善, 分辨率更高, 并提供了视网膜神经纤维层厚度的正常参考值及视盘分析程序, 为OCT在青光眼的诊断方面提供了更广泛的应用前景[3]。2006年, 傅里叶OCT (Fourier-domainoptical coherence tomography, FD-OCT) 即频域OCT (spectraldomain OCT, SD-OCT) 技术的出现对其成像速度和分辨率带来了革命性的影响, 它使得视网膜活体成像更清晰、直观。FD-OCT的神经节细胞复合体检测程序使研究黄斑区更细致的结构成为可能。

2 OCT 在青光眼中的应用

2.1角膜厚度高眼压是青光眼最重要的危险因素, 不管是在分类上还是在青光眼患者的随访中, 眼压的准确测量尤为重要[4]。然而, 准确的眼压读数会受到中央角膜厚度 (centralcorneal thickness, CCT) 的影响, 它与CCT呈正相关, 这可能会因此而影响青光眼和高眼压症患者的诊断、筛查和随访[5]。多年来, A超角膜测厚仪一直作为测量CCT的“金标准”。OCT作为一种新的影像学检测仪器, 因其分辨率 <10μm, 可以对角膜进行清晰的成像 (图1) , 能客观、定量、重复、非接触地测量CCT而应用于临床实践中。

图1女, 58岁, 原发性开角型青光眼。A~C显示该患者左眼角膜OCT图像, A显示扫描部位及方向;B为角膜厚度图, 可见角膜从周边到中央厚度逐渐增厚, 到中央角膜为最厚, 中央角膜厚度测量值为518 μm (B) ;角膜横断面成像示其角膜未见明显病变 (C)

Chen等[6]通过不同操作者应用FD-OCT反复测量35只健康眼的CCT, 发现FD-OCT测量CCT有良好的可重复性。Garcia-Medina等[7]分别利用超声波角膜测厚仪 (ultrasoundpachymetry, USP) 和FD-OCT对80例80只原发性开角型青光眼 (primary open-angle glaucoma, POAG) 进行CCT测量, 结果显示这两种检查方法测得的平均CCT分别为 (537.76±32.24) μm和 (520.53±30.44) μm, 有显著差异 并高度相 关;并认为FD-OCT对POAG测得的CCT值小于USP测得值, 但两者的差别在眼压评估方面无临床意义。Lázaro等[8]比较了眼前节OCT (anterior segment opticalcoherence tomography, AS-OCT) 和USP对CCT的测量, 并进行了相关性研究, 由同一检查者对112例受试者112眼分别进行两种检查, 两种检查结果无显著差异且高度相关。张鸿瑫等[9]通过比较FD-OCT与A超角膜测厚仪测量高度近视眼患者的CCT, 结果发现FD-OCT测量CCT更准确、方便。徐玲娟等[10]比较了FD-OCT及A超角膜测厚仪测量27例健康志愿者54眼中CCT的差异, 发现两者差异无统计学意义, 并认为A超角膜测厚仪测量CCT时因受表面麻醉药的影响使其测得的数值较实际值稍高, 且因A超角膜测厚仪为接触性测量、测量时存在交叉感染风险以及给患者带来不适感, 将逐步被非接触的、操作方便、准确及可重复性好的OCT所取代。

2.2前房深度及前房角朱芹等[11]研究了原发性慢性闭角型青光眼患者房角粘连与视野缺损的关系, 发现青光眼组房角粘连程度与视野平均缺损及眼压呈正相关, 当房角粘连范围 >180°时, 小梁切除术效果更明确, 虹膜周边激光切开术则相对无效。因此, 综合评价前房角是准确诊断和治疗青光眼的关键。目前前房角镜普遍应用于眼科临床中, 但因其为接触性的检查以及其结果受操作者的经验影响很大, 故在房角结构的客观评价时存在一定的局限性。近年发展起来的AS-OCT能在活体内非接触地测量和客观评估房角, 并可提供多种测量参数 (图2、3) 。

图2 女, 50岁。A、B显示正常人眼房角OCT图像, A显示扫描部位及方向;B为前房角横断面成像, 可见巩膜突与虹膜表面分离, 且间距较宽, 房角开放 (箭)

图3 男, 55岁, 原发性闭角型青光眼。A、B显示闭角型青光眼患者房角OCT图像, A显示扫描部位及方向;B为前房角横断面成像, 可见巩膜突与虹膜根部表面相贴, 房角关闭 (箭)

Nolan等[12]认为AS-OCT闭角的敏感性及检出率均高于房角镜, 尤其在上方和下方象限。Kim等[13]评估了ASOCT检测前房角的可重复性, 发现在鼻侧和颞侧象限有良好的可重复性, 但在下方象限存在较明显的差异, 这可能与不同象限巩膜突差异以及下方象限较难获得高质量的图像有关。Chen等[14]分别用AS-OCT和超声生物显微镜 (ultrasoundbiomicroscopy, UBM) 对前房深度进行测量, 发现这两种检查方法测得的结果无显著差异。Low等[15]认为UBM较ASOCT更费时, 并需要操作者技术熟练, 以获取足够高质量的图像。与UBM相比, AS-OCT成像的不足之处是1310 nm波长光不能穿透虹膜色素上皮。因此, 不能通过AS-OCT直视睫状体、晶状体、悬韧带等相对深层次的组织结构。尽管如此, AS-OCT在临床应用中仍有很多优势, 如快速、高分辨率、较少依赖操作员的技能以及非接触性等, 且对患者来说相对舒适, 尤其是对于不能耐受前房角镜检查的患者。此外, AS-OCT还能在青光眼手术后即刻观察房角情况。

2.3视网膜神经纤维层视网膜神经纤维层 (retinal nervefiber layer, RNFL) 变薄及丢失是青光眼的早期特征性改变, 因此准确检测青光眼患者的RNFL厚度的改变是诊断和防治青光眼视神经损害的关键。OCT作为一种新的高分辨率的横截面断层扫描方法, 能在活体实时显示生物学组织的细微结构, 可以直接从剖面图像中测量RNFL的绝对厚度 (图4) , 其检测值与组织学测量值基本一致[16]。

Kanamori等[17]发现Cirrus、RTVue、三维频域OCT这3种SD-OCT测量的RNFL厚度与视野均有良好的一致性。马英慧等[18]研究了早、中、晚期青光眼患者OCT检测的RNFL厚度与视野缺损的相关性, 发现早、中期青光眼患者平均RNFL厚度、上方和下方平均RNFL厚度与相应视野缺损呈中度负相关 (r= - 0.459、- 0.481、- 0.583, P<0.05) , 晚期青光眼患者平均RNFL厚度、上方和下方平均RNFL厚度与相应视野缺损无明显相关性 (r= -0.231、-0.290、-0.307, P>0.05) 。王晓贞等[19]应用频域RTVue OCT测量62例正常人和67例青光眼患者的RNFL厚度, 评估了频域OCT的RNFL厚度各参数在青光眼诊断中的作用, 发现RTVue OCT测量平均RNFL厚度参数在青光眼的诊断中有较好的特异性和敏感性 (ROC曲线下面积为0.914±0.026) , 能很好地区分正常人和青光眼患者。Kratz等[20]采用前瞻性横断面研究对85只青光眼和88只正常眼分别用Cirrus OCT和海德堡视网膜断层扫描装置3 (heidelberg retinal tomograph 3, HRT3) 对RNFL厚度进行检测, 分析两者测量RNFL厚度的关系, 结果发现通过HRT3测量的总体及4个象限的RNFL厚度均明显高于Cirrus OCT, 且均有显著差异及良好的相关性。由于OCT和HRT3的标准诊断分类不同, 故在临床实践中两者的测量结果不能互换。王雅丽等[21]分析了傅里叶OCT和HRT3测量青光眼患者的RNFL厚度的各项参数, 并评价了两者在青光眼早期诊断中的作用, 发现两者的各项视盘参数结果接近, 且均与视野的平均缺损值有较好的相关性, 并且两者在青光眼早期诊断中均有重要价值。然而, 傅里叶OCT在检测RNFL的切面图像及定量测定方面要明显优于HRT3, 更有利于早期发现RNFL的厚度改变。Raghu等[16]报道OCT比HRT3在测量RNFL厚度方面更有优势, 因其具有更高的轴向分辨率并能自动描绘视盘的边缘, 故能消除因操作者导致的误差。

图4男, 60岁, 原发性开角型青光眼早期。A~C显示右眼视乳头旁RNFL厚度成像。A为彩色眼底照, 绿色圈为OCT扫描部位;B、C中, 绿色区域代表患者的RNFL厚度正常, 黄色代表RNFL厚度处于临界, 红色代表RNFL厚度低于正常人。由图可见患者右眼颞上及颞下RNFL萎缩变薄, S:上方;T:颞侧;I:下方;N:鼻侧;

2.4黄斑区神经节细胞复合体神经节细胞复合体 (ganglioncell complex, GCC) 由视网膜内丛状层、神经节细胞层及RNFL组成, GCC随着青光眼神经节细胞 (retinal ganglioncell, RGC) 的丢失而变薄。由于50% 以上的神经节细胞胞体位于黄斑区, 故可以通过测量黄斑区GCC厚度敏感地检测到RGC的丢失[22]。自OCT推出以来, 利用其测量视乳头旁视网膜神经纤维层 (peripapillary retinal nerve fiber layer, p RNFL) 厚度是一种广泛应用于青光眼的检测和随访的影像学方法。由于早期研究结果显示时域OCT的黄斑厚度参数对青光眼的诊断效力不如p RNFL, 故黄斑厚度参数未普遍应用于青光眼。基于SD-OCT能够更好地分割和测量视网膜 (图5) , 使得眼科医师再次关注于利用黄斑厚度参数来诊断青光眼。

Inuzuka等[23]利用SD-OCT对只有上方或下方视野缺损的67例POAG患者67眼进行黄斑区神经节复合体 (macularganglion cell complex, m GCC) 厚度测量, 发现m GCC厚度是早期青光眼改变的一个敏感指标, 它与视野检查结果有良好的一致性, 并能早于视野检测到与青光眼损害相关的结构改变。樊宁等[24]通过对照研究发现SD-OCT能够定量测量并区分青光眼患者与正常人的黄斑区GCC厚度。黄斑区GCC随青光眼病情的进展而逐渐变薄, 并与RNFL及视野损害有较好的相关性。Tan等[25]认为黄斑区GCC是诊断青光眼损害的最佳测量部位, 并与p RNFL对青光眼诊断效力相当。朱红军等[26]评估了OCT测量正常人和POAG患者黄斑区GCC厚度的可重复性, 发现OCT测量正常人及POAG患者黄斑区GCC厚度在操作者内和操作者间均有较好的可重复性。Ganekal[27]在20例可疑青光眼患者和20例青光眼患者中用OCT分别测量p RNFL厚度及黄斑区GCC厚度, 比较两者在青光眼诊断中的价值, 结果发现两者对青光眼的诊断价值相当。Nakano等[28]认为对于高度近视眼合并青光眼的患者而言, 与p RNFL相比, 利用SD-OCT评估黄斑区GCC厚度的一致性和准确性更好, 可能由于黄斑区GCC厚度受眼轴的影响更小。Lee等[22]通过对30眼存在旁中心暗点和33眼不存在旁中心暗点的青光眼进行研究, 发现黄斑区GCC厚度在区分是否存在旁中心暗点方面优于p RNFL厚度。因此, 在青光眼的诊断和跟踪随访中, GCC厚度的测量可以作为p RNFL检查的补充手段[27,29,30]。然而目前关于OCT的黄斑区GCC厚度参数在青光眼诊断中的应用研究较少, 尤其在国内, 且大多数研究均为横断面研究并主要集中在平均黄斑区GCC厚度, 故在纵向和局部黄斑区GCC厚度参数方面尚需进一步探索。

图5女, 65岁, 原发性开角型青光眼。A、B显示黄斑区GCC成像, 下方 (右侧) GCC厚度明显小于上方 (左侧) , RNFL层尤为明显 (箭头, A) ;右眼下方的RNFL及GCL++层明显变薄 (图中箭头所指红色区域) , 并可对其行定量分析 (B) 。ILM:内界膜;RNFL:视网膜神经纤维层;GCL:神经结细胞层;IPL:内丛状层。GCL++=GCC=RNFL+GCL+IPL, GCL+=GCL+IPL

3总结