李寧1，劉艷珍1，賀偉罡，孟祥峰1，王權(quán)1，張志軍

1.中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所，北京 100050；2. 國家食品藥品監(jiān)督管理總局 醫(yī)療器械技術(shù)審評中心，北京 100044

眼科光學(xué)相干斷層掃描儀質(zhì)量控制參數(shù)的測量方法分析

李寧1，劉艷珍1，賀偉罡2，孟祥峰1，王權(quán)1，張志軍2

1.中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所，北京 100050；2. 國家食品藥品監(jiān)督管理總局 醫(yī)療器械技術(shù)審評中心，北京 100044

本文主要介紹了光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（OCT）質(zhì)控參數(shù)的意義和分辨率測量方法的對比分析。著眼于眼科OCT設(shè)備，闡述了該類設(shè)備的質(zhì)控指標(biāo)及其含義；結(jié)合OCT設(shè)備的原理和應(yīng)用情況，重點從技術(shù)層面和實現(xiàn)層面闡述了眼科OCT設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)——分辨率的測量方法，同時還比較了不同測量方法的優(yōu)劣。

光學(xué)相干斷層掃描；分辨率；質(zhì)控參數(shù)；模擬眼

1 OCT簡介

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（Optical Coherence Tomography，OCT）是近年來迅速發(fā)展起來的一種成像技術(shù)。它利用弱相干光干涉儀的基本原理，測量生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，再通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。

OCT的發(fā)展經(jīng)歷了時域OCT（TD-OCT）和頻域OCT（FD-OCT）兩個階段。TD-OCT是通過樣品臂和參考臂反射光的光程差來探測不同深度的組織背景信號。FD-OCT一般由寬帶光源照明的邁克爾遜干涉儀和光譜儀組成，與TDOCT不同的是，參考臂是固定不動的，直接測量干涉信號的光譜，對所測的光譜進行快速傅里葉逆變換得到樣品不同縱向深度的信息。相對于TD-OCT而言，F(xiàn)D-OCT具有更高的成像信噪比和更快的成像速度，更適合對生物組織實時成像和三維成像。這也是目前OCT設(shè)備的主流技術(shù)。

目前OCT在口腔科、神經(jīng)科、腦科、動脈介入治療和眼科等多個領(lǐng)域均有應(yīng)用，但是在眼科領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)也很成熟。在眼科的應(yīng)用領(lǐng)域包含：黃斑疾病的診斷、脈絡(luò)膜新生血管疾病的診斷、視網(wǎng)膜疾病的診斷、眼科疾病術(shù)后檢測、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層的定量測量、黃斑部中心凹及分區(qū)的定量檢測、中央角膜厚度的定量測量等[1-4]。

2 眼科OCT設(shè)備質(zhì)控指標(biāo)及意義

由于OCT技術(shù)在眼科領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，本文只討論眼科OCT設(shè)備的質(zhì)控指標(biāo)及測量方法，同時，通過調(diào)研我們了解到，目前在世界范圍內(nèi)主流的眼科OCT設(shè)備均是采用FD-OCT的成像方式，因此下面的討論將聚焦于利用FDOCT進行成像的眼科OCT設(shè)備。

眼科OCT設(shè)備的主要參數(shù)包括：成像范圍、掃描頻率、分辨率（包括橫向分辨率和縱向分辨率）、最小瞳孔直徑和屈光度調(diào)節(jié)范圍等。

2.1 成像范圍

成像范圍，顧名思義，是考量設(shè)備在一次成像過程中拍攝范圍大小的物理量。在其他指標(biāo)相同的情況下，成像范圍越大越好。較大的成像范圍可以便于醫(yī)生對眼底的整體情況進行更換的對比和判斷。增大成像范圍就會增加掃描線的發(fā)射數(shù)目，也就是增加了掃描時間，由于在眼科OCT檢查過程中，患者眼球的相對運動越少，拍攝的圖像質(zhì)量越高，如果無限的增加成像范圍，就會造成掃描時間過長，患者眼球的相對運動大，會產(chǎn)生拍攝的運動偽影。因此，成像范圍的數(shù)值大小要考慮對掃描時間的影響。

2.2 掃描頻率

掃描頻率，是OCT設(shè)備發(fā)射掃描線的頻率。OCT設(shè)備的掃描功能是通過“多線成面，多面成體”的原理實現(xiàn)的，具體來說就是，OCT設(shè)備每發(fā)射一條掃描線，通過干涉現(xiàn)象就可以獲得該掃描線上的生物組織信息，即對該條線上是生物組織進行成像，移動掃描線就可以獲得另外一條掃描線上的生物組織信息，以此類推，當(dāng)完成一行掃描線的成像后就獲得一個平面的圖像，而對多行掃描線成像后就獲得一個三維物體的圖像。所以O(shè)CT設(shè)備發(fā)射掃描線的頻率越高，OCT設(shè)備的掃描時間就會越短。

2.3 橫向分辨率

橫向分辨率，是考量眼科OCT設(shè)備在眼底平面方向?qū)τ谖⑿∥矬w的分辨能力。目前眼科OCT設(shè)備的橫向分辨率大多是20 λm，最高可達(dá)到14 λm 。橫向分辨率高是OCT測量技術(shù)的主要優(yōu)勢之一，也是OCT技術(shù)優(yōu)于其他檢測技術(shù)的主要原因。由FD-OCT設(shè)備的工作原理來看，似乎橫向分辨率主要受掃描線間隔的影響，但是在OCT設(shè)計過程中，相鄰掃描線的覆蓋區(qū)域是有交叉的，也就是掃描線的間隔對目前的OCT設(shè)備無影響。橫向分辨率主要受掃描光斑大小的影響。

2.4 縱向分辨率

縱向分辨率，是考量眼科OCT設(shè)備在眼軸方向?qū)τ谖⑿∥矬w的分辨能力。目前眼科OCT設(shè)備的縱向分辨率為3～10 ，由此可以看出縱向分辨率的數(shù)值在廠家分布比較分散?？v向分辨率的影響因素多而復(fù)雜，其中與光譜的形狀相關(guān)性最大。通過光譜形狀的處理來提供OCT設(shè)備的縱向分辨率也是目前的研究熱點之一。同時，縱向分辨率也是OCT設(shè)備的最重要參數(shù)之一。

2.5 最小瞳孔直徑

最小瞳孔直徑，是考量眼科OCT設(shè)備對于瞳孔直徑的適應(yīng)狀況。人眼瞳孔的大小不一，且受外界因素影響，如入射光線強度、調(diào)節(jié)狀態(tài)等也會對瞳孔的直徑造成影響。眼科OCT設(shè)備進行眼底檢查時，如果瞳孔較小，就會使得成像范圍變小，如果瞳孔過小，會使得眼球成為一個“管視”形狀的光學(xué)系統(tǒng)，而這種光學(xué)系統(tǒng)會對成像質(zhì)量造成很大影響。

2.6 屈光度調(diào)節(jié)范圍

屈光度調(diào)節(jié)范圍，是考量眼科OCT設(shè)備對于人眼球不同屈光度的補償程度。由于個體差異等因素，不同被檢查者的屈光度是不同的?，F(xiàn)有眼科OCT設(shè)備的屈光補償范圍絕大多數(shù)是-33～+40。

3 分辨率的測量方法分析

橫向分辨率和縱向分辨率均是眼科OCT設(shè)備的關(guān)鍵質(zhì)控指標(biāo)，也是目前不同眼科OCT設(shè)備的主要差異之一。以下將根據(jù)FD-OCT設(shè)備的原理，對分辨率的測量方法進行介紹和對比。目前，眼科OCT分辨率的測量方法主要分為3類：理論計算方法、圖像處理方法和模擬眼測量方法。下面將針對3類方法分別進行介紹和比較。

3.1 理論計算方法

3.1.1 橫向分辨率

對于FD-OCT設(shè)備，橫向分辨率主要取決于設(shè)備前端透鏡的聚焦光斑大小，光斑越小，橫向分辨率就越高。聚焦光斑大小與橫向分辨率數(shù)值的具體關(guān)系如式(1)所示：

其中f為透鏡焦距，d為通光孔徑；λ為波長。

3.1.2 縱向分辨率

縱向分辨率取決于掃描光源相干長度，相干長度和光源半高譜寬與中心波長密切相關(guān)。

在邁克爾遜干涉儀中，當(dāng)?shù)拖喔晒庠礊楦咚构庠磿r，縱向分辨率的表達(dá)式為：

其中λ為掃描光譜的中心波長，△λ為掃描光源半高譜寬[5-6]。

3.1.3 小結(jié)

由以上可知，當(dāng)運用理論計算方法來測量分辨率時，需要測量設(shè)備的掃描光源特性、透鏡焦距和透鏡通光孔徑。由于眼科OCT設(shè)備在儀器終端的光強比較弱，所以一般采用測量儀器內(nèi)部未衰減時的光；在測量透鏡焦距和通光孔徑的時候，也需要拆開儀器，將儀器內(nèi)部的透鏡單獨取出進行相關(guān)測量。由于在OCT設(shè)備中透鏡的位置要求精度比較高，因此將透鏡裝回儀器時要求進行位置的校驗。

理論計算方法的優(yōu)點：

（1）被測量為基礎(chǔ)參量，對測量設(shè)備的要求相對較低。

（2）原理清晰。

但是，理論計算方法的缺點也是很明顯的，主要是：

（1）理論計算方法是有損測量，對于成品測量而言需要拆開儀器進行，測量成本較高。

（2）理論計算過程中各過程量誤差的引入，將會降低最終值的準(zhǔn)確性。

（3）由于實際人眼的像差、有效通光孔徑、色散等均影響分辨率的值，因此理論計算值和SD-OCT設(shè)備的實際分辨率值相差較大。

3.2 圖像處理方法

圖像處理方法主要是通過對FD-OCT設(shè)備生產(chǎn)的圖片運用圖像處理的方法得到像素大小，從而獲得設(shè)備的橫向分辨率和縱向分辨率。具體來說就是，首先用眼科OCT設(shè)備對人眼進行掃描和拍攝，利用儀器的圖片導(dǎo)出功能將拍攝的圖片進行導(dǎo)出，然后，利用第三方的圖像處理軟件讀出圖片的像素值，該值即為OCT設(shè)備的分辨率值。

圖像處理方法是一種間接測量方法，像素大小與圖像顯示裝置的性能相關(guān)，當(dāng)OCT設(shè)備的分辨率與顯示裝置的分辨率不同時，運用該方法無法獲取OCT設(shè)備本身的分辨率大小，因此在目前的測量中很少使用。

3.3 模擬眼測量方法

模擬眼測量方法是用一種光學(xué)元器件模擬人眼的相關(guān)參數(shù)，利用FD-OCT設(shè)備對模擬眼進行掃描和拍攝，因為模擬眼中有一些定量的分辨率靶物，根據(jù)OCT設(shè)備能夠看清的靶物值來確定分辨率。

這種方法的關(guān)鍵技術(shù)和難點是該光學(xué)元器件的光路設(shè)計。因為人眼是相對復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，全部光學(xué)參數(shù)的模擬在技術(shù)上不可實現(xiàn)，為模擬在進行眼底檢查時的人眼真實狀況，需要確定影響分辨率的光學(xué)參數(shù)有哪些，同時還需要大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計來給出各光學(xué)參數(shù)的具體數(shù)值。

人眼的眼球成像簡化光路圖，見圖1。將人眼簡化為一雙凸球面透鏡，屈光度為60 D。

圖1 適合OCT設(shè)備的眼球簡化圖

基于這一簡化，再假設(shè)眼科OCT設(shè)備的光學(xué)設(shè)計也是基于以上的眼球簡化圖，則眼科OCT設(shè)備的光路圖，見圖2。

圖2 眼科OCT設(shè)備光路圖

在圖2中，SLD為掃描光源，是一種超LED光源，從SLD出來的光線為平行光線，經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部的透鏡后，光線變?yōu)闀酃饩€，在進行眼底掃描時將患者眼睛調(diào)節(jié)到工作距離，即患者眼睛的焦點與透鏡焦點重合時，即可進行眼底掃描。

基于以上，分辨率模擬眼主要由兩部分組成：透鏡和靶物，見圖3。

圖3 分辨率模擬眼簡圖

在圖3中，透鏡的屈光度為60 D，靶物為反射類型，上面進行各種規(guī)格的分辨率設(shè)計。藍(lán)色箭頭代表進入人眼的掃描光，黑色箭頭代表從靶物反射的光線。

但在實際應(yīng)用過程中，該模擬眼的設(shè)計還需要進一步的研究和討論。因為上述的簡化型模擬眼只考慮了人眼的屈光度因素和單純反射狀態(tài)，而人眼作為一個復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，也存在像差，而且比一般光學(xué)系統(tǒng)的像差更不規(guī)則，具有復(fù)雜的高階像差；同時，人眼對于光線除了有反射的功能，還存在折射、散射和色散特性，這些因素對于眼底的成像分辨率均有影響。顯然，以上介紹的簡化模擬眼均未考量上述因素。

基于以上，模擬眼測量方法的優(yōu)點是：測量方法直接、測量裝置可溯源。

從理論上來看，分辨率模擬眼是最能模擬實際使用情況的一種方法。但是在目前的情況下，分辨率模擬眼是各廠家作為內(nèi)部測量的一種方法，因此技術(shù)參數(shù)的統(tǒng)一性無從獲得；且各廠家的模擬眼不具有通用性，這與各廠家的特征點設(shè)計有關(guān)，也與各廠家的設(shè)備內(nèi)部透鏡參數(shù)有關(guān)，這都是目前還未解決的問題；最重要的是目前階段的模擬眼均是簡化型模擬眼，這種模擬眼的準(zhǔn)確度也亟待評估；另外，模擬眼的溯源也是影響測量結(jié)果準(zhǔn)確度的主要因素，因此該方法的提高和推廣應(yīng)用還有一段距離[7-10]。

4 結(jié)束語

本文對OCT設(shè)備的原理、應(yīng)用情況和質(zhì)控指標(biāo)進行了闡述，同時，對于分辨率的測量方法在技術(shù)上進行了闡述和對比。雖然現(xiàn)在對于OCT設(shè)備分辨率提高的技術(shù)研究很多，但是OCT質(zhì)控指標(biāo)測量方法的研究還比較少，基本處于空白狀態(tài)。通過對不同方法的比較，模擬眼測量方法對于眼科OCT設(shè)備分辨率的測量是比較科學(xué)和準(zhǔn)確的方法。由于OCT設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對于模擬眼參數(shù)的研究很迫切，也很復(fù)雜。這也是我們今后研究的內(nèi)容。

[1] 王益蓉．光相干斷層掃描在眼科應(yīng)用進展[J]．中國現(xiàn)代醫(yī)生, 2008,48(6):47-49．

[2] 王磊,張新峰,高湔松,等．光學(xué)相干CT成像及應(yīng)用[J]．中國激光醫(yī)學(xué)雜志,2000,9(3):197．

[3] 莊逢源．光學(xué)相干CT和組織光學(xué)光譜儀的原理及其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J]．中國血液流變學(xué)雜志,2001,(2):89．

[4] 葉小鈞,柯元南．光學(xué)相干斷層的臨床應(yīng)用及前景[J]．中日友好醫(yī)院學(xué)報,2001,15(6):354-356．

[5] 孟捷,丁志華,周琳．光學(xué)相干層析成像軸向超分辨研究[J]．光子學(xué)報,2008,37(3):56-57．

[6] 曾紹群,駱清銘,劉賢德,等．OCT縱向圖像形成分析[J]．電子學(xué)報,1996,(10):103-105．

[7] 孔梅梅．人眼光學(xué)數(shù)字化模型及其光學(xué)參數(shù)干涉測試方法的研究[D]．南京:南京理工大學(xué),2011．

[8] BE Bouma,GJ Tearney．Handbook of Optical Coherence Tomograph[M]．Presented by Marcel Dekker,Inc,2001．

[9] 孔梅梅,高志山．眼球系統(tǒng)中關(guān)鍵屈光元件的光學(xué)模型研究[J]．光電工程,2012,39(2):36-42．

[10] Yasuo Ota．Outline and Economic Effect of Ophthalmic OCT[J]．Medical Photonics,2011,(5):47-52．

Research on Measurement Methods of Quality Control Parameters of Ophthalmic Optical Coherence Tomography

LI Ning1, LIU Yan-zhen1, HE Wei-gang2, MENG Xiang-feng1, WANG Quan1, ZHANG Zhi-jun2
1.Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China；2. Center for Medical Device Evaluation，SFDA，Beijing 100040, China

This paper describes the significance of quality control parameters of the optical coherence tomography (OCT) and makes a comparative analysis of the different methods of resolution measurement. Focusing on the ophthalmic OCT devices, their quality control indicators and meanings are described. Combined with the principle and application of OCT devices, this paper mainly researches on the resolution, which is one of the key quality control indicators. Then it gives a detailed comparison of the advantages and disadvantages of different methods of measurement.

optical coherence tomography; resolution; quality control parameters; model eye

TH786

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.07.003

1674-1633(2013)07-0008-03

2013-05-03

2013-06-06

國家科技支撐計劃課題（2012BAI22B04）；中國食品藥品檢定研究院中青年發(fā)展研究基金（2011C1）。

張志軍，國家食品藥品監(jiān)督管理總局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心主任。

通訊作者郵箱：zhangzhijun@cmde．org．cn