李艷 奚杰峰 南京微創(chuàng)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司 （南京 210061）

內(nèi)窺式光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)及其應(yīng)用

李艷 奚杰峰 南京微創(chuàng)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司 （南京 210061）

光學(xué)相干斷層成像技術(shù)是一種新型的生物光學(xué)成像方法，它作為可以用于生物組織微結(jié)構(gòu)的斷層成像，具有分辨率高、成像速度快、安全等特點，在眼科與皮膚科等領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用。內(nèi)窺式光學(xué)相干斷層成像技術(shù)利用微小光學(xué)探頭，大大增加了光學(xué)相干斷層成像技術(shù)的臨床應(yīng)用領(lǐng)域，尤其在心血管科以及消化科等領(lǐng)域具有潛在的廣泛應(yīng)用。

光學(xué)相干斷層成像 內(nèi)窺鏡 內(nèi)窺式光學(xué)相干斷層成像 掃描成像探頭

1.光學(xué)相干斷層成像技術(shù)簡介

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)能提高疾病診斷和臨床治療效果、加深人們對發(fā)病機理的理解，有利于對疾病更好地診斷和治療。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷中，醫(yī)學(xué)成像技術(shù)扮演著重要的角色。近五十年來，各種先進的非侵入或微侵入醫(yī)學(xué)成像技術(shù)通過提供生物組織的結(jié)構(gòu)和功能信息，極大地提高了臨床診斷和介入治療的精確度和快捷程度，使醫(yī)學(xué)診斷發(fā)生了革命性的變化。在當(dāng)前的臨床實踐中，X射線成像、計算層析成像（Computed Tomography，CT）、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、超聲成像（Ultrasound，US）、正電子發(fā)射層析成像（Positron Emission Tomography，PET）等是在臨床中被廣泛接受和認(rèn)可的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，這些技術(shù)可以對人體組織結(jié)構(gòu)進行非侵入三維成像，但是在臨床實踐中分辨率卻很難突破100微米量級[1]。

與上述醫(yī)學(xué)成像技術(shù)相比，光學(xué)技術(shù)很早就被用于生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。其中，光學(xué)顯微術(shù)幾百年前就被用于生物組織切片檢查，分辨率可以最高達到亞微米級別[2]，但是光學(xué)顯微術(shù)的穿透深度非常有限。近年來，隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一系列新穎的光學(xué)顯微成像技術(shù)[3—7]。例如共聚焦顯微鏡、熒光顯微鏡、雙光子或多光子顯微鏡以及超分辨率顯微鏡等技術(shù)，能在較高的軸向分辨率和橫向分辨率水平上（小于1微米）對生物組織進行顯微成像，其穿透深度可達幾百微米，但對于臨床應(yīng)用要求仍然不足。切片活檢和組織病理學(xué)仍然是臨床應(yīng)用（包括癌癥的診斷）中的金標(biāo)準(zhǔn)，然而在某些組織中切片活檢是會帶來損傷的，而且有可能因為樣本錯誤造成不可接受的錯檢率[8]。

一種生物醫(yī)學(xué)成像模式，若能夠?qū)崿F(xiàn)非侵入或最小侵入的三維成像，成像分辨率接近組織形態(tài)學(xué)甚至細胞形態(tài)學(xué)分辨水平，同時提供功能信息，將能夠極大地促進疾病的早期診斷，使人們更好地理解疾病的病理發(fā)生學(xué)，同時也能夠更好地對疾病發(fā)展和治療響應(yīng)進行監(jiān)測。光學(xué)相干層析（Optical Coherence Tomography，簡稱OCT）成像技術(shù)是一種新穎的、非侵入、無損傷、無電離輻射的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)，能夠在體地對生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理功能進行高分辨率高靈敏度三維層析成像[9～11]，被認(rèn)為是最有可能成為“光學(xué)活檢”的技術(shù)之一。該技術(shù)由美國科學(xué)院院士、美國麻省理工學(xué)院教授James G. Fujimoto于1991年提出。二十年多來，OCT技術(shù)在分辨率、探測靈敏度、成像深度、成像速度、組織穿透深度、對比度增強機制以及臨床應(yīng)用等方面都有了長足進步。OCT技術(shù)極大地彌補了當(dāng)前臨床醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與光學(xué)顯微技術(shù)的不足之處。首先，OCT的成像分辨率遠高于傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如CT、MRI或醫(yī)用超聲，達到1～10微米，可用于診斷一些傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像診斷方法難以勝任的疾病，在診斷器官早期病變有明顯優(yōu)勢。其次，OCT成像技術(shù)利用近紅外光作為探測源，避免了X射線成像和X射線CT中的電離輻射對人體造成的潛在危害。此外，由于OCT可實現(xiàn)對生物組織的微觀結(jié)構(gòu)進行分辨率接近組織學(xué)水平的原位成像，并且無需對組織進行切除和后處理，因此可對以往醫(yī)療診斷中難以觀察或不宜作切片檢查的組織進行在體成像，從而避免傳統(tǒng)活檢對活體組織的潛在損傷。

OCT系統(tǒng)基于低相干寬帶光源照明的邁克爾遜干涉儀（如圖1所示），來自人體內(nèi)部組織各層的后向散射光通過樣品臂與來自參考臂的參考光束耦合產(chǎn)生干涉信號，通過探測器將光干涉信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)高速采集卡將電信號數(shù)字化，由后續(xù)的數(shù)字信號處理器對數(shù)字化的干涉信號進行數(shù)據(jù)處理和圖像重建以獲得代表生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深度層析圖像。其中干涉儀的樣品臂可以與裂隙燈、內(nèi)窺鏡、手持式探頭結(jié)合，可對人眼、皮膚、牙齒、內(nèi)臟等不同器官進行掃描成像。

圖1. 光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)原理圖

2.內(nèi)窺式光學(xué)相干斷層成像技術(shù)簡介

內(nèi)窺式醫(yī)學(xué)成像是指成像裝置微型化，從而使得成像裝置能夠直接進入人體器官內(nèi)部對目標(biāo)區(qū)域進行局部成像的技術(shù)，從而得到更加有臨床意義的醫(yī)學(xué)圖像信息，如超聲內(nèi)窺鏡技術(shù)等。與傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡技術(shù)類似，內(nèi)窺式OCT技術(shù)也是一種生物組織在體成像手段[12～18]，在體檢查內(nèi)部臟器需要與合適的內(nèi)窺裝置進行配合，易彎曲的成像探頭配合導(dǎo)管和內(nèi)窺鏡是實現(xiàn)體內(nèi)OCT成像的關(guān)鍵技術(shù)。由于其直接應(yīng)用于臨床診斷，內(nèi)窺式OCT系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)是將成像裝置微型化，形成一個可以進入人體的成像探頭。探頭直徑越小就越容易進入人體器官（如血管、末端支氣管等），并對組織和器官的潛在損傷也越?。ㄈ缒懙赖龋?。另外，成像探頭的視場、掃描范圍、掃描速率也是影響內(nèi)窺視OCT成像質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。OCT探頭按照掃描方式的不同可分為兩種：側(cè)視成像掃描探頭和前視成像掃描探頭。

側(cè)視成像掃描探頭是應(yīng)用較為廣泛的一種OCT微探頭（如圖2A所示）。在側(cè)視OCT探頭中，激光光束沿著垂直于探頭對稱軸的方向照射樣品，同時收集從樣品內(nèi)部返回的光信號。側(cè)視成像掃描探頭一般包括一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置。以用于血管成像的側(cè)視探頭為例，一種典型的側(cè)視成像探頭的主體結(jié)構(gòu)是一根單模光纖，光纖近端與可旋轉(zhuǎn)的光纖金屬外管牢固連接，光纖末端設(shè)置有微型透鏡和微棱鏡呈輻射狀反射OCT系統(tǒng)出射的光。OCT光束通過光纖外管帶動光纖末端旋轉(zhuǎn)，從光纖末端出射的光束照射到空腔結(jié)構(gòu)或者中空結(jié)構(gòu)的組織中進行橫向成像，縱向方向的成像通過推拉或者螺旋推拉光纖外管帶動光纖移動實現(xiàn)[19,20]。

側(cè)視成像掃描探頭根據(jù)驅(qū)動裝置位置的不同分為近端驅(qū)動微探頭和末端驅(qū)動微探頭，近端驅(qū)動微探頭的優(yōu)勢在于光纖成像掃描探頭的直徑可以做到1至2毫米，不足之處在于驅(qū)動裝置帶動整個OCT探頭轉(zhuǎn)動，存在機械傳動以及同步等問題。末端驅(qū)動微探頭的優(yōu)勢在于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置直接帶動OCT探頭末端進行掃描，避免了機械不同步對成像質(zhì)量造成的影響，并可以在不增加風(fēng)險的前提下增加掃描速度。不足之處在于，驅(qū)動裝置使得OCT探頭的尺寸受到限制，并會遮擋部分視場。Su等采用在OCT探頭末端裝置超聲波馬達的方式實現(xiàn)圓周掃描，整個探頭的直徑是2.7毫米，其中微電機馬達直徑是2.2毫米[21]。

前視成像掃描探頭的特點是OCT光束沿探頭光軸軸出射，該成像探頭能提供組織結(jié)構(gòu)信息，因此特別適合用于引導(dǎo)外科手術(shù)（如圖2B所示）。與側(cè)視成像掃描探頭相比，前視成像掃描探頭的微型化相對困難。Wu等設(shè)計了直徑為1.65毫米的前視針管成像探頭[22]，該探頭采用一對成角度的旋轉(zhuǎn)自聚焦透鏡掃描探頭前端的區(qū)域，其驅(qū)動系統(tǒng)裝置設(shè)置在OCT探頭近端。Ryu等設(shè)計了一種全光纖OCT系統(tǒng)探頭[23]，該探頭采用多模光子晶體光纖以及同尺寸無芯光纖直接在光探頭前端形成聚焦透鏡，其探頭最大外徑為125微米，橫向分辨可以達到14.2微米。此外，還有一種設(shè)計采用高反射的二維微電機馬達掃描鏡作為驅(qū)動裝置[20]，并安裝在探頭末端，類似于物鏡的透鏡設(shè)置在掃描鏡的后面。該探頭的掃描范圍達到3毫米，掃描速度為40幀/秒，橫向分辨率為12.5微米。

值得指出的是前視成像掃描探頭的尺寸主要由所使用的驅(qū)動裝置決定。前視成像掃描探頭一般生成2D圖像，結(jié)合2D成像與探頭旋轉(zhuǎn)或線性轉(zhuǎn)化可生產(chǎn)3D圖像。

圖2. （A）側(cè)視成像掃描探頭與；（B）前視成像掃描探頭示意圖

3.內(nèi)窺式光學(xué)相干斷層成像技術(shù)的應(yīng)用

血管OCT成像是內(nèi)窺式OCT技術(shù)最早進行的臨床應(yīng)用。與血管超聲成像（Intravascular US，IVUS）相比，由于OCT具有較高的分辨率（10微米），OCT在對內(nèi)膜、中膜、動脈外膜的成像上具有非常明顯的優(yōu)勢。血管OCT應(yīng)用的難點同樣聚焦在開發(fā)可用于動物或人體的掃描成像探頭上。由于血液中紅細胞對光的高散射性，在活體內(nèi)進行血管OCT成像是非常有挑戰(zhàn)性的，OCT成像過程中需要移走待測區(qū)域血液或者大倍數(shù)稀釋血液。目前普遍采用生理鹽水或血管造影劑稀釋成像區(qū)域的血液完成成像過程。Fujimoto等于1999年報道了應(yīng)用于兔子血管OCT動物實驗[24]，實驗中使用了OCT成像探頭直徑為2.9毫米[25]，寬帶飛秒激光器中心波長為1280納米，系統(tǒng)探測器為512像素的線性探測器。成像時采用生理鹽水稀釋血紅細胞。該OCT系統(tǒng)的縱向分辨率為10微米，成像速度為4幀/秒。Tearney等于2000年報道了基于豬的血管動物成像研究[26]，成像過程中同樣采用生理鹽水稀釋血紅細胞。

血管OCT成像無論在研究領(lǐng)域還是商業(yè)領(lǐng)域都相當(dāng)活躍。商業(yè)化的血管OCT在1998年由Lightlab Imaging率先制造，當(dāng)時商用系統(tǒng)成像速度是15幀/秒，為加快掃描速度，每幀圖像僅包含200條A-scans，該商用系統(tǒng)2004年進入歐洲市場。Lightlab Imaging于2007年推出第二代血管成像OCT系統(tǒng)，其成像速度是20幀/秒，且每幀圖像包含240條A-scans。目前基于掃頻激光光源的頻域OCT成像系統(tǒng)成像速度能達到100幀 /秒，每幀圖像包含500條A-scan。

內(nèi)窺OCT技術(shù)的另一個廣泛的應(yīng)用是在消化道，消化道內(nèi)窺鏡技術(shù)由于食道癌、胃癌、結(jié)腸癌的多發(fā)被廣泛關(guān)注。早期的OCT成像技術(shù)用來鑒別胃腸道病理學(xué)，例如巴雷斯特食管，腺瘤性息肉，消化道腺體癌。傳統(tǒng)的切片活檢選用染色劑增強細胞與組織的結(jié)構(gòu)對比度，光學(xué)顯微成像能對大尺寸的組織結(jié)構(gòu)進行亞細胞水平的表面成像。內(nèi)窺OCT成像是通過不同組織結(jié)構(gòu)散射特性生成的固有的對比度，能實時對人體組織進行組織學(xué)級別的成像，不需要像傳統(tǒng)成像模式那樣繁復(fù)切除和檢驗過程。Tearney等1997年實現(xiàn)第一列活體食管內(nèi)窺OCT成像[27,28]，該實驗證明了OCT技術(shù)可對食管各層進行深度分辨的醫(yī)學(xué)成像，包括粘膜層、粘膜下層、內(nèi)粘膜肌層、外粘膜肌層、絨毛層。Sergeev等于1997年報道了第一列人體內(nèi)窺OCT臨床試驗[29]。該實驗采用前視成像掃描探頭結(jié)合內(nèi)窺鏡套管針完成成像，所用成像微探頭直徑是1.5至2.0毫米。早期研究證明內(nèi)窺OCT成像系統(tǒng)可實現(xiàn)包括食道、直結(jié)腸、胃等器官的成像。

4.現(xiàn)有內(nèi)窺式OCT系統(tǒng)簡介

內(nèi)窺式OCT成像與內(nèi)窺超聲成像類似，區(qū)別在于用光和聲分別對人體組織進行成像。由于OCT技術(shù)采用近紅外光波作為信號源，并利用光學(xué)相干的方法獲得深度層析信息，與超聲相比能獲得更高的分辨率。以下是兩種典型的內(nèi)窺視OCT內(nèi)鏡成像系統(tǒng)與超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的比較，其中ILUMIEN OPTIS系統(tǒng)應(yīng)用于血管OCT成像，NvisionVLE系統(tǒng)應(yīng)用于消化道OCT成像，而Terumo MUS系統(tǒng)是用于血管的超聲內(nèi)鏡成像系統(tǒng)。

表1. 常見內(nèi)窺式OCT系統(tǒng)與超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的關(guān)鍵性能對比

從表1可以看出，內(nèi)窺式OCT成像系統(tǒng)與超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)相比，在分辨率上有非常明顯的優(yōu)勢，前者是后者的10～25倍。但在成像深度與組織穿透深度上，超聲內(nèi)鏡則具有較大的優(yōu)勢。

5.小結(jié)與未來展望

科學(xué)技術(shù)的不斷進步推動醫(yī)學(xué)成像技術(shù)迅猛發(fā)展，以X射線成像技術(shù)為例，在其長達110多年的發(fā)展歷史中，輻射劑量減少了1500倍，成像速度快了257000倍，對比度得到顯著增強使得臨床獲得更好更精細的分辨率。值得一提的是，在OCT技術(shù)20多年的發(fā)展時間里，軸向分辨率提高了10倍，成像速度提高了近百萬倍，成像對比度也得到大幅提升，OCT的應(yīng)用領(lǐng)域也更多開發(fā)出來。

但值得注意的是，OCT用于早期疾病的檢查與篩查需要大量臨床細節(jié)研究，用于建立區(qū)分類似病理的圖像數(shù)據(jù)庫。臨床研究中的難點之一是OCT成像與病理切片位置的精確標(biāo)定，病理檢查仍然是現(xiàn)有很多疾病診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，建立OCT成像圖像庫的過程需要將兩種臨床診療手段的病理變化比對分析，比較兩種檢測方法的靈敏度和特異性，而評估與分析的可靠性取決于OCT成像與切片活檢位置的精確標(biāo)定。臨床研究中的另一大難點是，從一定數(shù)量樣本獲取的病人信息才具有統(tǒng)計學(xué)意義，各種異常結(jié)構(gòu)癌癥發(fā)病率低，所登記在冊的病人信息與統(tǒng)計學(xué)要求有一定距離?；谝陨显颍瑑?nèi)窺OCT技術(shù)用于癌癥等疾病的早期檢查與篩選仍然具有挑戰(zhàn)性，是一個需要不斷探索研究的領(lǐng)域。

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Endoscopic Optical Coherence Tomography and Its Applications

LI Yan XI Jie-feng Micro-Tech(Nanjing) Co. Ltd., (Nanjing 210061)

Optical coherence tomography (OCT) is a novel biomedical imaging modality, which provides microanatomy of biological tissue. OCT that safely offers high resolution, real-time, cross sectional image has been widely adopted in ophthalmology and dermatology. Endoscopic optical coherence tomography, which utilizes miniature optical probes, greatly expands the applications in OCT field, particularly in cardiology and gastrointestinology.

optical coherence tomography, endoscopy, endoscopic optical coherence tomography, scanning imaging probe

1006-6586(2017)05-0013-06

R319

A

2016-11-08