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在体成像前沿系列:(二)光学相干断层扫描

已有 11516 次阅读 2017-8-6 22:22 |个人分类:神经科技|系统分类:科普集锦| 医学, 神经科学, 在体成像技术

摘要

光学相干断层扫描(OCT)是用于高分辨率横截面成像的新兴技术。OCT类似于超声成像,除了它使用光而不是声音。OCT可以在现场和实时提供微米级别的组织结构的横截面图像。使用OCT与导管和内窥镜组合可实现器官系统的高分辨率腔内成像。OCT可以作为一种类型的光学活检,并且是用于医学诊断的强大的成像技术,因为与需要去除组织标本的常规组织病理学和用于显微镜检查的处理不同,OCT可以在现场和实时提供组织的图像。OCT可用于标准切除活检有害或不可能的情况,以减少与切除活检相关的抽样误差,并指导介入手术。在本文中,我们回顾了OCT技术,并描述了其潜在的生物医学和临床应用。

关键词:活检,成像,OCT,光学成像,光学相干断层扫描,层析成像


指尖的光学相干断层扫描图像


介绍

光学相干断层扫描(OCT)是一种基本新型的光学成像模式。OCT通过测量反向散射或反射光进行材料和生物系统中的内部微结构的高分辨率,横截面断层成像。OCT图像是表示通过组织的横截面平面中的光学反向散射的二维数据集。的1至15的图像分辨率μ米,可以实现幅度比传统超声更高的一到两个数量级。成像可以在现场和实时进行。该技术的独特之处在于能够广泛的研究和临床应用。本综述文章概述了OCT技术,其背景及其潜在的生物医学和临床应用。


使用光学相干断层扫描的生物医学成像

OCT的几个特征表明它将是生物医学成像的重要技术。

  1. OCT可以与1至15的轴向分辨率的图像μ米,一个数量级比常规超声高两个数量级。该解决方案接近组织病理学,允许建筑形态学和一些细胞特征得到解决。与超声波不同,可以直接通过空气进行成像,而不需要与组织或转导介质直接接触。

  2. 可以在原位进行成像,而不需要切除标本。这使得能够对其中活检是有害的或不可能的结构进行成像。它还允许更好的覆盖,减少与切除活检相关的抽样误差。

  3. 成像可以实时进行,无需象常规的活组织检查和组织病理学那样处理标本。这允许在屏幕上监视病理学并存储在高分辨率视频磁带上。实时成像可实现实时诊断,并将此信息与手术联系起来,可实现手术指导。

  4. OCT是基于光纤的光纤,可以连接到各种各样的仪器,包括导管,内窥镜,腹腔镜和手术探针。这使得身体内的器官系统成像。

  5. 最后,OCT是紧凑且便携的,这是临床上可行的设备的重要考虑因素。

视网膜的OCT成像

原理

光学相干断层扫描可以获得透明或者不透明物质的表面以及次表面图像,图像的分辨率与小型显微镜相同。它可以认为是一种类似超声成像的光学技术,通过组织对光线的反射来提供截面图像。与其它成像技术相比,光学相干断层扫描可以提供拥有微米级分辨率的活体组织形态图像,因此,在医学界,它是一种非常具有吸引力的技术。

光学相干断层扫描的主要优点是

  • 对活体组织成像,分辨率可达微米级

  • 对组织形态迅速、直接的成像

  • 不需要制备样品

  • 不需要离子辐射

由于光学相干断层扫描采用了波长很短的光波作为探测手段,它可以达到很高的分辨率。首先将一束光波照在组织上,一小部分光被样品表面反射,然后被收集起来。大部分的光线被样品散射掉了,这些散射光失去了远视的方向信息,因此无法形成图像,只能形成耀斑。散射光形成的耀斑会引起光学散射物质(如生物组织、蜡、特定种类的塑料等等)看起来不透明或者透明,尽管他们并不是强烈吸收光的材料。采用光学相干断层扫描技术,散射光可以被滤除,因此可以消除耀斑的影响。即使仅仅有非常微小的反射光,也可以被采用显微镜的光学相干断层扫描设备检测到并形成图像。

光学相干是滤除散射光的物理机制。反射光可以作为相干光,而由于散射光散射的位置不同,造成光路长度的差异,再加上光源的相干长度极短,使得散射光失去了相干的性质。在光学相干断层扫描设备中,光学干涉仪被用来检测相干光。从原理上说,干涉仪可以将散射光从反射光中滤除,以得到生成图像的信号。在信号处理过程中,可以得到从某一次表面反射的反射光深度和强度。三维图像可以通过类似声纳和雷达的扫描来构建。

在已经引入医学研究的无创三维成像技术中,光学相干断层扫描技术与超声成像都采用了回波处理技术,因此他们的原理相似。其他的医学成像技术如计算机断层扫描、核磁共振成像以及正电子发射断层扫描都没有利用回声定位的原理。

光学相干断层扫描的局限性是仅能扫描生物组织表面下1-2毫米的深度。这是由于深度越大,光线无散射的射出表面的比例就越小,以至于无法检测到。但是在检测过程中不需要样品制备过程,成像过程也不需要接触被成像的组织。更重要的是,设备产生的激光是对人眼安全的近红外线,因此几乎不会对组织造成伤害。


全场相干断层扫描的光学设备。主要结构的名称:超辐射发光二极管(SLD),凸透镜(L1),50/50分光器(BS),照相机物镜(CO),CMOS-DSP照相机(CAM),参考平面(REF)和样品(SMP)。照相机的功能是一个二维探测器阵列。当该设备对深度扫描的时候,可以以无损的方式重建样品的三维图像。


OCT使用光学反向散射或后向反射的测量成像组织的内部横截面微结构,1991年首次证明。进行OCT成像在体外在人的视网膜上,并在动脉粥样硬化斑块在透明,弱散射介质和不透明的,高散射介质成像的例子。OCT最初被用于眼睛中的成像,并且到目前为止,OCT对眼科具有最大的临床影响。1993年证实了人体视盘和黄斑的第一个体内断层图像。OCT使非接触式,非侵入性前眼成像以及包括中央凹和视盘的人视网膜形态特征的成像[ 4-7 ]。我们与新英格兰眼科中心合作,迄今检查了超过10,000名患者。该技术转移到工业,并于1996年(Humphrey Systems,Dublin,CA)商业用于眼科诊断。过去几年,许多团体进行了大量的临床研究。

虽然OCT成像提供了评估任何数量的视网膜病症的独特视角,但临床医生应该意识到扫描和分析不是没有错。 不良的眼部介质,患者依从性,甚至扫视运动都可以引入可以伪装成病理学的图像伪像。 更为麻烦的是偶尔的软件算法失败或由不熟练的运算符不适用某些分析算法。 某些图像伪影和分析误差可以通过特征图案来识别; 然而,有些情况可能需要检查原始扫描数据以确定不一致结果的性质。

最近,OCT技术的进步使得可以对非透明组织进行成像,从而使OCT能够应用于广泛的医学专业[ 8-11 ]。成像深度受到组织散射和吸收的光学衰减的限制。然而,在大多数组织中可以实现高达2至3mm深的成像。这与通常通过常规活检和组织学成像的规模相同。虽然成像深度不如超声波那样深,OCT的分辨率比标准临床超声波的精度要高出10到100倍。OCT已被应用于体外图像动脉病理学,可以区分斑块形态[ 11,12 ]。还在体外进行影像学研究以研究皮肤病学,胃肠病学,泌尿科,妇科,手术,神经外科和风湿病学中的应用[ 9,13-28 ]。OCT也已经在体内应用于图像开发生物标本{ 非洲爪蟾,蛙属狒狒狒狒和胚胎] [ 29-31 ]。对于发育生物学中的应用,OCT是有意义的,因为它可以重复成像发育形态,而不需要牺牲标本。OCT也已经在体内应用于图像开发生物标本{ 非洲爪蟾,蛙属狒狒狒狒和胚胎] [ 29-31 ]。对于发育生物学中的应用,OCT是有意义的,因为它可以重复成像发育形态,而不需要牺牲标本。OCT也已经在体内应用于图像开发生物标本{ 非洲爪蟾,蛙属狒狒狒狒和胚胎] [ 29-31 ]。对于发育生物学中的应用,OCT是有意义的,因为它可以重复成像发育形态,而不需要牺牲标本。

通过对不同横向位置处的光的回波时间延迟进行测量来构造横截面图像。 结果是二维数据集,其表示组织的横截面中的后向散射。 该数据可以显示为灰度或假彩色图像。


OCT技术已经有了许多发展。已经以每秒几帧的采集速率来证明高速实时OCT成像[ 15,32,33 ]。已经使用新颖的激光光源证明了高分辨率和超高分辨率OCT成像,并且已经实现了高达1 微米的轴向分辨率[ 34-36 ]。最近在发育生物学标本中证明了细胞水平的OCT成像[ 37 ]。OCT已经与允许内部身体成像的导管,内窥镜和腹腔镜接口[ 38,39 ]。导管和内窥镜OCT成像的胃肠道,肺,并且在动物模型中已经在体内证明了尿道以及动脉成像[ 15,28,40 ]。已经报道了人类受试者的初步内镜OCT研究[ 41,42 ]。许多研究小组目前正在进行初步临床研究。


一般来说,有三种类型的临床情况,我们认为OCT可能具有重要的应用:1)传统的切除活检是有害的或不可能的,2)由于抽样误差,传统的活检具有不可接受的高假阴性率,3 )用于外科介入手术的指导。在本手稿中,我们回顾了OCT技术的基本概念,并讨论了生物医学研究和临床医学的潜在应用。



细胞级OCT成像

高分辨率OCT的发展也是积极研究的重要领域。提高细胞和亚细胞水平的分辨率对于早期肿瘤的诊断对于其他应用来说是重要的。如前所述,OCT的轴向分辨率由用于成像的光源的相干长度决定。OCT成像的光源应具有短的相干长度或宽带宽,但也必须具有单个空间模式,以便它们可以与干涉测量结合使用。另外,由于信号噪声取决于入射功率,平均功率为几毫瓦的光源通常是实现实时成像所必需的。

高分辨率OCT成像已在体内在发育生物学标本中得到证实[ 36,37 ]。图16示出了高分辨率OCT图像的一例的非洲爪蟾(非洲蛙)蝌蚪。用于成像的低相干光源是短脉冲Ti:Al 2 O 3激光器,其产生〜5fsec的脉冲持续时间,对应于〜2个光学周期。激光器工作在800nm左右,带宽为〜300nm。已经实现了自由空间中1.5 微米或样品中〜1 微米的轴向分辨率。通过光束的聚焦光点尺寸测量的横向分辨率为3 微米,而轴向分辨率通过单个反射的轴向点扩散函数的宽度来测量[ 36 ]。高横向分辨率导致景深减小。然而,通过使用类似于超声波中的C模式扫描的技术可以克服景深限制。可以采用不同的焦点位置获取一系列图像,并将其融合到具有增强的焦点区域的单个图像中。


Xevis(非洲青蛙)t ole的超高分辨率OCT图像在体内。 分辨率为1μm轴向,3μm横向。 通过将不同焦点位置的多个图像(类似于C模式超声)融合来构建图像,以克服与精细横向分辨率相关的景深限制。 细胞膜和个体细胞核是可见的。


图16显示存在多个细胞核和细胞膜。OCT图像中看似宽的细胞膜实际上由膜和细胞外基质组成。OCT图像显示具有不同大小和核 - 细胞质比例的细胞以及经历有丝分裂的细胞。在发育生物学中,影像细胞和亚细胞结构的能力可用于研究发育过程中发生的有丝分裂活性和细胞迁移。将这些结果延伸到人类细胞具有重要意义,但由于分化的人类细胞比发育中的细胞更小,所以具有挑战性。解决方案和技术的其他改进对于实现这一目标是必要的。在眼科中,改善分辨率应允许对视网膜特征如视网膜厚度和视网膜神经纤维层厚度进行更精确的形态测量测量,这与黄斑水肿和青光眼的检测和筛选相关。高分辨率成像还应改善OCT早期肿瘤变化的诊断。标准OCT图像分辨率足以在10至15的图像建筑形态μ米规模,并能识别多种类型的早期瘤形成的改变。然而,用细胞水平分辨率进行成像的能力不仅应该增强可以成像的病理谱,而且可以提高敏感性和特异性。用于超高分辨率OCT成像的当前光源基于短脉冲激光器,并且由于其复杂性和费用而在临床上不可行。


讨论

OCT不太可能代替切除活检和组织学。然而,从筛查和诊断肿瘤的角度来看,我们预计OCT可用于指导标准切除活检以减少抽样误差和假阴性结果。这可以提高活检的准确性,并减少活检的次数,从而节省成本。在进行更广泛的临床研究之后,在某些情况下可能最终可能使用OCT来直接诊断或评估早期肿瘤变化。这个应用将更具挑战性,因为它意味着在OCT基础上进行诊断,而不是常规病理学,只有在有限的临床情况下才可能。如果这些应用程序成功,这将使得OCT诊断信息能够立即与治疗决定相结合,并且可能会发现OCT可用于实时手术指导的情况。诊断和治疗的整合可以改善结果,减少病人访问次数,降低医疗成本。

这些应用场景中的每一个需要在图像组织病理学的能力方面具有不同的性能水平。更重要的是,在给定的临床情况下,有必要在临床试验中证明足够的灵敏度和特异性水平。一般来说,目前的OCT技术可用于解决从建筑形态或腺体组织(10〜15μm)的几个尺度尺度的形态学特征。随着OCT技术的改进,分辨率接近细胞水平(1〜10μm)。组织对比,区分形态和图像质量的能力高度依赖于成像的具体结构。


频率范围对比度来源穿透深度轴向分辨率侧向分辨率成像速度

Hz
mmμmμmMvx/s
光声显微镜50 M光吸收315450.5
光声断层扫描成像5 M光吸收507007000.5
共聚焦显微镜
荧光、光散射0.23-200.3-310-100
双光子显微镜
荧光0.5-1.01-100.3-310-100
光学相干断层扫描50 T光散射1-20.5-101-1020-4.000
扫描激光声学显微镜300 M超声波散射1-2202010
声学显微镜50 M超声波散射2020-10080-1600.1
超声造影5 M超声波散射603003001
不同成像手段间成像原理与技术指标的比较,红色为本文所介绍

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主要参考及翻译:

1. Fujimoto JG, Pitris C, Boppart SA, Brezinski ME. Optical Coherence Tomography: An Emerging Technology for Biomedical Imaging and Optical Biopsy. Neoplasia (New York, NY). 2000;2(1-2):9-25.

2. 维基百科词条:光学相干断层扫描

3. http://www.opsweb.org/?page=RetinalOCT









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