光学相干断层扫描(OCT)是20世纪90年代初发展起来的一种低损耗、高分辨率、非侵入性的医学和成像技术。它的原理类似于超声波成像，只不过它使用的是光而不是声音。
光学相干层析成像(OCT)利用弱相干干涉仪的基本原理，探测入射弱相干光在生物组织不同深度层次的背反射或多次散射信号。通过扫描，可以获得生物组织的二维或三维结构图像。
与其他成像技术相比，如超声成像、磁共振成像(MRI)、X射线计算机断层成像(CT)等。OCT技术的分辨率更高(几微米)。同时，与共焦显微镜、多光子显微镜等超高分辨率技术相比，OCT技术具有更大的层析能力。可以说OCT技术填补了这两类成像技术之间的空白。
光学相干层析成像的结构和基本原理
光学层析成像基于干涉仪原理，利用近红外弱相干光照射待测组织，根据光的相干性产生干涉。采用超外差探测技术测量反射光强度，用于组织表面成像。OCT系统由低相干光源、光纤迈克尔逊干涉仪和光电探测系统组成。
OCT的核心是光纤迈克尔逊干涉仪。低相干光源超发光二极管(SLD)发出的光耦合到单模光纤中，由22光纤耦合器分成两路，一路是经透镜准直后从平面镜返回的参考光；另一路是通过透镜聚焦在待测样品上的采样光束。
反射镜返回的参考光和被测样品的后向散射光会聚在探测器上，当两者的光程差在光源的相干长度内时，就会发生干涉，探测器的输出信号反映了介质的后向散射强度。
扫描反射镜，记录其空间位置，使参考光与介质中不同深度的反向散射光发生干涉。根据反射镜的位置和相应的干涉信号强度，可以得到样品不同深度(Z方向)的测量数据。结合采样光束在x-y平面的扫描，得到的结果可以用计算机处理，得到样品的三维结构信息。
OCT成像技术的发展
随着超声检查在眼科的广泛应用，人们希望开发出分辨率更高的检测方法。超声显微镜(UBM)的出现在一定程度上可以满足这一要求。它可以通过使用更高频率的声波对眼睛的前段进行高分辨率成像。但由于高频声波在生物组织中衰减较快，其探测深度受到一定限制。如果用光波代替声波，是否可以弥补缺陷？
1987年，Takada等人发展了光学低相干干涉测量法，在光纤和光电元件的支持下，发展成为一种高分辨率的光学测量方法。Youngquist等人开发了一种光学相干反射仪，其光源是直接与光纤耦合的超级发光二极管。包含参考镜的仪器的一个臂位于内部，而另一个臂中的光纤连接到类似照相机的设备。这些都为华侨城的出现奠定了理论和技术基础。
1991年，麻省理工学院的中国科学家黄大炜使用OCT在体外测量视网膜和冠状动脉。由于OCT具有前所未有的高分辨率，类似于光学活检，它很快被开发用于生物组织的测量和成像。
由于眼睛的光学特性，OCT技术在眼科临床应用中发展最快。在1995年之前，黄等科学家利用OCT对人眼的视网膜、角膜、前房、虹膜进行离体和活体测量和成像，不断完善OCT技术。经过几年的改进，OCT系统得到了进一步的完善，发展成为临床实用的检测工具，并做成商用仪器，最终确定了其在眼底和视网膜成像方面的优越性。1995年OCT正式用于眼科临床。
1997年，OCT逐渐应用于皮肤科、消化道、泌尿系统和心血管检查。食道、胃肠道、泌尿道OCT和心血管OCT都是有创检查，类似于内窥镜和导管，但分辨率更高，可以观察到超微结构。OCT是皮肤的接触检查，也可以观察到超微结构。
最初应用于临床的OCT是OCT1，分别由控制台和功率表组成。包括控制台OCT计算机、OCT显示器、控制面板和监控屏幕；功率表包括眼底观察系统和干涉光控制系统。由于控制台和功率表是相对独立的设备，通过导线连接，仪器体积大，占用空间大。
OCT1的分析程序分为图像处理和图像测量。图像处理包括图像标准化、图像校准、图像校准和标准化、图像高斯平滑和图像中值平滑。图像测量项目很少，只有视网膜厚度测量和视网膜神经纤维层厚度测量。但OCT1因为扫描分析程序少，很快被OCT2取代。
OCT2是在OCT1的基础上通过软件升级形成的。还有一些仪器把控制台和功率表结合起来，组成OCT2。该仪器减少了图像监视器，在同一个电脑屏幕上观察OCT图像和监测患者的扫描位置，但操作类似于OCT1，在控制面板上手动操作。
2002年OCT3的出现标志着OCT技术进入了一个新的阶段。OCT3拥有更加友好的操作界面，所有操作都可以通过电脑上的鼠标完成。此外，它的扫描和分析程序也越来越完善。更重要的是，OCT3的分辨率更高，其轴向分辨率10微米，横向分辨率20 m m。OCT3获得的轴向样本从原始A扫描的128个增加到768个，因此oct 3的得分从131 072增加到786 432，扫描的组织横截面图像的层次结构更加清晰。
OCT成像技术的类型
关于OCT的技术手段，根据检测信号的类型，OCT的技术手段主要有两种(时域OCT (TD-OCT)和频域OCT (FD-OCT)。
时域OCT技术
时间域OCT技术示意图如下：
光学相干层析成像系统结合了低相干干涉和共焦显微术的特点。系统选用的光源是宽带光源，常用的是发光二极管(SLD)。光源发出的光分别通过样品臂和参考臂，通过22耦合器照射样品和参考镜。两个光路中的反射光在耦合器中合并，只有当两臂的光程差在相干长度内时，才会出现干涉信号。同时，由于系统的样品臂是共焦显微镜系统，从探测光束焦点返回的光束信号最强，可以消除焦点外样品散射光的影响，这也是OCT能够高性能成像的原因之一。干涉信号输出到探测器，信号的强度对应于样品的反射强度，经解调电路处理，最终由采集卡采集到计算机进行灰度成像。
OCT成像的主要目的是获得样品在不同深度的反射率分布。如果参考镜处的反射率不变，由于样品结构的不均匀性，从样品不同深度散射的光的强度会不同，所以两臂相遇时产生的干涉信号会包含样品不同深度处光反射率的信息。根据宽带光源的低相干性，OCT干涉仪可以获得窄的相干长度，保证微米级轴向扫描的成像分辨率。对于窄带光源，如图A所示，由于其相干长度较长，可以在相当大的光程差范围内输出干涉条纹变化。这样的干涉条纹对比度几乎与两臂的光程差无关。如果不能确定零级条纹的位置，就找不到等光程点，就失去了精确定位的作用。对于宽带光源，如图B所示，只有当两臂的光程差在这个短的相干长度内，探测器才能探测到干涉条纹的对比度变化。而且对比度最大的地方对应的是等光程点，随着光程差的增大，对比度下降很快，所以具有很好的色谱定位精度。因此，可以移动参考臂的反射扫描镜来找到改变后的平衡点。通过测量变化前后反射扫描镜的位移，可以测量出光纤传感器相应的长度变化。
因为光源是低相干宽带光源，所以相干长度极短。但是，只有当参考臂和测量臂的光程差在光源的相干长度之内时，后向散射光和参考光才会发生干涉，光程差接近零时才能获得最大的相干强度。因此，随着参考镜的轴向移动，可以选择样品中光路相同的层进行成像，而其他层的信息将被滤除，从而实现层析成像。
这张照片显示了一个简单组织的纵向扫描结果。该样本组织由两层组成，分别具有n1和n2的折射率，这与空气的折射率n不同。在样品臂中，反射将发生在具有不同折射率的两种介质的界面处。当参考臂的反射镜扫描时，可以在检测器的输出端看到两个干涉信号。第一干涉信号对应于空气和组织层1之间的界面，第二干涉信号对应于组织层1和组织层2之间的界面。在载波频率上解调可以得到原始干涉信号的光强。通过沿着样品表面的X和Y方向移动样品臂，可以获得样品的三维图像。
频域OCT技术
近年来，频域OCT逐渐取代了时域OCT，重要原因是它不需要扫描参考臂中的光路，可以一次性直接获得纵向扫描。这样，频域OCT系统的成像速度将大大提高。时域OCT采集随参考臂光程变化的强度信号，OCT的每次纵向扫描时间等于参考臂光程变化一个周期的时间。频域OCT的参考臂不需要扫描，一次采集某个横向位置深度方向的干涉光谱信号，即频域信号。深度的时域信号被编码在该频谱中。每个纵向扫描实际上对应于一个干涉光谱，时域信号可以通过光谱的傅立叶变换来恢复。频域OCT省去了传统时域OCT中深度扫描的时间，大大提高了成像采集速度。
目前，获得干涉光谱的方法主要有两种，一种是基于光谱仪，另一种是基于扫频光源。前者称为谱频域OCT(SD-OCT)，后者称为扫频OCT(SS-OCT)。
SD-OCT是一种基于光栅和透镜的光谱仪，将干涉信号进行分光，聚焦在线性CCD(电荷耦合器件)上，获得干涉光谱。
SS-OCT使用扫频光源wh
早期的OCT多用于眼科，因为眼睛是相对透明的介质。随着OCT技术的不断发展，OCT逐渐被应用到其他透光差、散射强的组织中。在过去的十年中，OCT与光纤技术和内窥镜技术相结合，其应用已经扩展到胃肠道、皮肤、肺、肾、心血管等领域。
在眼科的应用
OCT技术的第一个临床应用领域是眼科。由于宽带光源的低相干性，OCT具有优异的光学层析能力，可以实现地下的高分辨率层析成像。其探测深度远远超过传统的共焦显微镜，特别适用于眼组织的成像研究。它能提供传统眼科无损诊断技术无法提供的视网膜断层结构图像提供。它不仅能清楚地显示视网膜的微细结构和病理变化，还能进行观察和定量分析。其在眼科诊断方面的研究是OCT生物医学应用发展的重点方向之一，为眼科疾病的诊断做出了巨大贡献。目前已成为视网膜疾病和青光眼的有力诊断工具。
随着OCT性能的提高，可以预见OCT将对眼科产生深远的影响，可以提高疾病早期诊断的敏感性和特异性，改变监测疾病进展的能力。OCT在了解视网膜的结构和功能，解释视网膜疾病的发病机制，确定新的治疗方案，监测疾病的治疗效果等方面发挥着越来越重要的作用。目前，OCT主要用于青光眼、黄斑变性、玻璃体视网膜疾病和视网膜下新生血管的早期诊断和术后随访。
在皮肤科的应用
OCT技术实现了人体皮肤成像的目标。高分辨率OCT可以检测健康皮肤的表皮、真皮、附件和血管。Welzel等人用OCT系统实现了人体皮肤成像。成像系统中，波长为830nm，深度分辨率为15m，探测深度为0.5~1.5mm，成像时间为10~40s。王等还可以描绘出轴向分辨率为10m m的活体小鼠皮肤和人体胃肠道的OCT成像，在小鼠皮肤表面涂抹甘油和丙二醇进行OCT成像，可以看到表皮、表皮基底层、真皮乳头层、真皮网状层、皮下组织、筋膜、肌肉和毛囊。
OCT可用于损伤修复监测。Yeh等人使用OCT和多光子显微镜(MPM)在皮肤组织模拟模型中监测激光热损伤和随后的损伤修复。体外皮肤组织的模拟模型由含有1型胶原的真皮、成纤维细胞和具有不同角蛋白酶的表皮组成。非侵入性光成像技术被用作随着时间推移对基质损伤和修复的一系列测量，并与组织病理学检查的结果进行比较。
在心血管系统的应用
OCT作为一种无创检测技术，在生物医学研究和临床诊断中具有巨大的价值。光学多普勒层析成像(Optical Doppler tomography，简称ODT)是激光多普勒流量计和光学相干层析成像(OCT)的结合，又称彩色多普勒光学相干层析成像(Color Doppler Optical Coherence Tomography，简称CDOCT)，可以实现对人体血流的高分辨率成像和实时检测。陈等利用获得了鸡胚绒毛膜和啮齿类动物肠系膜的在体血流断层速度成像，监测了血管活性药物干预和光动力治疗后血流动力学和血管结构的变化。
在跨学科外科领域的应用
在跨专业手术中，OCT可以分析肿瘤切除过程中是否存在癌细胞。一般来说，外科医生在取出肿瘤周围的组织时，总是希望将癌细胞全部切除。切除的肿瘤和周围组织将被送到病理实验室一周手术后要做一份书面报告。由于OCT图像在组织学/病理学上具有相同的分辨率，手术室中的OCT系统可以使外科医生准确地知道手术中需要切除多少组织，同时还留有多少安全余量。这样做就不会误切除无癌组织，从而节省了后续手术的费用和痛苦。OCT技术使医生能够实时看到具有组织学分辨率水平的图像，从而在切除肿瘤的第一次手术中做出更好的决策。
未来OCT技术会有更多的医疗应用。例如，OCT可以与穿刺切片一起使用，以在早期移除小肿瘤。对于乳腺癌患者，OCT可以结合视觉和智能信号处理技术引导细针插入精确的肿瘤位置，从而找出疑似感染组织，最大限度减少手术的侵入。对于患有心血管疾病的患者，OCT可以与非常小的导管支架一起使用，以更准确地找出血管内支架或检查斑块沉积。在这些类型的应用中，先进的数字信号处理技术不仅可以实现出色的图像质量，还可以对图像进行组织和分类。
非医疗领域的应用
OCT研究的最初目的是生物医学断层成像，医学应用继续占据主导地位。除了在医学领域的应用，随着OCT技术的发展，OCT技术正在推广到其他领域，特别是在工业测量领域，如位移传感器、薄膜厚度测量以及其他可以转换成位移的被测物体的测量。
近年来，低相干技术已经成为高密度数据存储的关键技术。OCT技术还可以用于测量高散射聚合物分子的残余孔隙、纤维结构和结构完整性。它也可以用来测量材料的涂层。OCT技术也可以用于材料科学。J.P.Dunkers等人使用OCT技术对复合材料进行无损检测。M.Bashkansky等人利用OCT系统检测陶瓷材料，扩大了OCT技术的应用范围。S.R.Chinn等人还研究了OCT在高密度数据存储中的应用，实现了多层光存储和高探测灵敏度。
OCT技术的未来发展趋势
未来OCT的发展趋势大致可以认为是从单纯的结构成像OCT向功能和结构一体化成像OCT发展，通常在病变发生之前，生物组织的功能参数就开始发生变化。因此，功能参数对于疾病的早期诊断非常有用。这些功能参数通常包括血流速度、氧压、组织结构变化、双折射特性等。功能性OCT通过检测这些功能性成像的变化来提供更多的信息。近年来，发展迅速的功能OCT技术包括多普勒OCT、偏振光敏感OCT、光谱OCT和双光OCT。
光学层析成像技术作为一种新型成像技术，可以对活体组织的内部微结构进行实时、在体和高分辨率的层析成像。与传统的影像诊断方法相比，它显示出巨大的优越性，在医学疾病诊断中具有巨大的潜力。
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