光学相干层析成像OCT
OCT介绍
光学相干断层扫描（OCT: optical coherence tomography）是一种非侵入式光学成像技术，可提供实时、1维深度、2维截面或3维立体图像，分辨率可达微米量级（~um），成像深度为毫米量级（~mm）。如图1所示，如果以分辨率和成像深度两个方面来讨论，OCT成像技术填补了共焦显微镜和超声技术之间的空白。
OCT是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术，特别是生物组织活体检测和成像方面具有诱人的应用前景，已尝试在眼科、牙科和皮肤科的临床诊断中应用，是继 X-CT 和 MRI 技术之后的又一大技术突破，近年来已得到了迅速的发展。
OCT基于光学相干原理，以近红外光为光源，迈克尔逊干涉仪为核心光学结构，产生光学干涉信号实现成像。图2介绍了迈克尔逊干涉仪的基本结构。
OCT 实现方法的分类
根据其实现方法，OCT系统可分为时域OCT（TD-OCT）和傅里叶（频域）OCT（FD-OCT）。而频域OCT，又可根据其采用的光源和检测方案的不同，分为光谱域OCT（SD-OCT）和扫频源OCT（SS-OCT）两种。
时域TD-OCT（Time Domain-OCT）
TD-OCT是第一代OCT成像系统，采用低相干（Low Coherence）光源进行相干成像。 图4是一个TD-OCT系统的基本结构图，其中迈克尔逊干涉仪中的一路光路中的反射镜被称为参考反射镜，可沿轴向（Z-轴）移动。另外一路反射光路由振镜和样品构成。
由于光源的低相干性，参考镜在某一位置的反射光，只能与样品某一特定深度位置的反射光产生相干，即某一时刻只能采集到样品在某一纵向深度上的生成的干涉信号，若结合X和Y方向扫描一次即可记录样品在某一深度位置的光学切片图像信息。
光电探测器接收到干涉光信号后，进行光电转换，然后通过数据处理可重建样品的层析图像。OCT图像记录了样品的结构信息，该结构信息是基于样品内不同层材料的光后向散射特征转换得到。
OCT成像的基本过程为，由样品组织结构折射率的变化而产生的后向散射光被耦合到样品臂中，然后与沿参考臂传输了固定光程长度的参考光进行重叠产生相干，通过干涉仪接收单元进行光电转换得到干涉图数据。
图5展示了一个TD-OCT成像系统的典型光学设置。在TD-OCT成像系统中，需要通过轴向移动参考镜，来调整样品臂和参考臂之间的光程差，以实现样品深度的扫描，进行深度方向的层析成像。轴向移动参考镜的过程，称为A-scan。要获得组织的2维图像，可以在每次A-scan后横向移动样本，以获得多个A-scan图像合成B-scan扫描图像。TD-OCT的成像速度受限于机械扫描装置的扫描速度，成像速度约为每秒nX103次A-scan。
2维横截面图像（B-scan）是通过光束横向扫过样品产生的。当光束在样品第一方向上（X方向）扫描时，可收集一系列1维A-scan数据处理后合成一张2维图像。类似地，当光束再在第二方向上（Y方向）扫描样品，可收集一系列2维图像数据来生成3维立体图像。
由于具有体积小、性能稳定等优势，近年来，光纤元件被用来取代空间光学成像器件已成为趋势。
频域FD-OCT (Fourier Domain OCT)
由前文可知，TD-OCT需要通过以机械方式轴向移动参考镜以获取样品的深度方向信息，因此成像速度较慢，无法实现实时成像，而实时成像对于在线应用至关重要。OCT研究领域最新进展报告了一种称为傅里叶域OCT（或频域OCT，FD-OCT）的新技术，通过该技术可实现了高速实时成像。FD-OCT成像系统有两种实现方式： 谱域OCT（SD-OCT）和扫频源OCT（SS-OCT）。SS-OCT采用快速可调谐的窄带激光器作为光源，称为扫频源（Swept Source）；而SD-OCT系统采用宽带低相干光源。FD-OCT系统的成像速度可达每秒完成200万次A-scan。采用FD-OCT技术，2维图像的采集时间为毫秒，3维图像的采集速度低于1秒。
FD-OCT的一个主要缺点是，整个A-scan是“一次拍摄”完成的，因此不可能根据样本的测量深度动态调整焦点。而在TD-OCT成像过程中，可通过动态聚焦实现在整个深度测量范围内获得较高的横向分辨率；并可仅通过在X和Y方向上移动振镜横向扫描样品，获得与样品表面平行的某一深度位置的样品图像（称为en-face或C-scan）。
谱域SD-OCT (Spectral Domain OCT)
SD-OCT成像系统的基本结构如图6所示。 SD-OCT的成像实现过程与TD-OCT类似，区别在于SD-OCT是通过对测量光谱进行快速傅里叶变换获得样本组织的深度信息，而不再需要轴向移动参考镜对样品进行深度位置信息扫描（A-scan）。在SD-OCT接收单元，光谱仪或衍射光栅将干涉光按波长分开，之后，不同波长的光线被线阵CCD或CMOS探测器阵列接收并转换为电信号。传感器探测到的干涉图频率信息与样品反射深度信息相关，因此，对干涉信号进行采样和快速傅里叶变换后，可以得到样本的深度方向信息，即完成了A-scan。
SD-OCT通常采用超发光二极管（Super Luminescent Diodes）作为光源。接收单元里的大阵列线阵CCD或CMOS也是实现高成像速度，高灵敏度的SD-OCT系统的关键器件之一。
同样，结合X-Y方向的横向扫描，就可以重建样品的三维层析图像。通常，SD-OCT的成像速度由CCD或CMOS的采集速度决定，与TD-OCT相比，可以实现更快的成像速度。目前实现SD-OCT系统存在的的一个困难是市场可获得的CCD或CMOS在长波长范围内的灵敏度较低，并且对于某些波长范围，CCD或CMOS的价格昂贵，甚至不可获得。
美国Wasatch Photonics光栅光谱
扫频SS-OCT (Swept Source OCT)
SS-OCT是最新一代的OCT成像技术，它兼具TD-OCT的单点检测和SD-OCT的快速成像的优点。实现SS-OCT的核心器件是扫频激光光源，它发射窄带相干光。
SS-OCT的系统结构如图7所示。扫频激光源分时发出不同波长的光在时域中顺序输出，检测单元通过平衡探测器检测不同波长光照射下，样品反射光和参考光生成的干涉光信号。由于采用了平衡探测器，SS-OCT系统的接收信噪比和灵敏度优于SD-OCT。由图中可以看到，SS-OCT系统还需要一个k时钟来触发数据采集卡执行A-scan。
SS-OCT系统利用扫频光源和光电探测器快速生成干涉图。由于扫描激光源快速扫描分时产生不同波长的光，可允许每个离散波长以比较高的光功率照射到样品上，能够获得更高的接收灵敏度的而避免发生光学损伤。
SSOCT一般以迈克尔逊干涉仪为主体，利用点探测器分时记录宽带扫频光源的低相干干涉光谱信号，通过傅里叶变换，实现样品内部纵向信息（深度方向）的并行获取。该技术的成像速度主要决定于光源的扫频频率。得益于高速扫频光源技术的发展，该OCT技术目前最高可以实现数MHz的纵向线扫描速度，具有良好的发展前景。SSOCT具有成像速度快、信噪比(SNR)高等优势，其系统SNR决定的相位噪声小，在基于相位信号的功能成像方面具有较大的潜力。
SSOCT设备中都需要高频数据采集卡，数据采集卡把探测器的采集的模拟信号转换为数字信号，数字信号经过软件处理再实时成像，根据不同需求，采集卡主要要求有两种，一种是需要外部固定时钟，一种需要外部可变时钟。对于固定时钟的，像Spectrum公司就能提供。
另一种需要外部可变时钟，能提供该产品的主要厂家有瑞士acqiris公司的U5303A、SA220，瑞典SP Devices公司的ADQ14OCT和加拿大AlazarTech的ATS9350和ATS9351。几个厂家各有优势，需根据具体应用和性价比来选择
扫频光学相干层析成像SS-OCT相关仪器
日本Santec光通信仪器
丹麦OCTLIGHT VCSEL扫频激光器
德国Optores超快OCT系统
美国Axsun高速扫频激光器
美国EOPC光学扫描系统
加拿大AlazarTech高速数据采集处理
美国Mirrorcle微扫描镜
比利时Xenics红外相机
德国Spectrum高速数字化仪
自适应光学断层扫描系统
自适应光学（AO）技术通常用于校正光穿过复杂光学系统时产生的波前畸变，从而提高图像分辨率并促进衍射极限光学器件。它在眼科成像中发挥了特别突出的作用，其中视网膜组织成像受到眼睛固有像差的限制。
自适应光学断层扫描系统可以实现视网膜的三维细胞级的扫描成像，实现视网膜毛细血管的无创、无造影剂的高清晰扫描成像，其轴向分辨率及横向分辨率均可以达到微米量级，对视网膜眼底疾病及相关性疾病的发病机制、超早期诊断、治疗和药物疗效评价等领域具有很大的应用前景。
自适应光学断层扫描系统相关仪器
法国ALPAO自适应光学
AO是指用于校正光波中的失真或像差的一系列技术 – 每当光线通过半透明但光学扭曲的介质（如大气或人眼）时都会发生像差。虽然AO最初是为了克服通过地球大气层进行天文成像的局限性而开发的，但自从20多年前首次用于观察视锥光感受器以来，AO促进了活眼中许多关键视网膜结构的分辨率。
大多数眼科成像技术使用人眼本身的聚焦能力来生成眼睛后部视网膜的图像，因此由于眼睛瞳孔和眼部像差的有限，它们的分辨率受到衍射的限制。AO通过补偿使用散瞳时遇到的像差的初始波前来缓解此问题，从而提供更好的聚焦并促进细胞水平的图像分辨率。在体内和非侵入性中可视化细胞、细胞器和其他微观结构的能力使基于 AO 的成像对于医学和科学应用非常宝贵。
它已成功与几种眼科成像技术以及OCT相结合，包括眼底成像和扫描激光检眼镜。其中，OCT是发展最快的眼科成像技术，提供了更多关于视网膜层结构的信息。该技术因其在治疗年龄相关性黄斑变性（AMD）和青光眼等关键视网膜疾病方面的重要作用而具有临床重要性。
虽然OCT可以在轴向维度上提供组织水平的图像，但其横向分辨率受到眼睛像差的限制;因此，如果没有AO的帮助，它不能用于细胞水平的成像。将两者结合起来创建了一个独特而强大的工具，能够进行3D细胞成像，如图2所示。检测路径中的波前传感器用于测量波前像差，然后使用波前补偿器（例如可变形镜）实时校正像差。
视网膜不同层次高分辨率成像展示
多模式成像展示
视网膜不同视场成像切换模式
急性黄斑神经视网膜病变
急性神经视网膜病变(AMN)是一种罕见的疾病。其病理原因未知，常规的OCT无法分辨出眼底断层的变化，但我们可以从AOOCT中观察到黄斑区域感光层及细胞密度的变化。
OCT断层面病变位置感光细胞层出现明显缺失，同时病变相应位置en-face面视锥细胞密度出现明显的衰亡减少，因此细胞级的筛查对急性神经视网膜病变的早期诊断提供了更为有效的诊断数据。
OCT技术概述
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography, 简称 OCT)是由麻省理工Huang等人在 1991 年首次提出[1]，受到了极为广泛的关注。在这近三十年期间，经历了很多变化与创新，也得到了众多的应用。第一代OCT被称为时域光学相干层析成像系统(TDOCT)，后来有人将阵列探测器应用到OCT上形成了第二代OCT，即谱域光学相干层析成像系统(SDOCT)，成像速度得到了很大的提升；到近几年，随着扫频光源的出现，又出现了扫频光学相干层析成像系统(SSOCT)。谱域OCT和扫频OCT又被合称为频域光学相干层析成像系统(FDOCT)。OCT成像系统利用宽带光源的低相干干涉技术获取高分辨率的层析成像。
由于对OCT的研究越来越多，OCT的应用范围也就越来越广，医学领域有：眼科、皮肤科、牙科、内窥等，非医学领域有：探测珠宝真伪、工业无损检测、指纹信息获取、物证检测等。因眼睛生物结构对光的透明性，OCT技术在眼科成像，特别是眼底病诊断领域已作为事实上的金标准得到广泛应用，例如：年龄相关的黄斑变性、青光眼以及糖尿病视网膜病变等。
目前，光学成像技术主要有：荧光成像技术、多光子显微镜成像技术、共聚焦显微镜成像技术[6]和光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography, OCT)等。这些成像技术都具有独特的优势，却也存在着各自的不足，例如，荧光成像技术需要特殊的荧光标记；多光子及共聚焦显微镜成像技术分辨率高但穿透深度低，且常常需要对组织或细胞进行切片取样；在临床应用中存在操作复杂和耗时等不足。OTC成像技术是近些年迅速发展起来的一种新型生物医学成像技术，其具有非接触、非侵入、无损伤、成像分辨率高、成像速度快、灵敏度高、实时性好、三维成像、易与内窥镜技术相结合、操作简单等优点。OTC技术填补了在毫米成像深度和微米成像分辨率尺度上生物医学成像领域的空白。由于不需要引入外源造影剂，也不需要对生物组织进行生理切片来制备样品。因此，光学相干层析成像技术被称为“光学活检”，并可用于病变，如炎症性疾病[12]的治疗过程，如光热治疗及光切除的实时观测。
光学相干层析成像方式和超声成像相似，但采用的发射源和探测过程不同，超声成像是发出、探测声波，而OCT是发出并探测光波。由于光速太快，无法像超声波那样分时检测，OCT采用低相干光干涉原理探测背散射信号。具体为：光源发出的光在样品表面和内部不同位置被散射，通过对空间或时间的扫描，探测生物组织或材料的内部结构，可以获得不同对比度的信号，再经过数据处理后，形成生物组织或材料微观结构的二维或三维高清图像。OCT结合了光外差及扫描层析成像技术的优点，是从生物组织这类强散射介质中快速实时获取高分辨率、高灵敏度图像的一种新技术，自1991年首次报导以来发展迅速，已在生物和医学领域中获得了广泛的应用。
OCT技术与其他常用医学成像技术的对比：
（1）CT技术：是一种利用数字几何处理后重建的三维放射线医学影像技术。其利用单一轴面的X射线旋转照射人体部位进行扫描。其通常对人体密度较大的部位（骨骼等）成像有效，对软组织如血管肠胃等则需要借助显影剂。
（2）超声波成像：利用超声波对人体器官进行穿透扫描，通过反射信号的接收、处理，获取人体器官的声学特性信息，将信号转变为图像信息。
（3）MRI技术：是一种生物磁自旋成像技术，利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，根据释放的能量在物质内部不同结构中衰减程度不同，然后用探测器进行检测，在计算机中处理转化为图像。
OCT技术利用生物结构的透光性，利用光电探测器探测生物组织的反射、散射等信号，并将其转换成电信号，通过计算机重构出生物组织图像结构。整个成像过程是无损伤、非侵入的，且相较于以上成像技术价格低、成像速度快。
从事OCT研究相关实验室或公司：
国内实验室（包括但不限于）：硬件：中科院上海光机所-王向朝，南京理工大学-高万荣、浙江大学-丁志华、天津大学-郁道银等，图像处理：苏州大学-陈新建等
公司（包括但不限于）：美国索雷博，德国卡尔蔡司、海德堡，日本尼德克，国内莫廷、视微。
OCT应用
眼科的应用
OCT是一种新的光学诊断技术，可进行活体眼组织显微镜结构的非接触式、非侵入性断层成像。OCT是超声的光学模拟品，但其轴向分辨率取决于光源的相干特性，可达10um ,且穿透深度几乎不受眼透明屈光介质的限制，可观察眼前节，又能显示眼后节的形态结构，在眼内疾病尤其是视网膜疾病的诊断，随访观察及治疗效果评价等方面具有良好的应用前景。
下面具体来说一下，OCT在医学中的具体应用。OCT是20世纪90年代初期发展起来的一种新型非接触性无创光学影像诊断技术，是利用眼中不同组织对光（用830nm近红外光）的反射性不同，通过低相干性光干涉测量仪，比较反射光波和参照光波测定发射光波的延迟时间和反射强度，分析出不同组织的结构及其距离，经计算及处理成像，并以伪彩形式显示组织的断面结构。轴向分辨率可达10微米。它对黄斑部疾病的诊断有重要应用价值。但OCT的分辨率是靠组织结构的发光性质不同对组织进行区分，视网膜断层中真正较易明确区分的有神经上皮光带、色素上皮光带和脉络膜光带，神经上皮层间的结构尚难分辨。
OCT的扫描方式有水平、垂直、环形、放射状以及不同角度的线性扫描，检查者可根据病变的部位、性质以及检查目的来选择合适的扫描方式。因OCT横向分辨率与扫描长度有关，扫描线越长，分辨率越低。为了便于资料的比较以及采集资料的规范，可以选择固定的扫描长度和固定的扫描顺序。如对黄斑的扫描，可选择扫描线长度为4mm或者4.5mm，间隔45°的线性扫描作为基本扫描。
病理科的应用
OCT技术最重要的应用之一是探测人体软组织的早期癌变。癌症的早期诊断是挽救病人生命的关键，唯一确定的诊断方法是通过活组织检查，问题是需要花费一定的诊断时间，且给出的结论与分析人员的经验等主观因素有很大关系，准确测定癌变区的边界就更加困难。OCT则依据癌变组织具有与健康组织不同的光谱特性和结构，得到组织清晰的像，由此实时而准确地进行诊断。因为采用了计算机进行信号处理，所得结果与操作人员的主观因素无关。另外，OCT技术将成为对皮下组织病变进行实时诊断而无需活组织检查的一种权威方法，但在此之前还需要更多的临床试验揭示其优点及待解决的问题。
非医学领域的应用
OCT 研究的最初目的是为生物医学的层析成像，并且医学应用仍然继续占主导地位。除了在医学领域的应用，随着 OCT 技术的发展，OCT 技术正在向其他领域推进，特别是工业测量领域，如位移传感器、薄底片的厚度测量以及其他可以转换成位移的被测物的测量。
最近，低相干技术已作为高密度数据存储的关键技术。OCT 技术还可用于测量高散射聚合物分子的残余孔隙、纤维构造和结构的完整性。还可以用于测量材料的镀层。OCT 技术还能用于材料科学，J.P.Dunkers 等人使用OCT 技术对复合材料进行了无损伤的检测 。 M.Bashkansky 等人利用 OCT 系统对陶瓷材料进行了检测，拓展了 OCT 技术的应用范围。S.R.Chinn 等还对 OCT 在高密度数据存储中的应用进行了研究，实现多层光学存储和高探测灵敏度。