Douglas Clarkson博士继续他的视光技术系列，深入研究OCT背后的技术
图1:1880年前后的基础Michelson干涉仪
就推进眼科患者的诊断和治疗而言，光是一种不断给予的礼物。传统上，人类视觉系统是眼前节和眼后节的关键观察模式，眼底照相机一度是视网膜结构的“金标准”图像采集系统。
虽然眼底照相机系统提供的诊断信息具有很高的价值，但图像中的每个像素可以被视为从邻近组织部位散射的光子总数，因此分辨率可能会降低。此外，深层结构的细节也无法轻易检测到。
光学相干断层成像（OCT）技术在眼科学中找到了一个天然的家，眼科组织的固有透明度允许对视网膜结构进行成像。虽然OCT在心脏病以及胃肠病学等其他临床专业取得了进展， 尽管光学技术的发展不断提高其性能，但血管组织中信号的快速丢失在一定程度上限制了其应用。
然而，通过使用适当的人工智能（AI）技术，心脏病和肠胃病等临床专业更复杂和多样化的组织特征所面临的挑战可能会变得不那么令人畏惧。
Albert Michelson：光的大师
在深入研究当前眼科OCT的复杂性之前，有必要回顾一下Albert Michelson在干涉仪开发方面的开创性工作。1879年，在美国，Michelson用非常基础的设备对光速进行了非常准确的估计，但他选择访问欧洲，向柏林和巴黎的光学先驱们学习更多。
那个时代最大的科学争论是所谓的“发光以太”作为光可以传播的介质的存在。Michelson开始设想如何进行一项实验，以检测基本上检查光速随光传播方向变化的效果。
在此之前，Armand Fizeau于1859年设计了一种仪器，用于检测反向水流的光速变化，这可能为Michelson提供了一些有价值的见解。Michelson还意识到Jules Celestin Jamin在巴黎设计的一种仪器，通过光波的干涉测量气体的折射率。
他根据图1（见页面顶部）所示修改了这一设计，在柏林利用Alexander Graham Bell的资助建造了这一系统，但为了避免活跃城市的背景振动，他不得不将该系统移至波茨坦。在该系统中，来自灯的光通过一个针孔传播，光线被光束分离器分为两条路径。
不同路径中光速的任何相对变化都会在观察者的位置上被检测为移动的条纹。如果整个仪器旋转时干涉仪臂部的速度发生变化，则可以观察到条纹位置的变化。
这就是所谓的Michelson-莫利实验，后来也在美国重复进行。然而，不同光路中的光速没有明显变化，尽管这为现代物理学相对论理论的出现铺平了道路。最初，Michelson将他的发明描述为“干涉折射仪”，但后来又将其描述为“干扰仪”。
Michelson在干涉仪方面高度发展的实验技能得到了国际度量衡局的认可，当国际度量衡局要求他用镉的波长测量标准米的物理长度时。Michelson在1907年诺贝尔演讲报告称，他测量的米相当于镉原子红色波长的1553292.3个波长。
在这种测量模式下，Michelson有信心测量出条纹变化的一小部分。这一光学创新的重要时期的细节在其女儿的传记中有所描述。
光的波动特性
虽然将光子视为与视网膜中的感光细胞相互作用的能量束以产生视觉效果是很直观的，但光的一个特性仍然不明显。这是与其“类波”特性相关联的光的相位。
每个光子也可以被视为局部振荡电磁场，其中532nm波长的光子（眼科常用的激光波长）对应的频率值为5.635 1014 Hz。这是基于光速和波长之间的关系。
波长越短，振荡频率越高。此外，前进波前中的光子有可能共享同一相位，就像士兵列队行进一样。
如果光从具有相同相位但具有波长扩展的光源发出，则随着不同波长的波前传播，组成波长的不同相位将产生图2所示的轮廓，其中在本例中，波长扩展约相当于中心波长的2%。
图2：波前轮廓相干长度的表示（箭头所示），波长扩散为2%
相干长度被确定为视强度下降36.8%的距离。这种相干长度的范围随不同类型的光源而变化很大。波长或“带宽”范围极窄的激光源的相干长度可达几公里。然而，对于低相干干涉测量，只需要几个微米的相干长度。
可以认为，相干波前组越“紧凑”，光成像系统检测结构的效果越好。因此，较短的相干长度将更好地分辨光束传播方向的距离——轴向分辨率。
图3显示了中心波长范围（850nm、1050nm和1350nm）的估计轴向分辨率，适用于不同的光源带宽。因此，对于给定的带宽值，较短波长的轴向分辨率值较小（波长越短，分辨率越高）。
图3：估算轴向分辨率随850nm、1050nm和1350nm波长的变化，作为光谱带宽的函数
时域OCT（TD-OCT）
然而，过了一段时间，干涉测量的潜力才被应用于生物组织的成像。1982年，德国的Fercher等人证明了对检测来自角膜和视网膜等眼界面的低相干光的干涉条纹技术的认识，在那里可以检测由于心跳引起的运动。
1990年，Fercher利用白光干涉测量技术制作了第一张活体人眼眼底的二维照片，并于当年在国际光学委员会会议上发表了他的研究结果。
这标志着该技术的快速发展始于1991年，2018年，该团队在美国麻省理工学院创立了成像设备的名称“光学相干断层成像”。最初，用于生成眼睛图像的技术使用的是所谓的时域OCT成像方式，如图4所示。
图4：时域OCT模态概述
图4显示了使用称为时域OCT的技术进行图像检测的基本原理。来自宽带光源的光的波前被一个45度的镜子分割成路径AB和CD。路径AB中的光（称为参考臂）被一个移动镜反射，并传递到检测器。
通过样品臂中的分束器水平传输的光部分从D、E和F接口反射，信号反射到检测器单元。当移动镜位置d确定的路径长度对应于来自接口d、E和F的反射的光的路径长度时，检测器记录信号。
这是来自不同路径的灯光相位匹配的地方。这种信号检测模式的一个限制是动态镜像的激活速度，因此图像捕获速度受到限制。
作为图像捕获过程的一部分，宽带光源聚焦于直径为几微米的小点，并以“x，y”坐标值在样品表面上进行扫描，而“z”或深度参数则由处理后的光检测信号导出。这样就可以构建组织样本的详细3D图片。
Fourier域OCT（SD-OCT）
在所谓的OCT检测时域技术的发展中，傅里叶域选项使用了一个在整个光场中具有一定波长范围的光源。
当使用傅里叶变换对光谱分析仪检测到的输出进行时变输出处理以提取其时间特征时，处理后的信号识别反射回入射光的组织界面的时间特征。该技术也称为“光谱域OCT”或“SD-OCT”。
图5：傅里叶域OCT模态的概念
尽管图像处理速度比时域技术快得多，但图像生成的处理时间变成了处理光谱仪捕获的采集光信号的时间。
傅立叶域OCT（SD-OCT）实现的显著增强的图像捕获技术允许例如组织结构的实时视频成像。
Fercher等人在1995年描述了“后向散射光谱干涉测量法”在轴向长度测定中的早期应用，该技术主要使用后向散射光的傅立叶分析。Leitgeb等人描述了傅里叶域OCT在临床应用中的影响。
由于光谱仪采样率和规格的限制，傅里叶域技术与最大成像深度相关，最大成像深度随波长值和分辨率光谱仪像素数增加而增加，但随光源带宽减少。
扫频源OCT（SS-OCT）
在扫描光源OCT（SS-OCT）中，光源通过一系列波长驱动，探测器系统的信号输出转换为光谱干扰，如图6所示。
图6：扫频源OCT（SS-OCT）成像
由于波长分离是由激光产生的，因此不需要专用的光谱仪元件。由于使用较短波长光源的挑战，这种扫频光源的中心频率往往在1050nm左右。Kishi等人描述了SS-OCT和SD-OCT之间的各种差异。
Swanson等人在眼科应用和更广泛的临床应用中描述了OCT技术从早期开始兴起的回顾。然而，在眼科领域，各种疾病的诊断和治疗模式已经发生了改变。
对眼部组织光吸收的思考
将眼睛中光辐射的相对吸收作为优化OCT成像的参数也是相关的。仍在参考 Geeraets等人在各种眼组织的相对透射率值方面的工作。
在800nm和1300nm之间，玻璃体的主要吸光度为1100nm左右的透射峰（图7）。
图7：视网膜成像的眼睛透射率
OCT技术比较
表1显示了各种OCT技术的一些关键特性，其中基于SD-OCT技术包含了可视化-OCT。
OCT血管造影（OCTA）
OCTA是一种新兴技术，可以对视网膜和脉络膜血管进行高分辨率血管造影，尽管该技术还不够灵敏，无法检测血管渗漏。该技术通过重复扫描感兴趣的区域来检测红细胞的运动。
然而，这项技术可以提供对眼部疾病中微血管变化的理解并有潜力提供早期诊断和适当治疗的监测。
图8:使用Spectralis OCT2的OCT视网膜血管造影图像。图片：海德堡工程有限公司
图9:Spectralis OCT2上使用OCT成像的视网膜结构。图像：海德堡工程有限公司
未来发展
主流光学的持续发展将不可避免地提高OCT系统在眼科的现有性能，系统开发人员将意识到相关创新并在新兴产品中实施这些创新。与此同时，临床医生需要时间将最佳实践与可靠的临床OCT系统的既定核心相结合。
然而，有必要确定对所谓的“视觉-光学断层成像”系统的新兴兴趣，其中500nm至600nm的波长在眼科OCT中的应用既有优势，也有挑战。这些较短的波长提高了轴向分辨率，但增加了特定组织层的吸收。
此外，出于安全考虑，使用这些波长进行视网膜扫描需要降低暴露水平。然而，vis-OCT的几个潜在优势已经被确定，包括在体内分辨率为2微米的视网膜神经纤维层（RNFL）和视网膜色素上皮（RPE）的更精确成像潜力。
此外，vis-OCT已被确认能够评估糖尿病患者的视网膜氧合水平视网膜病
Douglas Clarkson博士是考文垂UHCW NHS信托基金会的研究员，对应用于诊断专业和治疗模式（包括激光和非相干光源）的光学技术有着广泛的兴趣。
声明：本文并非医学诊断建议也非眼部健康信息建议
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尼德克OCT同步提供黄斑和视盘扫描以及彩色眼底图像
更新的Nidek Retina Scan Duo 2（RSD 2）结合了高分辨率OCT和彩色眼底照相机（1200万像素），得益于具有血管密度和灌注密度显示的高分辨率6x6mm黄斑和视盘OCT-A。
它具有视网膜地图扫描功能，将黄斑和视盘扫描以及彩色眼底结合在一个快速捕获的扫描中，并具有直观的临床数据显示。自动B扫描可减少噪音，以最大化扫描分辨率。
其中包括一个前部模块，而Navis 1.11软件提供了一个简单的随访，包括进展分析和趋势预测，以便进一步了解诊断。RSD2每秒产生70000次A扫描，并提供九种视网膜扫描模式和四种前部扫描模式。
黄斑和视盘病变的联合诊断
视网膜图
广域扫描（12 x 9 mm）
广域标准数据库（黄斑：9 x 9 mm，椎间盘：6 x 6 mm）
可以获取12 x 9 mm宽的区域图像。视网膜图在一次拍摄中同时捕捉黄斑和视盘。
标准数据库提供了一个广域彩色编码地图，将患者的黄斑厚度与正常眼睛的人群进行比较。
使用深度学习去噪
一种使用深度学习的新图像增强技术在B扫描采集完成后自动显示去噪图像。通过对从120幅图像中平均得到的大数据集的深度学习，这种去噪技术提供了与多幅图像平均技术相当的高清晰度图像。去噪功能从单个帧生成高清晰度图像，同时减少图像采集时间并增加患者舒适度。
从单帧图像中去噪
从50张图像中求平均值
眼底自发荧光（FAF）
FAF功能是一种先进的筛查功能，可以在没有造影剂的情况下对RPE进行无创评估。
*可用于FAF型号
*图片由Kariya Toyota综合医院提供
彩色眼底图像
FAF图像
可选功能
血管造影扫描
AngioScan页面提供了详细信息。
长轴长度标准数据库
详细信息可在长轴长度标准数据库页面上找到。
眼前节适配器
可选的眼前节适配器能够对眼前节进行观察和分析。
注释
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