【OTC在眼科应用的进展综述报告4900字】

OTC在眼科应用的进展综述报告目录TOC\o"1-2"\h\u29676OTC在眼科应用的进展综述 1323601.引言 1183012.OCT技术的起源和发展 251362.1OCT技术概况与分类 2211352.2傅里叶域OCT简介 359812.3功能型OCT简介 4167033OCT技术的眼科应用 4120743.1眼睛结构简介 4259583.2眼科成像技术对比 5150183.3OCT眼科应用概况 611046结束语 816461参考文献 8光学相干层析成像技术(Opticalcoherencetomography,OCT)是一种极具潜力的生物医学光学成像技术，具有非侵入、无损伤、高分辨、高灵敏度等优点。谱域OCT(SpectraldomainOCT,SD-OCT)是第二代OCT技术，它能实现mm量级的成像深度，mm量级的空间分辨率，以及nm甚至pm量级的高灵敏度探测，已广泛应用于生物医学的各个领域。眼科是OCT技术最早的应用领域。OCT的出现极大提升了眼科的基础研究和临床诊断水平。利用OCT技术不但能实现眼组织二维和三维的层析成像，还能精准捕捉组织的形变与微尺度运动，对眼科的形态学研究和病理分析具有重要价值。本论文的研究工作围绕SD-OCT的成像技术及其眼科应用展开。关键字：眼科成像研究；OCT；相位检测技术1.引言早发现、早预防、早诊断、早治疗对于减少疾病的发生、提高疾病的治疗效果非常重要。为了检测和确定深层病变，传统的医学成像方法需要提取组织进行细胞活检或添加特殊的造影剂以获得标记图像。这些测试不仅对人体产生负面影响，而且在临床实践中也存在复杂、耗时、不经济的缺点。光学相干断层扫描（OCT）是一种具有前景的生物医学光学成像技术，它结合了内窥镜等非侵入、无创、非电离、高分辨率、高灵敏度和易于匹配的技术。由于体内断层扫描可以实时对组织进行，因此被广泛应用于现代医学、生物学等领域。眼科是OCT技术最早也是应用最广泛的领域。目前，OCT技术已广泛应用于眼科基础研究和临床诊断。而且适用性还是很广的。本文的研究工作就是基于这样的背景。本文首先介绍了OCT技术的起源和发展，其次介绍和比较了常见的眼科成像技术，并介绍了OCT技术在眼科中的应用和研究现状。2.OCT技术的起源和发展2.1OCT技术概况与分类光子在生物组织中传播时的运动可分为三种类型的OCT。一类光子称为弹道光子，它不被组织散射，仍沿直线传播，保持原有的相干性，传递组织信息，其数量随数量的增加以及传播距离的增加呈指数下降；另一部分光子以入射方向为轴在小角度范围内传播，保留了入射光子的大部分特性和相干性，称为蛇形光子，传播距离约为弹道光子的10倍；其余类型的光子在多次散射后失去相干性，称为漫散射光子。图2.1显示了上述三种光子的运动轨迹。相应地，生物组织的后向散射光为OCT技术使用对应于弹道光子的单个反向散射光进行成像。这类光子很好地保留了光源的相干性，传达了组织信息，并且可以低通过相位光源的相位门，从而呈现不同散射光的效果。图2.1光脉冲在散射介质中的传播示意图OCT由麻省理工学院（MIT）的Huang等人于1991年在《科学》杂志上首次提出。他们使用先进的光学低相干反射仪(OLCR)对生物样本进行横向扫描，并成功实现了对孤立的人类视网膜和冠状动脉壁的成像。本实验展示了OCT技术对透明强散射样品的成像能力，标志着OCT技术的诞生。OCT技术结合了低干扰干涉技术、共焦显微技术、外差检测技术和数字图像处理等技术，可以通过图像重建获得样本的二维切片和三维结构.图2.2展示了OCT图像在各个维度上的获取过程。最基本的深度图像是通过沿光束方向（Z方向）的轴向检测（A-scan）获取的。可以通过沿X方向的横向扫描（B-scan）获得样品内部的二维信息。通过同向扫描（C-scan）可以得到包含样本内部信息的三维矩阵，经过数字化分析处理后，可以重建样本内部各层级的断层结构，三者可以重建三维立体图像。图2.2OCT图像的实现过程。分别对应(a)一维轴向信号，(b)二维断层信号和(c)三维立体信号的获得过程2.2傅里叶域OCT简介SD-OCT技术起源于1995年，A.F.Fercher等人基于频域探测技术提出了光谱干涉仪的技术方案，其系统结构如图2.3所示。所采用的光源中心波长为780nm，带宽为3nm，光电二极管阵列的像素数为320×288，衍射光栅为1800线对。他们通过采集参考臂和样品臂的干涉信号，并对其进行傅里叶变换以得到样品轴向的深度信息。利用该系统，他们成功实现了眼模型内部的一维测距以及人眼的在体角膜厚度测量。图2.3基于频域探测技术的光谱干涉仪结构图2.3功能型OCT简介与其他技术相结合，多普勒OCT（D-OCT）、偏振敏感OCT（PS-OCT）、内窥镜OCT（E-OCT）等功能性OCT技术相继出现。其他。功能性OCT的出现使得OCT技术的应用领域和应用场景越来越广泛。D-OCT是OCT技术与多普勒技术有机结合的产物。在对样品结构进行成像的同时，可以检测样品内部散布的粒子的流速信息。这种特殊的传感功能正在生物医学等各个领域引起关注。在TD-OCT系统中，主要通过测量时间段内外频率差的变化来计算血流速度。在FD-OCT中，血流速度是基于样本反向散射信号的相位信息得出的。这种方法灵敏度高，可以检测生物组织中小血管中小血管的血流信息，达到微米级。ChenZ.等人于1997年报道。已经证明，D-OCT可以在提供结构信息的同时获得有关血流速度的信息。OCT微血管光学血管造影（OCTAngiography，Angio-OCT）已经出现在现有的D-OCT之上。该技术是一种可以实现血管网络分割和可视化的DOCT技术。与传统的荧光造影不同，该技术不必依赖有害的荧光造影剂进行成像，并且具有深度分辨率能力，可以定量分析血流，提供微血管网络的灌注，并允许对血流等参数进行动态分析，并对血流动态进行监控。随着高速相机和超快扫频光源的发展，Angio-OCT的图像质量越来越完美，血管网络三维网络的可视化速度越来越快，满足临床实时成像的要求。因此，Angio-OCT在临床应用中比传统的荧光血管造影更具价值。3OCT技术的眼科应用3.1眼睛结构简介眼睛是一个非常复杂的人体器官，其组织结构如图3.1所示。角膜是位于眼球前方的一层透明、弯曲的薄层，可以在一定程度上保护整个眼球。光线进入角膜，穿过前房，进入瞳孔。瞳孔是一个圆形孔，由虹膜组成，如果通过光学系统观察人眼，瞳孔就像人眼的虹膜。虹膜是人眼中的有色区域，内部有两组肌肉，控制瞳孔的开闭和进入眼睛的光量。一组是瞳孔括约肌，由副交感神经支配，负责收缩瞳孔。根据光线强度调整瞳孔大小。另一组是扩张肌，由交感神经支配，收缩时使瞳孔扩张。一般来说，瞳孔大小主要由瞳孔括约肌的收缩来控制。只有当交感神经兴奋时，如紧张或恐惧，扩张器才会影响虹膜的扩张和收缩。镜片位于虹膜后面，光线穿过瞳孔进入镜片。镜头是整个光学系统的主要焦点元件，是相机的镜头。晶状体通过周围睫状肌和韧带纤维的收缩和拉伸来改变形状，因此进入人眼的光会聚焦在视网膜（视网膜）上。视网膜充当相机中的探测器，富含大量的感光细胞和丰富的血管网络。感光器可以将光信号转换为电信号，然后通过视神经到达大脑，最终在大脑中进行处理以进行图像处理。图2.1人眼结构示意图眼睛分为前段和后段。眼前节代表眼睛前半部分区域的各种组织和结构。眼前节包含眼睛的大部分组织，除视网膜外，所有与眼睛控制过程相关的结构都位于眼前节。它还与许多常见的眼部疾病有关，例如白内障、青光眼、干眼症、翼状胬肉等。本文的研究主要集中在人眼前部和鼠眼全眼的组织结构和生理运动。3.2眼科成像技术对比可用于眼科成像的常见临床技术除OCT技术外，还包括：超声成像（超声成像）、磁共振成像(MRI)和角度相机技术。OCT的成像过程类似于超声成像，通过测量来自样品的反射或反向散射光的强度和回波延迟来重建图像。OCT技术的早期应用研究已在眼科进行，并已用于对眼前节和眼底的透明组织进行成像。与其他生物医学成像技术相比，OCT技术具有以下优势。一、该技术基于低干扰干涉原理，利用宽带激光光源获得短干涉长度，实现足级系统轴向分辨率，远高于常规超声、MRI等系统。垂直和水平分辨率可独立控制，垂直分辨率不受人眼视差影响；其次，由于组织在650nm1.4m波长范围内的吸收系数一般只有0.0030.07cm-1，因此OCT系统的光源采用近红外光源，保证了系统的检测深度。因此，OCT技术被称为“光学活检”，因为它可以在曝光控制的前提下实现无损的活体检测。第四，通过数字成像技术获得的OCT图像实现实时成像显示，满足临床检测和手术干预的需要，更有利于图像的后处理。此外，常规OCT的成像深度为2-7mm，有效填补了光学显微镜与超声成像的技术空白。正是由于以上优势，OCT技术成为近20年来生物成像技术的研究热点，发展势头迅猛。并广泛应用于现代医学、生物学，尤其是眼科。表3.1显示了OCT技术与常见放射成像技术之间的性能参数比较。表3.1生物医学成像技术性能参数对比表成像技术分辨率成像深度是否活体对比度机制成像速度MRI~2-3mm~100-200mm是H+的浓度慢超声成像~50~10-20cm是声波散射快光学显微镜~1~5-10切片否组织染色慢共焦显微镜~1~0.2-0.5mm是光反射或散射快OCT~1-15~2-3mm是光反射或散射快3.3OCT眼科应用概况OCT技术在眼科的应用开始于对视网膜的成像，它的出现使眼底活体检查成为可能。此后，OCT技术迅速发展并商业化。德国卡尔·蔡司股份公司(CarlZeissMeditec,Inc)依次发布了三代视网膜OCT系统。借助OCT成像能实现神经纤维、内外丛状层、内外核层、视网膜色素上皮、视感受器、脉络膜等结构的检测，实现多种视网膜疾病的检查，现已成为医生临床诊断的重要依据。眼前节OCT成像始于1994年，Izatt课题组率先使用TD-OCT对眼前节（不包括晶状体后表面）进行成像。该系统具有20μm的分辨率和90dB的高信噪比。此后，OCT技术也成为眼前节成像和生理参数测量的重要传感工具。然而，成像深度和速度的限制已成为TD-OCT应用于前段的瓶颈。因此，越来越多的研究小组开始转向FD-OCT技术和眼前节应用研究。先后实现了角膜、房角、虹膜、晶状体等眼前节结构病变的诊断。FD-OCT技术也被广泛应用于人眼控制、老花眼的开发和发展等研究项目。FD-OCT虽然相比TD-OCT显着提升了系统性能，但成像深度和轴向分辨率仍然有限，无法满足眼科成像的深度需求。目前，最常见的商用前节段OCT（VisanteOCT，CarlZeissMeditec）仍然是TD-OCT，横向分辨率为60m，轴向分辨率仅为18m，导致许多微结构分辨率较差。该产品的组织内成像深度仅为6m，扫描速率仅为4KHz，无法一次性完成整个眼前节（包括角膜、虹膜、前房和晶状体）的成像。国内外研究小组一直在对OCT进行深入研究。上海交通大学周氏课题组利用双通道双焦技术实现了11毫米的成像深度。这种方法实施起来不经济，而且生成的图像有差距。迈阿密大学的Wang小组使用参考臂转换实现了11毫米成像。然而，这种技术是一种准同时成像技术，需要后续的图像拼接才能获得整个眼前节的图像。波兰的Wojtkowski小组使用具有反镜功能的成熟OCT系统实现了14毫米的成像深度。这种方法需要在同一样本深度进行多次采集，会影响系统的成像速度。因此，OCT成像深度的扩展仍然是研究人员的热门研究课题。传统的OCT检测基于干涉信号的强度信息来实现样品成像，能提供<10的成像分辨率。OCT相位检测技术基于干涉信号中的相位信息进行探测。其探测高灵敏高达nm甚至pm量级。2010年，K.Singh等人借用成像深度为1.2mm的谱域低相干干涉仪(spectral-domainlow-coherenceinterferometry)分次记录了某一个A-scan方向上麻醉大鼠的视网膜和角膜的位移。2011年，Kinkelder等人借助双参考臂SD-OCT系统记录了人眼视网膜和角膜的轴向位移。PengLi等人借助相位敏感型OCT系统实现了对于离体小梁网的位移测量。OCT相位检测技术的出现使得眼内微尺度运动和变形的探测成为可能。该技术在眼科的应用还将有极大发展。结束语OCT技术以其高分辨率、无损、实时的成像能力，以及与内窥镜等技术的便捷对接，在生物医学成像领域备受关注。SD-OCT是相对于第一代OCT（TD-OCT）的第二代OCT技术，在成像速度、信噪比、灵敏度和扩展功能等方面具有显著优势。本课题在此基础上，获得了人眼整个前部和小鼠整个眼睛的图像。同时，我们正在实现眼组织形态参数的准确测量和眼内生理脉搏的实时监测，并针对干眼症、近视、白内障、ICL等异常眼部进行OCT成像应用研究。参考文献[1].眼科OCT检查是照CT？两码事[J].名医,2022(01):13.[2]胡帆,杨赛,王冬梅,周强,孙小莉,吴健.眼科光学相干断层扫描仪关键性指标及标准化检测中质量控制研究[J].中国医学装备,2021,18(09):24-28.[3]WuDunnDarrell,TakusagawaHanaL,SitArthurJ,RosdahlJulliaA,RadhakrishnanSunita,HoguetAmbika,HanYing,ChenTeresaC.OCTAngiographyfortheDiagnosisofGlaucoma:AReportbytheAmericanAcademyofOphthalmology.[J].Ophthalmology,2021,128(8).[4]QinJia,AnLin.OpticalCoherenceTomographyforOphthalmologyImaging.[J].Advancesinexperimentalmedicineandbiology,2021,3233.[5]LoCody,VuongLaurel,MicieliJonathan.Recentadvancesandfuturedirectionsontheuseofopticalcoherencetomographyinneuro-ophthalmology[J].TaiwanJournalofOphthalmology,2021,11(1).[6]ChopraReena,WagnerSiegfriedK,KeanePearseA.Optic