第5章第6节光学相干涉断层成像技术 - 眼视光器械学

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第5章第6节光学相干涉断层成像技术

2009-12-02 18:29:42 来源:网络作者:两极【大中小】浏览:23716次评论:0条

眼底亦称眼后节，是指眼球内位于晶状体以后的部位，包括玻璃体、视网膜、脉络膜与视神经。眼底检查须借助一定的仪器在暗室内方可进行。常用的仪器有直接检眼镜、间接检眼镜、眼底摄影、扫描激光眼底镜、视神经乳头分析仪、光学相干断层摄像等。直接检眼镜和间接检眼镜最为常用。本章主要介绍眼底检查仪器的光学系统和一些眼底成像的原理、功能和使用。

光学相干涉断层成像技术
光学相干涉断层成像技术（OCT）是由物理学家Carmen和医学家James于1982年合作研究的激光技术在眼科疾病诊疗方面的应用，这一新的光学诊断技术是一种对角膜、虹膜、晶状体、视网膜、视神经乳头进行横切面断层摄像的技术，具有非侵入性、非接触性的特点。OCT是具有高分辨率的组织断层成像方法。成像的物理原理在于眼的不同组织显微结构之间反射率的差异。对于复杂多样的眼部疾病，常规的直接和间接检眼镜的临床技术与荧光造影、视野检查、OCT检查相结合，组成了一组强有力的诊断工具。在很多病例中，可以直接从OCT图像得出一个确定的诊断。OCT本身是一种数字技术，对断层图像可以定量测量，自动化的计算机图像处理技术可以应用于图像分析。实用的数字信息使OCT在追踪较小的组织结构的改变和疾病进程的发展或变化方面具有优势。OCT的轴分辨率可达10μm，目前最新一代的分辨率可达3μm，比目前临床上常用的断层成像技术，如CT、MRI、B超精细10倍以上。一系列的实验和临床研究表明，OCT既可观察眼前节，又能观察眼后节的显微形态结构，可起到类似于组织病理学观察的作用。目前，对OCT应用最广泛的是对视网膜的检查（图5-31）。

一、OCT对组织的光学特性
OCT是一种类似于常规的临床超声波的组织测量工具。它通过检测组织对光的反射率来获得组织的断层图像，分辨组织的内部结构。光的反射率与光的吸收、散射和反射相关。不同组织对光具有不同反射率。光入射到各层组织，经吸收、散射和反射后被OCT仪器检测。期间必须通过浅层组织，OCT检测到的光是来自浅层和深层组织的反射率的组合。对于视网膜图像的表面的反射率，可以被角膜、房水、晶状体、玻璃体和浅层视网膜的异常所影响。高反射的原因包括炎性渗透到视网膜或脉络膜的任何层：纤维变性，例如盘状或其他形状的瘢痕；硬性渗出物以及出血。薄的出血呈现为薄的高反射带，对其下层的影响很小；厚的超过200μm的出血，将完全削弱检测光；血管则表现为暗区。在OCT图像上血液、浆液和渗出液之间也可基于反射率加以区别。浆液包含很少的细胞，光可通过，因此它的堆积直接在OCT上表现为一个无反射的区域。血液因为有大量的细胞而使反射提高，入射光的衰减增加。渗出液具有典型的介于血液和浆液之间的特性。低反射的原因包括视网膜水肿和细胞结构的改变，例如RPE的色素减少。
光学相干涉断层成像技术（OCT）作为一种新型的医学影像诊断技术，对生物组织进行断层扫描成像，其分辨率高，可精确到微米级。由于OCT的工作原理与B超声影像术和雷达相似，但后者使用的是声波和无线电波，而OCT使用的是光波。由于光波易达眼前后节，所以OCT在眼科学的诊断领域具有特别的应用价值。OCT影像技术对眼内结构进行断层扫描，为临床诊断提供重要的信息，对传统的眼底照相术和眼底荧光血管造影术起到很好的补充作用。

二、显微结构测定的光学断层扫描与超声波的比较
超声显像技术已在临床上广泛地应用于眼轴的测量及眼前段的检查。由于超声波技术依靠眼内组织的声波反射，因此它要求测量装置（探头）直接接触角膜，或借助液体浸泡技术以促进声波在眼内的传播。超声测量的分辨力取决于所用声波的频率或波长。相反，光学测量成像技术应用的是光波而不是声波，因此，检查时不需直接接触眼球，从而大大减少了患者的不适感。另外，光学成像的分辨率比超声波检查的要高。OCT显影图像的分辨率比标准B超图像的分辨力高约10倍。正是因为OCT分辨率高，使得眼前节和视网膜结构清楚显像，从而有助于许多临床疾病的诊断。光学成像技术的主要缺点是在大部分生物组织中光被明显的散射或吸收，因此，光学成像技术一直局限应用于光能直接到达或经内镜、导管可到达的组织。由于光极易到达眼部组织，因此眼科是OCT的理想应用领域。根据眼内显微结构反射光波的不同，OCT可测量不同组织的相应距离和显微结构。虽然OCT可以用短脉冲光源来检查，但是多数OCT运作系统采用低相干连续光源。
（一）回声延迟
一束光射入眼内，光可在相邻不同组织边界面发生反射，也可在不同光学特性组织内发生不规则散射。根据所测定“反射光”延迟时间可以分辨出不同组织结构的距离和大小，并能测量在不同组织的光反射或背景散射形成的纵向偏离距离。其运作原理与A型超声波完全相同。超声波与光学成像技术主要不同点是速度：光的传播速度约是声波传播速度的100万倍。因为测量生物组织的距离是根据测量声波或光波反射的回声延迟时间，所以用光测量距离时就要求有高分辨率的测量仪。
（二）低相干干涉测量仪
光学相干断层扫描技术使用低相干性光或白光（可见光）干涉测量仪来完成高分辨率成像和测量。光源发出一束低脉冲光或低相干光，投射向分光器，分光器将光分成两束，一束光被反射（称为参照光），另一束射入眼内（称为测量光）。射入患者眼内的光被不同距离的眼内组织反射。由眼内反射的光束中包含大量不同眼内组织的厚度及距离的反射波信息。参照光波由已知空间位置的反射镜反射。反射的参照光在分光器再次和从眼内反射回来的光束相结合。该系统的操作可以理解为光线由光的短脉冲组成。这样只有从参考镜上反射的光脉冲和从患者眼部组织中反射的光脉冲同时到达时，两个光脉冲才会吻合。只有在光线到达参考镜的距离加上经参考镜反射回的距离与光从患者眼部组织反射的距离精确匹配时才会发生。当两个光脉冲一致时就会产生可以被光传感器探测到的干涉现象。
为了测量从眼中不同组织反射回的光线的时相延长，需要调整参考镜的位置以便相应调节参考光脉冲的时相延长。传感器将跟随从眼睛反射和光线的回声组织。如果存在多个反射，当每次参考脉冲时相延长以使它与一个从眼中的特定组织返回的回声脉冲相一致时，我们将会观察到一个峰值。因此干涉测量仪可以精确测得反射散光波，并可对不同组织结构测定出高分辨率的距离及厚度。
（三）连续轴向扫描断层成像
组织断层成像或横断面成像可以通过进行连续轴向或纵向扫描测定不同组织断面各个点来得到。连续迅速的光束对横断面进行扫描，每条曲线代表了光束的散射或反射的强度，相反地每条曲线也显示了不同横断面轴向或纵向扫描获得的信息。通过计算机的处理即可将扫描的组织构筑成一灰度或伪彩的图像。
（四）OCT测量轴向的范围、距离和厚度
OCT最简单的测量类型就是轴向分测量，其类似于A超扫描。扫描信息和组织的厚度或距离被仪器测量，通过计算机进行分析并输出。因而OCT对组织厚度的测定主要依靠所知的或推断眼部组织的折射率来评估。反射光的强度是极度小的，伴随光的强度一般为10～5到10～9（-50DB到-90DB），因而很高的探测灵敏度及很弱的反射波是扫描或测定眼部组织的显微结构所必需的。轴向扫描时，不同组织结构的相对位置可以通过眼内光束横断面位置或目标的改变而测得。因为光束能被聚焦在很小的点上，因此横断面扫描的精确性高。因而可以测出组织显微结构横断面的轴向或纵向扫描信息；它的基础就是光学断层扫描或横切面的成像技术。
（五）纠正眼球运动引起的误差
许多检查过程均可引起眼球运动，所以要纠正眼球运动引起的误差。OCT通过计算机图像处理和技术能够消除患者眼球不自主运动引起的图像模糊，从而极大改善了成像效果，基本上可避免眼球转动引起的图像模糊，达到很高的分辨力。

三、OCT仪器的操作
通常，OCT探头光束的波长是近红外光，因此患者看不到光束，这样在检查过程中就减少了患者的不适感。临床医生可通过对红外光敏感的影像照相机观察到OCT光束断层扫描的部位。或者采用可视的激光光束扫描，临床医生可直接看到扫描的眼底部位。计算机可控制光束的扫描，并直接观察到断层扫描的眼底部分。在高分辨率的OCT计算机屏幕上，光学相干断层扫描图可显示灰色或伪彩色。图像经计算机处理后显示出来。录制图像时，计算机能够同时储存OCT断层扫描图像和被检测部位的普通照相。
视网膜成像的操作程序：OCT的眼后段或视网膜成像，仪器工作原理与眼底照像相似。强聚焦透镜可使视网膜成像在一个平面，然后仪器将视网膜平面图二次成像，此图像可被操作者检测到。测量光经反射镜或分光器后分为两束进入眼内。透镜的折射力和目镜的放大倍数决定视网膜图像的放大率。OCT测量光可经聚焦透镜聚焦在视网膜平面。由于视网膜非常薄，光束聚焦范围相对窄，OCT光点也较小。OCT测量光的横向扫描由扫描镜系统控制，在低倍镜下的视野范围是30°，操作者可有效通过影像照相机观察到眼底图像。光扫描的同时，操作者可看到视网膜的扫描图案，这样就可获取指定部位的眼底断层扫描图。仪器的放大率可根据不同的检查目的进行调节。而且OCT的光扫描模式可由计算机控制，这样可根据不同的视网膜疾病设计不同的扫描模式。

四、OCT图像分析
（一）玻璃体和玻璃体视网膜界面
很多玻璃体和视网膜疾病影响玻璃体视网膜界面，由于炎性的渗出物、玻璃体浓缩或出血，可以从玻璃体获得显著的反射信号。来自后玻璃体的反射是典型的弱反射，通常是不规则的，因为玻璃体凝胶和其间的液体具有相似的反射指数。视网膜前膜与视网膜神经上皮层分离，很容易分辨。然而通常情况下它与视网膜表面紧密地黏附，它与视网膜之间的差别主要是它们之间的光反射率的不同，它的次要表现是与假性黄斑裂孔或牵引性视网膜脱离相似。通常来自视网膜前膜的反射高于来自下面的视网膜组织的反射。视网膜前膜与视网膜分离后，由于膜的高反射率、厚度增加和轮廓的差异，它可以和后玻璃体分辨出来。收缩的视网膜前膜通常相对于脱离的后玻璃体具有较平的轮廓，表现出较大的张力。

（二）正常视网膜和黄斑部的OCT图像分析
OCT图像用伪彩色表示不同的反射率：红色表示高反射，黑色表示最低的反射，中等的反射以黄色及蓝绿色表示。黄斑中心凹、视盘和视网膜剖面在断层图像中，由于它们特有的形态可以很明显地确认。玻璃体视网膜接口为不反射的玻璃体和反射的视网膜表面之间的分界。不反射的玻璃体显示为黑色的暗区，视网膜表面显示不高反射的红色层。在正常黄斑部的OCT断层图像中显示了视网膜不同层的对比（图5-32A、B）。视网膜的前后缘也是高反射层，对应于神经纤维层和色素上皮/脉络膜毛细血管层。前后两层高反射的红色层之间，对应于视网膜的中间层，最低程度反射光感受器核层显示为黑色，中等和低反射交替的黄蓝色层显示视网膜的层状结构，内外丛状层（IPL，OPL）为中等反射。在脉络膜毛细血管层下，由于通过视网膜神经上皮层、色素上皮层和脉络膜毛细血管层之后的信号减弱，从脉络膜深处和巩膜返回相对较弱的散射，表现为蓝色及黑色暗区。视网膜的血管由于其反射的增加以及其来自色素上皮层和脉络膜毛细血管层间反射的暗区而被辨别出。大的脉络膜的血管也在图像上显示为具有低反射的黑色的管腔。依照断层图像，视网膜的后层终止于视盘边缘，与脉络膜终止于筛板相一致；神经纤维层从黄斑到视盘的厚度增加。

OCT图像通常可以显示黄斑疾病形态学的改变。OCT能评价中心凹光感受器的丧失，如出现全层黄斑孔、中心的瘢痕或纤维化以及其他黄斑损害。黄斑轮廓的隆起一般与视网膜前膜和黄斑假孔或板层孔相关。中心凹轮廓丧失或变平可见于即将发生的黄斑孔、黄斑水肿或黄斑区神经上皮脱离。玻璃体黄斑牵引可致黄斑变平或突出。

（三）视盘周围的OCT断层图像
经过视盘中心的放射状和环形的OCT断层图像，用于比较不同方向的神经纤维的厚度和评价视盘的剖面。前和后的高反射层分别表示NFL和脉络毛细血管层/RPE。放射状的OCT断层图像中，在90°的断层图像（垂直于乳头黄斑轴），断层图像显示NFL向视盘方向伸展，几乎占全视网膜的厚度，相当于上和下弓形神经纤维束所在处，0°的断层图像（平行于乳头黄斑轴），则显示较薄的NFL，与该区神经纤维束较少相符。全部断层图像中其表面轮廓和正常的视盘的杯是显而易见的。脉络膜在筛板处的止端也可见。视乳头周围神经纤维层厚度的记录在青光眼和视神经变性疾病的诊断和追踪方面是很重要的。

（四）神经纤维层
视网膜神经纤维层厚度的变化可以作为神经变性疾病发病的重要指针，如青光眼。在OCT图像中，NFL表现为位于视网膜表面的一层红色高反射层，越靠近乳头，其厚度越厚。NFL的厚度可定位在视乳头周围的圆柱形或线性断层扫描的特殊位点，并通过计算机软件测算出视网膜和NFL的厚度。计算机可以报告总的平均视网膜及NFL厚度，也可以报告每个象限或钟点甚至某一点的NFL的厚度（图5-33A、B）。仔细检查视盘周围环形断层图像可以识别出弥漫性NFL变薄或局部的NFL缺损，且必须与正常的反射率和NFL厚度的变异相鉴别。

（五）视网膜色素上皮层和脉络膜毛细血管层
在OCT断层图像中RPE和脉络膜毛细血管层很难分辨，它们的联合反射形成OCT图像上视网膜的后界。OCT图像能提供脉络膜的病理信息，如年龄相关性黄斑变性和脉络膜新生血管形成。RPE的色素增加使反射增加，后反射接口增厚，伴随RPE与脉络膜反射暗区。RPE脱离也造成RPE与脉络膜之间的暗区。瘢痕和其他纤维化表现为明显的后反射增强，这是高反射率的结果。色素减少或色素上皮萎缩致反射减少并联合窗样缺损，能增加探测束对脉络膜的穿透和深层的高反射。内生的新生血管穿过Bruch膜使RPE和脉络膜毛细血管层中断，并由于新生血管膜的结构而使该处后反射增强。

（六）视网膜厚度
视网膜厚度在许多黄斑疾病的确认中是一重要的指标。OCT的高度的轴向分辨率，以及视网膜前后界的反射率的对比很好判定，OCT成为测量该参数的惟一适合的方法。水肿时视网膜厚度可以增加。视网膜内液体的积聚可使视网膜厚度增加，也可使其组织的散射性质改变。一个测量视网膜厚度的重要的位置是直接测黄斑区，这项测量特别适用于糖尿病视网膜病变所致的黄斑水肿或白内障术后黄斑囊样水肿排除和追踪。通过视网膜内囊样部位的识别，可以鉴别黄斑水肿和视网膜的牵引，显示黄斑囊样水肿，或后玻璃体的显像或引起视网膜牵引的视网膜外层的膜。视网膜厚度变薄通常见于萎缩或瘢痕，可以是局灶性的或弥漫性的。

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责任编辑：peijingshi

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