研究进展：视频引导的手持式高速光学相干层析成像系统

在医学领域，对生物组织进行精确成像对于疾病的诊断和治疗至关重要。传统的成像技术，如X射线成像、计算机断层扫描成像（CT）、磁共振成像（MRI）、正电子发射断层成像（PET）以及超声成像等，在过去几十年中为医学诊断做出了巨大贡献。它们能够提供体内组织的结构和功能信息，让医生得以窥视人体内部的奥秘。然而，这些传统成像方法并非十全十美，其空间分辨率通常被限制在数百微米至数毫米之间。这意味着它们在检测微小的组织异常时显得力不从心。

组织活检作为医学诊断中肿瘤检测的金标准，虽然具有较高的准确性，但它却是一种侵入性的检查方法。医生需要通过手术或穿刺等方式获取组织样本，这无疑会对患者的身体造成一定程度的损伤。患者不仅要承受手术带来的痛苦，还可能面临感染、出血等并发症的风险。对于某些特殊组织，如脑部深处的微小病变组织或者心脏内的精细结构组织，取样过程极为困难，甚至是无法实现的。

就在传统成像技术和组织活检面临诸多困境之时，光学相干层析成像（OCT）技术如同一颗闪耀的新星应运而生。OCT技术基于迈克耳孙干涉原理，它利用低相干光对生物组织进行探测。

北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院刘硕团队设计了一种视频引导的手持式高速OCT系统，其手持探头结构紧凑、体积小巧，便于抓取和深入狭小腔体内部；探头内部集成了相机成像功能，可以实时获得成像区域的视频图像，引导OCT成像。该系统的A线扫描速率可以达到200kHz。为了克服成像过程中的抖动问题，团队提出了图像自动配准算法，该算法能显著提高图像质量。采用该系统对离体猪眼角膜和离体猪牙齿进行成像，以验证系统的性能。结果显示该系统能够高速获取高分辨的组织图像。

系统与方法
一、成像系统的构建
1.系统构成与原理
OCT系统使用扫频光源（中心波长1300nm，A线扫描速率200kHz），光源发出的光经90:10耦合器分成样品光（90%）和参考光（10%）。参考光经准直器、聚焦透镜照射到反射镜后返回，与样品光（经准直器、扫描振镜、扫描物镜聚焦到样品后返回）在50:50光纤耦合器中干涉，干涉信号由双平衡光电探测器接收并传至计算机处理。

2.手持探头创新设计
◆ 结构紧凑与轻巧便携
采用MEMS振镜作为扫描单元，其体积小、功耗低，有利于手持探头小型化。手持探头尺寸约为14cm×3.5cm×10cm，重150g左右，配备可伸入口腔成像的透镜支架（直径约1.6cm，长度5cm，重约15g）。

◆ 内部光路集成与功能优化
手持探头内部巧妙地集成了OCT成像光路和CMOS相机成像光路。整个样品光路由准直器、基于微机电系统的振镜、物镜、长通二向色镜、CMOS相机以及用于照明的冷光光源组成。其中，长通二向色镜起到了耦合两部分光路的关键作用。

与传统的检流计式振镜相比，选用的MEMS振镜具有显著的优势。它体积更小，能够有效减小探头的整体尺寸，使其更加紧凑。同时，MEMS振镜功耗更低，在手持设备中尤为重要，能够延长设备的使用时间。以往使用检流计式振镜完成X、Y两个方向的扫描需要两个单轴检流计式振镜协同工作，而采用的双轴MEMS振镜可以方便地进行一维和二维扫描，大大简化了光路结构，提高了扫描效率。

二、图像自动配准算法提升图像质量
在手持探头成像过程中，测试人员手部的轻微抖动以及被测对象的不自觉颤抖都会导致图像错配，从而产生伪影，严重影响图像质量。为了解决这一问题，提出了一种图像自动配准算法。

在二维截面成像时，算法可以较好地校正深度方向和快扫描方向的偏移。然而，如果手持探头在成像过程中出现较大距离抖动，可以通过算法计算的最大互相关系数将偏小。此时，可以选择删除此帧图像，以避免其对整体成像结果的影响，或者控制扫描振镜重新采集图像，确保获取高质量的成像数据。

在进行三维扫描时，可以在平面检测组织的表面，对表面形貌进行拟合和重建，从而有效地校正抖动，能够确保三维成像的准确性和可靠性，为临床诊断提供更全面、详细的组织信息。

实验结果
一、实验结果验证系统性能
1.离体猪眼角膜与牙齿成像展示系统成像能力
为了验证手持OCT系统的成像性能，首先利用该系统对离体猪眼角膜和离体猪牙齿进行了成像实验。在对猪眼角膜成像时，先用手机拍摄了猪眼正面的彩色照片，然后通过手持探头中的实时成像相机捕获到猪眼角膜部位的正面图像，确定了OCT扫描位置。最终获取的离体猪眼角膜单张B扫描图像清晰地显示了角膜的各层结构，证明了系统能够实现角膜的高分辨率二维截面成像。

同样，在对离体猪牙齿成像时，手机拍摄的猪牙齿整体彩色图片和手持探头中的相机拍摄的牙齿图像帮助确定了扫描位置，得到的单张猪牙齿B扫描图像能够清晰地呈现牙齿内部的结构和组织特征，如牙釉质、牙本质等。

2.图像配准方法有效性验证
为了进一步验证图像配准方法的有效性，在同一位置进行了多次B扫描，并对多张B扫描图像进行平均处理。直接平均后的猪眼角膜B扫描图像和猪牙齿B扫描图像显示，虽然平均操作能够在一定程度上减小背景区域的噪声，但组织区域的结构却变得较为模糊。这清晰地表明了采样过程中的抖动会导致图像出现明显的错位，严重影响图像质量。

然而，当使用图像自动配准方法对同一位置采集的多张B扫描图像完成自动配准后，再对图像进行平均，得到的配准平均后的猪眼角膜B扫描图像和猪牙齿B扫描图像显示，图像的错位得到了很好的校正，抖动造成的运动伪影被有效消除，组织结构变得清晰可见。这充分证明了我们的图像自动配准方法能够显著提高图像质量，为临床诊断提供更准确、可靠的图像数据。

3.与台式OCT系统对比凸显手持系统优势
为了更全面地评估手持OCT系统的性能，还分别使用手持OCT系统和传统台式OCT系统对离体猪牙齿进行了成像实验，并对二者的成像结果进行了详细对比。从获取的单次B扫描图像来看，两种系统的成像结果无明显差异，手持OCT系统同样能够清晰地观察到由牙齿结构散射系数不同造成的分层现象。

利用两种系统分别采集了50张图像，并计算了它们的对比噪声比（CNR）。结果显示台式OCT系统获取的图像CNR为3.30±0.02，手持OCT系统获取的图像CNR为3.28±0.01。这表明两种系统获取的图像具有相近的质量，进一步证明了手持OCT系统在成像性能上与传统台式OCT系统相当。

由于台式OCT系统在采集图像时不存在抖动问题，因此同位置多次扫描后的平均图像可以作为参考标准，用于评估图像自动配准算法。发现经过自动配准后，手持OCT系统获取的多张B扫描图像平均结果与台式OCT系统获取的多张B扫描图像平均结果展示出了相似的结构，而且图像质量也没有明显差异。这再次有力地证明了自动匹配算法能够有效地对图像进行校正，消除抖动造成的影响，确保手持OCT系统在实际应用中能够提供高质量的成像服务。

总结与展望
该系统具有诸多显著优势，其200kHz的高速扫描速率使成像速度得到了大幅提升，相比以往的手持OCT系统有了质的飞跃。手持探头结构紧凑、方便持握，独特的细长扫描末端能够轻松深入狭窄腔体内部，如口腔、耳道等，为这些部位的组织成像提供了可能。

探头内部集成的CMOS相机能够实时获取成像区域的视频图像，这一功能不仅可以快速定位感兴趣区域，大大提高了检测效率，还能引导OCT成像，确保获取准确、有价值的图像数据。提出的图像自动配准方法有效地解决了手持探头成像过程中因抖动导致的图像错配问题，显著提高了图像质量，为临床诊断提供了更可靠的依据。

在系统性能不断提升和在体成像技术成熟的基础上，积极开展与医疗机构的合作，进行大规模的临床应用验证，收集更多的临床病例数据，评估手持OCT系统在实际临床诊断中的准确性、可靠性和实用性。可根据临床反馈，进一步优化系统的功能和操作流程，使其更符合临床需求。同时，让这项先进的技术能够真正服务于临床，造福广大患者。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：刘硕, 朱疆, 陈旭东, 王重阳, 马宗庆, 孟晓辰, 樊凡. 视频引导的手持式高速光学相干层析成像系统研究[J]. 中国激光, 2024, 51(9): 0907015.