在醫(yī)學領域，對生物組織進行精確成像對于疾病的診斷和治療至關重要。傳統(tǒng)的成像技術，如X射線成像、計算機斷層掃描成像（CT）、磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射斷層成像（PET）以及超聲成像等，在過去幾十年中為醫(yī)學診斷做出了巨大貢獻。它們能夠提供體內(nèi)組織的結(jié)構(gòu)和功能信息，讓醫(yī)生得以窺視人體內(nèi)部的奧秘。然而，這些傳統(tǒng)成像方法并非十全十美，其空間分辨率通常被限制在數(shù)百微米至數(shù)毫米之間。這意味著它們在檢測微小的組織異常時顯得力不從心。

組織活檢作為醫(yī)學診斷中腫瘤檢測的金標準，雖然具有較高的準確性，但它卻是一種侵入性的檢查方法。醫(yī)生需要通過手術或穿刺等方式獲取組織樣本，這無疑會對患者的身體造成一定程度的損傷�；颊卟粌H要承受手術帶來的痛苦，還可能面臨感染、出血等并發(fā)癥的風險。對于某些特殊組織，如腦部深處的微小病變組織或者心臟內(nèi)的精細結(jié)構(gòu)組織，取樣過程極為困難，甚至是無法實現(xiàn)的。

就在傳統(tǒng)成像技術和組織活檢面臨諸多困境之時，光學相干層析成像（OCT）技術如同一顆閃耀的新星應運而生。OCT技術基于邁克耳孫干涉原理，它利用低相干光對生物組織進行探測。

北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院劉碩團隊設計了一種視頻引導的手持式高速OCT系統(tǒng)，其手持探頭結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，便于抓取和深入狹小腔體內(nèi)部；探頭內(nèi)部集成了相機成像功能，可以實時獲得成像區(qū)域的視頻圖像，引導OCT成像。該系統(tǒng)的A線掃描速率可以達到200kHz。為了克服成像過程中的抖動問題，團隊提出了圖像自動配準算法，該算法能顯著提高圖像質(zhì)量。采用該系統(tǒng)對離體豬眼角膜和離體豬牙齒進行成像，以驗證系統(tǒng)的性能。結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠高速獲取高分辨的組織圖像。

系統(tǒng)與方法
一、成像系統(tǒng)的構(gòu)建
1.系統(tǒng)構(gòu)成與原理
OCT系統(tǒng)使用掃頻光源（中心波長1300nm，A線掃描速率200kHz），光源發(fā)出的光經(jīng)90:10耦合器分成樣品光（90%）和參考光（10%）。參考光經(jīng)準直器、聚焦透鏡照射到反射鏡后返回，與樣品光（經(jīng)準直器、掃描振鏡、掃描物鏡聚焦到樣品后返回）在50:50光纖耦合器中干涉，干涉信號由雙平衡光電探測器接收并傳至計算機處理。

2.手持探頭創(chuàng)新設計
◆ 結(jié)構(gòu)緊湊與輕巧便攜
采用MEMS振鏡作為掃描單元，其體積小、功耗低，有利于手持探頭小型化。手持探頭尺寸約為14cm×3.5cm×10cm，重150g左右，配備可伸入口腔成像的透鏡支架（直徑約1.6cm，長度5cm，重約15g）。

◆ 內(nèi)部光路集成與功能優(yōu)化
手持探頭內(nèi)部巧妙地集成了OCT成像光路和CMOS相機成像光路。整個樣品光路由準直器、基于微機電系統(tǒng)的振鏡、物鏡、長通二向色鏡、CMOS相機以及用于照明的冷光光源組成。其中，長通二向色鏡起到了耦合兩部分光路的關鍵作用。

與傳統(tǒng)的檢流計式振鏡相比，選用的MEMS振鏡具有顯著的優(yōu)勢。它體積更小，能夠有效減小探頭的整體尺寸，使其更加緊湊。同時，MEMS振鏡功耗更低，在手持設備中尤為重要，能夠延長設備的使用時間。以往使用檢流計式振鏡完成X、Y兩個方向的掃描需要兩個單軸檢流計式振鏡協(xié)同工作，而采用的雙軸MEMS振鏡可以方便地進行一維和二維掃描，大大簡化了光路結(jié)構(gòu)，提高了掃描效率。

二、圖像自動配準算法提升圖像質(zhì)量
在手持探頭成像過程中，測試人員手部的輕微抖動以及被測對象的不自覺顫抖都會導致圖像錯配，從而產(chǎn)生偽影，嚴重影響圖像質(zhì)量。為了解決這一問題，提出了一種圖像自動配準算法。

在二維截面成像時，算法可以較好地校正深度方向和快掃描方向的偏移。然而，如果手持探頭在成像過程中出現(xiàn)較大距離抖動，可以通過算法計算的最大互相關系數(shù)將偏小。此時，可以選擇刪除此幀圖像，以避免其對整體成像結(jié)果的影響，或者控制掃描振鏡重新采集圖像，確保獲取高質(zhì)量的成像數(shù)據(jù)。

在進行三維掃描時，可以在平面檢測組織的表面，對表面形貌進行擬合和重建，從而有效地校正抖動，能夠確保三維成像的準確性和可靠性，為臨床診斷提供更全面、詳細的組織信息。

實驗結(jié)果
一、實驗結(jié)果驗證系統(tǒng)性能
1.離體豬眼角膜與牙齒成像展示系統(tǒng)成像能力
為了驗證手持OCT系統(tǒng)的成像性能，首先利用該系統(tǒng)對離體豬眼角膜和離體豬牙齒進行了成像實驗。在對豬眼角膜成像時，先用手機拍攝了豬眼正面的彩色照片，然后通過手持探頭中的實時成像相機捕獲到豬眼角膜部位的正面圖像，確定了OCT掃描位置。最終獲取的離體豬眼角膜單張B掃描圖像清晰地顯示了角膜的各層結(jié)構(gòu)，證明了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)角膜的高分辨率二維截面成像。

同樣，在對離體豬牙齒成像時，手機拍攝的豬牙齒整體彩色圖片和手持探頭中的相機拍攝的牙齒圖像幫助確定了掃描位置，得到的單張豬牙齒B掃描圖像能夠清晰地呈現(xiàn)牙齒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組織特征，如牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)等。

2.圖像配準方法有效性驗證
為了進一步驗證圖像配準方法的有效性，在同一位置進行了多次B掃描，并對多張B掃描圖像進行平均處理。直接平均后的豬眼角膜B掃描圖像和豬牙齒B掃描圖像顯示，雖然平均操作能夠在一定程度上減小背景區(qū)域的噪聲，但組織區(qū)域的結(jié)構(gòu)卻變得較為模糊。這清晰地表明了采樣過程中的抖動會導致圖像出現(xiàn)明顯的錯位，嚴重影響圖像質(zhì)量。

然而，當使用圖像自動配準方法對同一位置采集的多張B掃描圖像完成自動配準后，再對圖像進行平均，得到的配準平均后的豬眼角膜B掃描圖像和豬牙齒B掃描圖像顯示，圖像的錯位得到了很好的校正，抖動造成的運動偽影被有效消除，組織結(jié)構(gòu)變得清晰可見。這充分證明了我們的圖像自動配準方法能夠顯著提高圖像質(zhì)量，為臨床診斷提供更準確、可靠的圖像數(shù)據(jù)。

3.與臺式OCT系統(tǒng)對比凸顯手持系統(tǒng)優(yōu)勢
為了更全面地評估手持OCT系統(tǒng)的性能，還分別使用手持OCT系統(tǒng)和傳統(tǒng)臺式OCT系統(tǒng)對離體豬牙齒進行了成像實驗，并對二者的成像結(jié)果進行了詳細對比。從獲取的單次B掃描圖像來看，兩種系統(tǒng)的成像結(jié)果無明顯差異，手持OCT系統(tǒng)同樣能夠清晰地觀察到由牙齒結(jié)構(gòu)散射系數(shù)不同造成的分層現(xiàn)象。

利用兩種系統(tǒng)分別采集了50張圖像，并計算了它們的對比噪聲比（CNR）。結(jié)果顯示臺式OCT系統(tǒng)獲取的圖像CNR為3.30±0.02，手持OCT系統(tǒng)獲取的圖像CNR為3.28±0.01。這表明兩種系統(tǒng)獲取的圖像具有相近的質(zhì)量，進一步證明了手持OCT系統(tǒng)在成像性能上與傳統(tǒng)臺式OCT系統(tǒng)相當。

由于臺式OCT系統(tǒng)在采集圖像時不存在抖動問題，因此同位置多次掃描后的平均圖像可以作為參考標準，用于評估圖像自動配準算法。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過自動配準后，手持OCT系統(tǒng)獲取的多張B掃描圖像平均結(jié)果與臺式OCT系統(tǒng)獲取的多張B掃描圖像平均結(jié)果展示出了相似的結(jié)構(gòu)，而且圖像質(zhì)量也沒有明顯差異。這再次有力地證明了自動匹配算法能夠有效地對圖像進行校正，消除抖動造成的影響，確保手持OCT系統(tǒng)在實際應用中能夠提供高質(zhì)量的成像服務。

總結(jié)與展望
該系統(tǒng)具有諸多顯著優(yōu)勢，其200kHz的高速掃描速率使成像速度得到了大幅提升，相比以往的手持OCT系統(tǒng)有了質(zhì)的飛躍。手持探頭結(jié)構(gòu)緊湊、方便持握，獨特的細長掃描末端能夠輕松深入狹窄腔體內(nèi)部，如口腔、耳道等，為這些部位的組織成像提供了可能。

探頭內(nèi)部集成的CMOS相機能夠?qū)崟r獲取成像區(qū)域的視頻圖像，這一功能不僅可以快速定位感興趣區(qū)域，大大提高了檢測效率，還能引導OCT成像，確保獲取準確、有價值的圖像數(shù)據(jù)。提出的圖像自動配準方法有效地解決了手持探頭成像過程中因抖動導致的圖像錯配問題，顯著提高了圖像質(zhì)量，為臨床診斷提供了更可靠的依據(jù)。

在系統(tǒng)性能不斷提升和在體成像技術成熟的基礎上，積極開展與醫(yī)療機構(gòu)的合作，進行大規(guī)模的臨床應用驗證，收集更多的臨床病例數(shù)據(jù)，評估手持OCT系統(tǒng)在實際臨床診斷中的準確性、可靠性和實用性�？筛鶕�(jù)臨床反饋，進一步優(yōu)化系統(tǒng)的功能和操作流程，使其更符合臨床需求。同時，讓這項先進的技術能夠真正服務于臨床，造福廣大患者。

聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于：劉碩, 朱疆, 陳旭東, 王重陽, 馬宗慶, 孟曉辰, 樊凡. 視頻引導的手持式高速光學相干層析成像系統(tǒng)研究[J]. 中國激光, 2024, 51(9): 0907015.