可见光OCT技术发展：在视网膜成像中的应用与研究

光学相干层析成像技术是一种高分辨率、高信噪比的非接触式三维成像技术，在视网膜成像等领域具有重要的应用价值与意义。

可见光光学相干层析成像技术采用波长更短的光源，相比于采用传统的近红外波段光源具有独特的成像优势——可以达到亚微米级的轴向分辨率，具有更高的视网膜层间对比度，可以检测视网膜血管的血氧饱和度——对多种疾病的早期诊断、治疗和深入研究具有重要意义。

山东大学的宋维业、姚政开团队在《中国激光》发表文章，简述了光学相干层析成像技术的发展现状，并对可见光光学相干层析成像技术在系统结构优化、动物成像应用和临床应用方面的代表性工作进行了综述。

光学相干层析成像（OCT）技术于1991年被提出，其基于低相干光的干涉原理，具有高分辨率、高信噪比以及非侵入、无损伤、可三维成像等特点，能够实现生物组织内部微观结构的层析成像。频域OCT（FD-OCT）是目前主流的OCT技术，它通过采集光谱的干涉信号获取样品信息，再通过图像重建来生成样品图像。根据所使用的光源，FDOCT可分为基于宽谱光源的谱域OCT（SD-OCT）和基于扫频激光光源的扫频OCT（SS-OCT）。

SD-OCT可以实现更高轴向分辨率的成像，观察到更多的细节，

并且相位稳定性较强，在血流动力学等指标的检测上更具优势；相比之下，SS-OCT具有更好的信噪比滚降性能和更大的成像深度，并且可以达到MHz的采样速度。

近年来，研究人员致力于提高OCT的成像分辨率，增大其成像视野，提高其功能成像能力，并拓展其应用领域。因此，OCT 技术不断取得新的突破，衍生出了众多技术分支。

OCT的多种技术分支介绍

分辨率是评价OCT系统性能的重要指标，所以实现更高的分辨率一直是OCT技术发展的重要方向之一。可见光OCT（Vis-OCT）采用中心波长更短的可见光波段光源进行成像，有着更高的横向和轴向分辨率，能够更精细地反映生物组织的微观结构。此外，Vis-OCT采集到的生物组织图像有着更高的对比度，能够显示出更多的生物组织信息。高分辨率和高图像对比度的优势使得Vis-OCT在眼科、皮肤科等领域具有广阔的应用前景，可为医生提供更详细、准确的图像信息。

近红外（NIR）光具有较强的穿透能力，并且NIR光源技术相对成熟，具有价格优势，因此，目前临床上使用的OCT设备普遍采用NIR光源。相比于NIR-OCT，Vis-OCT的优势在于其轴向和横向分辨率分别与光源的中心波长呈二次和线性相关的关系。因此，在光谱带宽相同的条件下，使用更短中心波长光源的Vis-OCT可以实现更高的轴向和横向分辨率成像，观测到更细致的结构信息，从而可以获取分层更清晰的视网膜图像。

Vis-OCT能够利用可见光光谱范围内独特的组织散射和吸收对比特性。在可见光光谱范围内，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白呈现出多个等吸收点，因此，Vis-OCT能够通过解析两种血红蛋白光谱信号的强度测量血氧饱和度（sO2）。sO2和血液流速可以用于评估视网膜氧代谢的能力，进而研究视网膜疾病的发展状况。

此外，由于生物组织对可见光的散射系数较高，Vis-OCT对组织的散射和吸收特性表现出了更高的敏感性，能够获取到对比度更高的视网膜截面图像，这对于视网膜疾病的诊断具有重要意义。

结构优化

科研人员一直致力于优化Vis-OCT系统的设计，包括提高光源的能量利用效率、降低色散问题的影响、提高系统性能和稳定性等。许多创新技术的应用使得Vis-OCT在视网膜成像和sO₂检测方面取得了显著进步。

2024年，Wang等进一步升级了融合了可见光和近红外光谱波段的双通道OCT系统。该系统采用K域线性Vis-OCT光谱仪，覆盖500~640nm的光谱带宽，实现了视网膜中1.8mm处7.2dB的信噪比滚降性能；通过调制参考光程，总成像深度范围加倍，并校正了宽视场成像的视网膜曲率；利用两个光谱仪进行去噪处理，消除了超连续谱光源产生的大部分噪声，显著提高了系统的信噪比。

双通道Vis-OCT概述。（a）系统配置示意图。实现全范围、宽视场成像的三个关键技术是：①K域线性Vis-OCT光谱仪；②双光谱仪噪声消除；③参考光程调制。三种关键技术的成像性能总结：（b）在整个成像范围内实现7.2dB信噪比滚降；（c）散粒噪声极限性能；（d）成像深度范围加倍

功能成像研究

视网膜sO₂是反映眼部生理状态的重要指标，在利用Vis-OCT实现sO₂检测之前，研究人员通常使用眼底相机检测视网膜sO₂，但眼底相机测量的准确性会随着血管直径和黑色素浓度的增加而降低，而且缺少深度信息，无法获取深层血管的sO₂。NIR-OCT虽然能够对血管进行精确的3D定位，但由于血液对近红外光的吸收较弱，NIR-OCT图像经常被组织散射信号掩盖，无法提供足够的成像对比度，在sO₂的定量测量上并不理想。相比之下，Vis-OCT具有定量测量sO₂的能力。

为了深入对比Vis-OCT和NIR-OCT对视网膜血液循环过程进行功能成像的能力，Chen等搭建了双波段OCT系统并利用该系统进行了Vis-OCT和NIR-OCT对比实验。

从所有已识别的动脉和静脉中提取的平均光谱强度。（a）在可见光波段获得的光谱强度信息；（b）在红外波段获得的光谱强度信息。

可以看出，在可见光光谱范围内，动脉与静脉的光谱强度信号有两个明显的交叉点，可以提高测量结果的准确性；在NIR光谱范 围内，理论上动脉与静脉的信号强度存在一个等吸收点，但实验测量得到的光谱分布上二者表现为平行关系，这可能是因为NIR波长范围内血液的散射系数比吸收系数大100倍以上并且两者的区分对比度较差。此外，在测量血流量方面，两者均能够准确测量视网膜血液循环过程中的绝对血流量。

小鼠视网膜成像研究

许多致盲性视网膜疾病在早期阶段会伴随有视网膜细胞的变性 ，如糖尿病性视网膜病变、青光眼、黄斑变性和早产儿视网膜病变等。不同眼部疾病对视网膜结构的改变并不相同，所以，利用具有高分辨率的Vis-OCT对视网膜进行三维成像可以实现多种 视网膜疾病的诊断。

对小鼠视网膜成像的研究有助于用于人眼视网膜成像的Vis-OCT技术的优化与改进。同时，小鼠视网膜疾病模型研究对于人眼视网膜疾病研究有着重要意义，它可以帮助人们更深入地理解视网膜结构等病变与视网膜疾病的关系，从而为临床诊断、治疗提供更多的信息和参考。

RNFL厚度和VN比计算示意图

Vis-OCT在成像视野、分辨率和扫描速度等方面不断取得新的突破，使人们能够更精确地量化视网膜病变的位置和体积。2011年，Vis-OCT首次成功应用于小鼠视网膜活体成像。2013年，Yi等首次使用Vis-OCT实现了小鼠视网膜sO2检测。此后，越来越多的研究小组开展了Vis-OCT的活体成像研究。

其他部位成像研究

除了视网膜外，Vis-OCT还可以用于对其他部位成像，如脉络膜、巩膜静脉窦、小鼠大脑和小鼠皮肤。

小鼠巩膜静脉窦成像。（a）角膜缘拼接图像的3D可视化；（b）整个巩膜静脉窦和角膜缘微血管网络的投影视图

皮肤、耳道和内窥检查可能是Vis-OCT潜在的临床应用场景。皮肤活检和组织病理学检查是皮肤癌检测的金标准。Vis-OCT 可以非侵入地采集表皮、真皮、毛囊、汗腺和血管等结构的图像，并显示出皮肤中病理结构的形态特征。目前，OCT在耳蜗上的应用主要包括结构成像、血管造影和振动测量三个方面。高分辨率OCT可以区分哺乳动物耳蜗的微观结构。内窥成像可以实现活体组织的高分辨可视化，在疾病的检测、诊断和监测上发挥着至关重要的作用。Vis-OCT能够实现皮肤、耳道和体内组织的3D可视化，与NIR-OCT相比，其分辨率和对比度显著提高。

随着Vis-OCT的不断发展和小鼠成像技术的不断成熟，许多研究小组相继从Vis-OCT的动物模型研究转移到人眼视网膜成像研究上，而且部分研究小组已经在医院进行了视网膜疾病患者的视网膜图像采集。

2015年，Yi等使用集成的SLO引导的Vis-OCT进行了人眼视网膜成像。这是首次公开的Vis-OCT人眼视网膜成像。

以中央凹为中心的SLO和OCT图像。（a）~（b）SLO和Vis-OCT扫描图像；（c）~（d）SLO和Vis-OCT扫描图像中方形区域的放大图像；（e）虚线位置视网膜横截面的Vis-OCT图像，并且标记了所有解剖结构；（f）使用商业NIR-OCT系统采集的视网膜横截面图像

Vis-OCT和NIR-OCT采集的B-scan图像显示出相似的视网膜结构；但与NIR-OCT相比，Vis-OCT图像中视网膜内层的对比度稍弱，而视网膜外层具有更高的对比度。在Vis-OCT采集的图像中，由于RPE对可见光的吸收能力强，所以可见光很少透过RPE到达脉络膜。由于具有亚微米级分辨率，Vis-OCT能够对视网膜各层进行更精细的区分，便于临床上更好地对疾病进行诊断。

除了能够进行高分辨率视网膜成像外，Vis-OCT还能够量化sO2以及测量整个视网膜循环过程中的氧代谢情况，2017年，Chen等使用Vis-OCT测量了健康人眼视网膜循环过程中的sO2，发现靠近视神经乳头的视网膜中央的动脉和静脉之间存在明显的氧合差异。同时，他们提出了一种基于统计拟合的采样方法，该方法可以从噪声影响下的Vis-OCT图像中获取真实的光谱信息，提高了sO2的计算精度，将sO2的估计误差降低了约3个百分点，并且从理论上和实验上对该采样方法进行了验证。

2019年，Song等设计了一种用于人眼视网膜成像的Vis-OCTA 系统，首次实现了扫描速率为100kHz的Vis-OCT人眼视网膜成像。通过减小光谱仪的带宽提高了Vis-OCTA成像的光谱功率密度，同时保留了血液中的主要光谱对比度。血管造影将Vis-OCTA的血管成像检测能力提升到了微血管水平，并能够对直径小于100μm的微血管进行sO2检测。该系统凭借高精度的血管定位排除了其他视网膜层的混杂因素，实现了直径小于100μm 的血管的sO2检测，并且验证了微血管sO2检测的可重复性。

通过Vis-OCTA对人体视网膜中的小血管和毛细血管进行sO2检测［49］。（a）中央凹周围区域的动脉、静脉和毛细血管上的sO2颜色编码图像；（b）~（d）图（a）中动脉、静脉和毛细血管网络的代表性谱图；（e）~（g）所有动脉、静脉以及毛细血管网络的测量光谱，其中实线是图（a）中所有血管的平均光谱，毛细血管光谱在整个视场内进行平均

总而言之，Vis-OCT为眼科研究提供了一个强大的工具，它可以无创、非侵入性地检测视网膜的结构和功能，从而有助于研究人员更好地理解视网膜疾病的发展。随着技术的不断发展和进步，Vis-OCT在未来的眼科研究中将扮演更重要的角色，不仅可以帮助研究人员更好地理解和诊断视网膜疾病，还可以为研究

糖尿病性视网膜病变、青光眼等疾病的病因和治疗方法提供重要参考。

Vis-OCT作为一种新型的视网膜成像技术，使用可见光波段的光源，能够达到亚微米级的轴向分辨率，显著提高了视网膜组织图像的对比度。两种形式的血红蛋白在可见光谱范围内的光学吸收提供了出色的对比度，这使得Vis-OCT不仅能够通过光谱分析来量化血液的sO2，还可以结合视网膜血液流速测量为评估视网膜的血液循环和氧代谢状态提供有力工具。

尽管目前依然存在着一定的局限性，Vis-OCT技术的发展前景依然广阔。未来，可以期待通过改进系统结构、优化图像重建算法等措施进一步提升Vis-OCT的成像速度、成像质量，获取更多的视网膜结构信息和功能信息，为眼科医生提供更准确、更可靠的诊断依据。

内容来源：

宋维业,姚政开,吴付旺,户凯旋,姜显春.可见光光学相干层析成像技术发展综述（特邀）[J].中国激光,2024,51(15):1507101.Weiye Song,Zhengkai Yao,Fuwang Wu,Kaixuan Hu,Xianchun Jiang.Development of Visible-Light OCT: A Review (Invited)[J]. Chinese Journal of Lasers,2024, 51(15):1507101.