研究进展与应用：光学相干层析显微内窥成像技术

光学相干层析成像（OCT）是一种无创或微创的、可提供组织深度信息的高分辨率可视化实时成像技术，广泛应用于生物医学成像与临床诊断领域。

光纤OCT显微内窥成像技术是基于光纤传输和光纤显微内窥成像的OCT技术，除了具有OCT的一般成像优点外，还具有体积小、质量轻、耐腐蚀、电绝缘、抗电磁干扰等特点，尤其适用于对现有其他成像技术无法到达的狭小腔道内的组织病变进行高分辨率检测和早期诊断。随着激光器、探测器和光纤器件制备技术的发展，光纤OCT系统、光纤探头设计和制备都取得了巨大进步，应用场景也得到不断扩展。

深圳大学刘德军团队在《中国激光》发表了特邀综述，从光纤OCT系统设计、探头设计与制备、内窥成像应用三方面介绍了近年来光纤OCT显微内窥成像技术的发展现状，总结了光纤内窥探头的技术发展及其在医学诊断中的应用，最后结合现有前沿技术报道总结展望了未来光纤内窥OCT的发展方向。

光纤OCT系统决定了成像速度和纵向分辨率。光纤OCT系统使用单模光纤、光纤耦合器等光纤器件替代传统的分束镜、耦合透镜等体积功能部件，简化了系统。本质上，光纤OCT系统是一个低相干干涉仪（LCI）。

组织深度方向的一维信号（A-scan）可通过干涉门控（时域OCT）和不同波长（频域OCT）编码得到，通过移动样品或扫描入射光获得二维横截面图（B-scan），螺旋扫描可获得三维体图像。光纤OCT系统设计和发展先后经历了时域OCT（TD-OCT）、谱域OCT（SD-OCT）和扫频OCT（SS-OCT）。

光纤OCT系统的结构示意图。（a）TD-OCT；（b）SD-OCT；（c） SS-OCT

时域OCT（TD-OCT）

1991年首次报道，多使用高斯谱型宽带光源，干涉项信号与光程差有关，通过参考臂轴向运动获取深度方向信息。该系统曾用于人眼视网膜、冠状动脉的离体测量，后应用于眼科和心血管疾病的早期临床研究，但存在A-scan扫描速率慢、探测灵敏度低等问题，难以满足大范围三维成像需求。

频域OCT（FD-OCT）

1991年提出概念，后相继用于人眼视网膜、皮肤结构测量。其直接测量干涉信号光谱，通过傅里叶变换得到样品深度信息。根据实现方式不同可分为SD-OCT和SS-OCT。

SD-OCT：使用宽谱激光器和扫描阵列探测器，利用光谱仪分光，扫描阵列探测器记录干涉光谱。2002年首次展示活体视网膜图像，在眼科等临床应用广泛，但其成像深度和速度受光谱相机的CCD像素数量和扫描速度限制。

SS-OCT：使用扫频激光器和单点探测器，利用单点探测器在时间尺度上分光。早期受限于扫频光源质量，A-scan扫描速度不高，成像性能较差且价格昂贵。后来随着相关技术发展，A-scan速率、灵敏度提升，获得更多关注和临床应用，但中心波长和扫频带宽仍有限制，纵向分辨率较难提升。

OCT探头根据探测光束出射方向分为前视型和侧视型；根据扫描装置安装位置分为近端扫描型和远端扫描型。根据探头设计和制备工艺的不同，OCT光纤探头可分为光纤-棱镜组合型、全光纤型和光纤复合型探头三个发展阶段。

导管式光纤OCT探头。（a）前视型；（b）侧视型；（c）近端扫描型；（d）远端扫描型

光纤-棱镜组合型探头

1996年报道了用于血管内成像的侧视探头，早期还包括针式、气球式、胶囊式等。该类型探头为高质量成像奠定基础，但对棱镜加工要求高，装配难度大，可靠性低，限制了微型化和集成度，适用于较大尺寸器官的内窥成像。

光纤-棱镜组合型探头。（a）导管式；（b）针式；（c）气球式；（d）胶囊式

高分辨率、长焦深光纤OCT内窥成像探头设计。（a）通过衍射透镜设计提高成像分辨率和焦深；（b）利用自成像效应分离波前的方法实现长焦深成像

全光纤型探头

2002年首次报道基于GRIN光纤的全光纤型侧视探头，GRIN 光纤的聚焦能力由芯径和折射率渐变函数决定。此外，光纤球透镜也可聚焦光束，通过控制放电功率和次数调节焦距。全光纤探头制备工艺简单、成本低、尺寸小、可集成度高，但存在像差和色散问题，影响成像分辨率。

全光纤型探头。（a）基于GRIN光纤的直视型探头；（b）基于侧抛球透镜的侧视型探头

长焦深的全光纤OCT探头设计。（a）添加相位掩模板的结构；（b）锥透镜设计；（c）无焦准直光束设计

光纤复合型OCT探头

2016年首次采用激光光刻技术在GRIN透镜端面制备二元相位滤波器，可改善色散与像差问题，提升成像性能。双光子聚合3D打印技术可在光纤基底上增材打印微透镜，实现色散补偿、像差矫正等功能。利用超表面、自由曲面或衍射微光学元件的光纤复合型OCT探头以及复合材料探头可矫正像差和色差、拓展焦深，是未来的研究方向。

光纤复合型OCT探头。（a）BPSF探头；（b）超构透镜探头

基于TPP 3D打印的光纤复合型OCT探头。（a）分离式探头；（b）一体式探头

光纤OCT可实现对人体内狭小腔道内活体组织或器官的“光学活检”，在临床医学检测中具有广泛的应用前景，如呼吸道系统、消化道系统、泌尿系统和心血管系统等。尤其在心血管系统中的应用，血管内OCT有望替代血管内超声成为心血管疾病检测的金标准。

呼吸系统

OCT可测量气管等腔体上皮细胞层的增生情况和成熟状态，区分癌变组织，提高肺癌诊断准确性，还可测量气管结构数据，诊断气管重构病症，对呼吸道疾病进行早期筛查和预后评估。

基于超构透镜OCT探头的人体气管内窥图像，在局部放大区域可看到中度散射的上皮层（epi）、高度散射的基底膜（bm）、气管软骨（car）、肺泡（alv）及小型不规则腺体（g）等肺部组织的精细结构。（a）正常气管；（b）远端细支气管；（c）病变气管

消化系统

常用于胃肠道管腔组织病变的检查和诊断，对食管癌、结肠癌等疾病早期筛查有重要意义，可检测结肠息肉和胆管疾病，简化活检步骤，为消化道系统疾病早期筛查提供帮助。

不同动物的食管OCT扫描图像以及组织学图像。（a）猪食管。传统高斯光束（1）在焦深范围外成像分辨率严重下降，而具有更长焦深的CAFM光束（2）可对细胞结构进行高对比度、高分辨成像；（b）小鼠食管。三维重建图像的剖视图（1）和截面图（2），在局部放大区域中可分辨角化的复层鳞状上皮（EP）、固有层（LP）、黏膜肌层（MM）、黏膜下层（SM）、固有肌层（MP）等结构

结肠模型的白光内窥图像（上）及OCT扫描图像（下）。（a）包含黏膜（M）、黏膜下层（S）、肌肉层（ML）的层状结构正常组织；（b）非肿瘤性的黏膜增生组织，在黄色箭头位置可观测到发生黏膜增厚的病变区域；（c）带蒂的息肉组织模型；（d）扁平的癌变组织（CT）与正常的无蒂息肉组织（HT）

泌尿系统

能清晰分辨输尿管壁结构，辅助检测尿路上皮癌、膀胱癌，在前列腺癌切除术中可精确锁定癌变组织，避免误伤神经血管束，预防术后并发症，结合偏振成像可提升对神经血管束的成像效果和辨识能力。

猪的输尿管OCT内窥图像，尿道上皮（U）、固有层（LP）、平滑肌细胞（SM）以及脂肪组织（AD）等结构均可得到清晰分辨。（a）输尿管断面图；（b）组织学图像；（c）三维结构图；（d）纵向管腔图

心血管系统

心血管疾病检测是光纤内窥OCT最有发展前景的应用，血管内 OCT未来有望成为心血管疾病诊断的“金标准”。其分辨率高，能分辨多种细胞行为和微观结构，适用于冠状动脉斑块分析，常用于辅助PCI手术，可提供血管支架贴壁以及内膜增生信息，为手术提供依据，减少外周血管切除时间和并发症发病率。

不同血管的OCT扫描图像。（a）人类尸体冠状动脉，可观测到（1）中平滑肌细胞（红色箭头）以及正在渗出的巨噬细胞（绿色箭头），观测到（2）中疑似血栓结构（蓝色箭头）；（b）小鼠主动脉，可观测到（1）中围绕血管周围的脂肪组织（AT）以及（2）中的胆固醇晶体（黄色箭头）

带植入支架的动脉血管OCT三维重建图像。（a）兔动脉血管，紫色与红色箭头指示支架结构；（b）猪动脉血管］，可观测到血管壁（H）、导管导丝（G）及植入支架（S）等结构

光纤内窥OCT具有无创或微创、高分辨率断层图像获取能力，系统构造简单，探头尺寸小、质量轻、电绝缘且抗电磁干扰，适用于狭小腔道内组织病变的高分辨率检测和早期诊断，对疾病诊断、病理研究以及人体对新型药物和医疗器械的反应探究意义重大，在呼吸、消化、泌尿尤其是心血管系统的内窥检测中有广阔应用前景。

未来，关键光器件的发展将提升光纤OCT系统的分辨率和成像速度，超表面、自由曲面等微光学元件融入光纤探头可提高成像分辨率并延长焦深，光纤OCT与其他成像技术融合制备的多模态内窥成像探头可提供组织病变的多维度信息，提高对组织病变的识别和诊断效率。总之，新一代光纤内窥OCT的发展将拓展临床应用场景，为疾病研究和诊疗提供更直观、科学的影像依据，保障人民生命健康安全。

内容来源：

刘德军,黄梓毅,李卓荣,台亚龙,王晓彬,张立,廖常锐,王义平.光学相干层析显微内窥成像技术研究进展（特邀）[J].激光与光电子学进展,2024,61(2):0211025. Dejun Liu,Ziyi Huang,Zhuorong Li,Yalong Tai,Xiaobin Wang,Li Zhang, Changrui Liao,Yiping Wang.Recent Advances in Micro-Endoscopies Based on Optical Coherence Tomography (Invited)[J].Laser & Optoelectronics Progress,2024,61(2):0211025