有沒有無痛無害的人體成像方法？OCT（光學相干斷層掃描）瞭解一下

關於以前推送的胸片和CT有不少的小夥伴關心射線對人體的傷害的問題，在醫學檢查射線的強度和劑量已經有嚴格的標準，偶爾進行一次CT掃描是沒有問題的，那麼有沒有一種徹底無害的掃描檢查呢？今天小編就給你們介紹一種無害、非介入的新型層析成像技術——光學相干斷層掃描技術 （Optical Coherence Tomography，簡稱 OCT），簡而言之就是利用無毒無害的光波進行人體組織的成像，OCT技術近年來發展飛快，特別是生物組織活體檢測和成像方面具備誘人的應用前景，已嘗試在眼科、牙科和皮膚科的臨牀診斷中應用，特別是在眼底視網膜疾病的檢查中，能夠檢測到視網膜不一樣層之間的厚度變化，從而發現和預防青光眼，白內障等眼科疾病。是繼 X-CT 和 MRI 技術以後的又一大技術突破。下文簡稱OCT技術。

1.OCT技術原理

OCT技術是一種成像方式相似於超聲波的技術，它使用光來代替超聲波生成圖像，基本原理是利用弱相干光干涉儀，不一樣深度的生物組織對於OCT設備發出的光波的後向反射的能力是不一樣的，經過測量光波反射回來時間間隔的不一樣，可以獲取人體組織的結構信息，但因爲光速很是快，因此這個時間間隔是普通的電子設備沒法測量的，因此要用邁克爾遜干涉儀來得到光在人體組織傳播的光程差。OCT技術具備大量的優勢：無害、無損傷，非介入，圖像分辨率高且操做簡單便攜，尤爲適合眼科檢查及其餘光學檢測領域。

2.OCT技術發展

第一代時域OCT

時域OCT利用低相干成像原理，光源發出的光兩部分，一部分是通過平面鏡反射的參考光，另外一部分是通過樣品反射回來的樣品光，根據干涉條件，只有一束光通過恆定光程差後纔會發生干涉現象，因此時域OCT經過參考臂的移動製造光程差與相對應深度的光發生干涉從而得到深度信息，實現橫向掃描是利用樣品的水平移動或旋轉，因爲機械機構的移動速度不均勻，採集過程當中要求樣本長時間靜止，因此偏差很大。

第二代頻域OCT

頻域OCT是在時域OCT的基礎上發展改進，系統結構如圖所示：頻域OCT用光電探測器用光譜儀（或衍射光柵+線陣CCD）代替參考臂的機械掃描結構，收集到的干涉圖樣進行傅里葉變化從而得到深度信息，這樣不須要機械臂的移動，在一個固定位置就能夠完成掃描，經過橫向兩個維度的掃描便可獲得樣品的三維圖像，極大的提升了成像速度和精度。頻域OCT目前分爲兩種：一是光譜域OCT（SDOCT）原理基本同上，它使用固定頻率的低相干光光源，另一種掃頻OCT利用頻率可變的掃頻光源替代低相干光源，探測器也由線陣CCD換爲單點探測器來檢測不一樣波長的干涉信號，掃頻OCT除了精度上的提升還具備其餘OCT不具有的功能：傳統960nm低相干光源多應用與眼球成像，而波長1080nm掃頻光源對人體皮層的透射更強，可用於人體淺層皮膚細胞的成像，在眼球成像上也能夠經過下降功率來保護眼球。

第三代功能OCT

隨着技術發展，OCT更多的向功能性發展，如採多普勒OCT利用多普勒濾波可對移動的組織如血管等部位進行成像，偏振OCT經過測量生物組織中的雙折射性質能夠診斷其是否發生病變。目前OCT技術的發展方向爲自適應光學、OCT分子成像法和OCT圖像的三維重構。

3.OCT技術中的醫學圖像處理

OCT圖像降噪技術

在實際應用中，因爲生物組織的高散射性，照射到生物組織的入射光被生物組織內的顆粒所散射，造成無規則分佈的顆粒狀衍射圖樣，即散斑噪聲。區別於傳統圖像噪聲，散斑噪聲造成緣由複雜，而且因爲OCT技術就是利用低相干光的後向散射，因此說散斑是不可避免的，是與信號共存的，目前有利用中值濾波、維納濾波的常規方法，但效果通常。頻域方法如小波變換、曲波變換和波原子閾值的方法，因爲改進OCT結構下降成像噪聲的方法勢必帶來結構複雜化和成本增長，因此目前的發展更傾向於利用圖像處理方法降噪，各類針對散斑噪聲的降噪方法也在不斷探索中。

採用小波變換的方法去除噪聲的過程主要是選擇一個小波基函數，固定一個尺度因子，將它與信號的初始段進行比較；經過CWT的計算公式計算小波係數（反映了當前尺度下的小波與所對應的信號段的類似程度）；改變平移因子，使小波沿時間軸位移，重複上述兩個步驟完成一次分析；增長尺度因子，重複上述三個步驟進行第二次分析，循環執行上述四個步驟，直到知足分析要求爲止。

OCT圖像分割技術

早期，醫生根據眼底圖像上手工標註的感興趣區域分割輪廓，檢查和診斷相應器官組織的病變類型和程度，該過程不只費時費力，並且主觀性強、重複性差，嚴重影響臨牀診斷的效率和準確性。基於計算機輔助的 OCT 眼底圖像分割技術可以幫助醫生獲得分割結果，排除人工操做中的人爲主觀因素，解決傳統手工分析的部分缺點。OCT圖像分割方法的研究一直是醫學圖像領域的熱點問題，經典的分割算法能夠分爲像素分類算法、模式識別的分類器算法、形變模型和全局優化方法等 具體算法以下圖：準確高效的分割OCT圖像對臨牀診斷和治療都有着重要的意義。

最多見的算法如基於閾值的區域生長算法，從單個像素出發，按照必定的生長準則，將具備類似性質的像素合併構成同一區域。如圖所示最左邊是模板圖像及選定的兩個種子點1和5 經過不一樣閾值的生長條件限定如左2爲閾值爲3時圖像被完整分割爲兩部分，分割效果理想，第三章圖是閾值爲1的限制2和7沒法與種子點合併，若是閾值過大則會出現最右側沒法準確分割的狀況。

一樣還有比較直觀的基於邊界輪廓的算法，如主動輪廓算法（snake），給定圖像的初始曲線在內力和外力的做用下沿着曲線的法向量方向不斷去演化知道曲線達到目標邊緣。

OCT圖像三維重構技術

傳統的OCT成像都是二維圖片的，但這樣對組織的觀察仍不夠直觀，隨着三維重構技術的發展，將多幅OCT圖像重構成三維模型能夠直觀準確的發現病變位置。如圖在眼底病變的檢測中應用OCT圖像的三維重構後，能夠清楚地看到RNFL層的厚度，而RNFL層厚度的變化對於青光眼、白內障等眼科疾病具備重要的醫學價值。

經常使用的方法有灰度重心法，把當前部分的每個像素的灰度大小看作這個像素的「質量」來求整個圖像的重心進行重構，或者採用邊緣檢測，將具備類似的邊緣進行拼接重構，而後利用計算機圖形學進行三維圖像的重繪，從而顯示出穩定的三維圖像。

結束語

OCT技術是一種近年來發展較快的掃描成像技術，因爲其無傷害、非介入的特色，特別適合眼科、牙科的生物組織成像。目前硬件的相關技術探索已趨於結束、如何利用圖像處理技術提升成像質量、豐富成像功能從而下降OCT儀器成本造福於更多患者成爲一個亟待解決的課題。相信隨着醫學影像技術的不斷髮展，會有更多好的圖像處理算法應用在OCT圖像的處理上。

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參考文獻（部分）

[1]劉曉梅,李夢月,周敏.光學相干層析成像技術發展及應用[J].山東農業工程學院學報,2017,34(03):47-52.

[2]曹彪. 基於區域生長的OCT圖像分割算法研究[D].北京理工大學,2015

[3]李世文,張彬,劉澤民,梁小曉.基於波原子閾值算法的OCT圖像降噪技術[J].光電工程,2014,41(07):75-80.

[4]修繼龍. OCT眼底圖像處理關鍵技術研究[D].吉林大學,2014.

[5]楊小威. 應用於視網膜層析成像的光譜域OCT技術幾個關鍵問題的研究[D].南京理工大學,2014.