虹科案例 | 使用高速OCT成像技術(shù)實時觀測激光手術(shù)效果

椎管狹窄是一種與年齡相關(guān)的疾病，表現(xiàn)為椎管或神經(jīng)孔異常變窄，導(dǎo)致脊髓或神經(jīng)根受壓，頸椎或腰椎椎管變窄可導(dǎo)致頸部和背部疼痛。椎間盤突出也會引發(fā)椎管狹窄，在臨床中很多患者同時患腰椎管狹窄癥和腰椎間盤突出癥。

隨著我國人口老齡化加劇，以退行性改變?yōu)橹饕虻淖倒塥M窄癥患者不斷增多。每1000名50歲以上的人中約有5人有這一癥狀，因為目前的研究對非手術(shù)手段療法有效性的驗證十分有限，椎管狹窄目前沒有足夠的證據(jù)推薦任何特定類型的非手術(shù)治療，比如緩解疼痛和炎癥的藥物，腰椎硬膜外類固醇或麻醉劑注射。而其中被證明的一種有效治療方法是脊柱手術(shù)，要求苛刻，需要快速高分辨率成像系統(tǒng)指導(dǎo)與高精度的手術(shù)手段，通過部分削減脊柱的骨骼，減小、消除壓迫?？勺?0-90%的人有良好的術(shù)后結(jié)果。

脊柱椎管是神經(jīng)的通道，看起來像脊柱后面的隧道。椎管狹窄有多種類型，具體取決于受壓迫的神經(jīng)部位，比如從脊髓分支到左側(cè)和右側(cè)擠壓在神經(jīng)的根部，比如脊柱管的中心變窄了致使馬尾神經(jīng)被擠壓（脊髓的尖端通過脊柱管是一堆細(xì)神經(jīng)。這部分稱為馬尾神經(jīng)）。

治療手術(shù)例如椎板切除術(shù)僅切除一部分椎板，即脊髓骨的后部。它刻蝕了一個足夠大的洞，以減輕特定位置的壓力。這里顯示的是頸部，同樣的，手術(shù)也可以在腰椎中完成。

另外還有使用醫(yī)用激光進(jìn)行骨消融的新技術(shù)，這需要更高精度與更高分辨率的快速成像系統(tǒng)在手術(shù)過程中進(jìn)行指導(dǎo)和支持。

OCT技術(shù)

傳統(tǒng)的非光學(xué)相干成像技術(shù)的主要有X 射線計算機(jī)層析成像技術(shù)、超聲成像技術(shù)、磁共振成像技術(shù)等，但是這些生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)都存在著某些方面的不足，如X射線計算機(jī)層析成像對生物體的輻射比較大，而超聲成像的分辨率比較低，磁共振成像掃描時間長，不利于實時觀察等。在諸如這樣的高精度的脊柱外科手術(shù)中，需要實時預(yù)覽手術(shù)效果。OCT技術(shù)可擔(dān)此大任。

常用醫(yī)療成像技術(shù)

OCT （Optical coherence tomography光學(xué)相干斷層掃描）成像技術(shù)是近些年迅速發(fā)展起來的一種新型生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，其歷史始于1990年山形大學(xué)丹野教授、1991年MIT的Dr.Fujimoto相繼發(fā)表論文，受到了極為廣泛的關(guān)注。1996年，美國Humphrey公司推出了世界上第一臺眼底OCT設(shè)備，從2005年左右開始快速商業(yè)實用化，并不斷改進(jìn)，其具有非接觸、非侵入、無損傷、成像分辨率高、成像速度快、靈敏度高、實時性好、三維成像、易與內(nèi)窺鏡技術(shù)等同軸系統(tǒng)相結(jié)合、操作簡單等優(yōu)點。

OCT技術(shù)填補(bǔ)了在毫米成像深度和微米成像分辨率尺度上生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的空白。由于不需要引入外源造影劑，也不需要對生物組織進(jìn)行生理切片來制備樣品，光學(xué)相干層析成像技術(shù)被稱為“光學(xué)活檢”，并可用于病變診斷與治療，如眼科疾病的診斷與治療，如心血管的快速成像，如皮膚疾病的診斷，如炎癥性疾病的治療過程，如光熱治療及光切除的實時觀測等等。

OCT的醫(yī)療應(yīng)用

OCT的工業(yè)應(yīng)用

在這近三十年期間，經(jīng)歷了很多變化與技術(shù)創(chuàng)新，現(xiàn)在除了生物醫(yī)療方面，也已拓展到更多的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如熔深監(jiān)測、工件測試測量等。

時域OCT與頻域OCT技術(shù)原理

第一代OCT被稱為時域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)(TD-OCT)，后來有人將光柵光譜儀與線陣探測器應(yīng)用到OCT上形成了第二代OCT，即譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)(SD-OCT)，成像速度得到了很大的提升；到近幾年，隨著掃頻光源的出現(xiàn)，又出現(xiàn)了掃頻光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)(SS-OCT)。譜域OCT和掃頻OCT又被合稱為頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)(FD-OCT)。OCT成像系統(tǒng)利用寬帶光源的低相干干涉技術(shù)獲取高分辨率的層析成像，典型的OCT成像系統(tǒng)如下圖所示。

時域TD-OCT系統(tǒng)低相干光源出射光束，在耦合器被分成兩束頻率相同，初始相位差恒定的平行光，兩束行光分別進(jìn)入邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的參考臂和樣品臂之中，其中，參考臂的光由參考鏡反射而返回后續(xù)光路，樣品臂的光則要經(jīng)過樣品表層的散射與反射作用后返回光路。若是兩束返回光的光程差保持在一個合適的范圍內(nèi)，即處于相干長度之內(nèi)，就可以在耦合器內(nèi)發(fā)生干涉現(xiàn)象，干涉光譜中就攜帶了不同的光程差信息，而這個光程差的信息有從本質(zhì)上反應(yīng)了樣品表面不同深度層次的信息，通過探頭移動完成多種方式的掃描，由探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再將電信號送入電腦中進(jìn)行更進(jìn)一步的處理，提取出樣品信息并用一種更直觀的方式表現(xiàn)出來，完成圖像重建工作。

根據(jù)頻域FD-OCT的構(gòu)成，分為（1）使用寬帶光源，一般是超發(fā)光二極管，和光柵光譜儀取得信號方式的Spectrol Domain OCT（2）高速波長掃描型光源和與其同步采集數(shù)據(jù)方式的Swept Souce OCT。SD-OCT的成像實現(xiàn)過程與TD-OCT類似，區(qū)別在于SD-OCT是利用多波長一次成像即可通過對測量光譜進(jìn)行快速傅里葉變換獲得樣本組織的深度信息，而不再需要軸向移動參考鏡對樣品進(jìn)行深度位置信息掃描（A-scan）。因此，頻域FD-OCT的靈敏度可達(dá)TD-OCT的100倍，速度可達(dá)TD-OCT的10倍。SD-OCT有可以用相對可實現(xiàn)簡單構(gòu)成的優(yōu)點，但是因為需要光譜儀和線陣探測器，測量深度和測量速度有局限性。SS-OCT的基本構(gòu)成如圖b所示。掃頻激光源分時發(fā)出不同波長的光在時域中順序輸出，檢測單元通過平衡探測器檢測不同波長光照射下，樣品反射光和參考光生成的干涉光信號。由于采用波長掃頻輸出，且采用了平衡探測器，SS-OCT在圖像的取得速度和成像深度方面有優(yōu)勢，常被作為高端產(chǎn)品的核心而采用。

掃頻OCT的成像性能由掃頻光源的輸出特性決定：成像速度取決于掃頻光源的掃描速度；軸向分辨能力取決于掃頻光源的掃頻范圍；成像深度由掃頻光源瞬時線寬決定；成像靈敏度與掃頻光源輸出功率有關(guān)。

也就是說掃頻激光器的掃頻速度越快，SS-OCT系統(tǒng)采樣成像的速度就越快，而僅需通過樣品臂光路集成到醫(yī)療激光器件就可實現(xiàn)同軸觀測，因此針對脊柱椎管的激光醫(yī)療，既可以實現(xiàn)高速成像又可以實現(xiàn)實時預(yù)覽骨消融深度從而指導(dǎo)手術(shù)。

虹科&OCTlight高速掃頻源

虹科合作伙伴OCTLIGHT作為項目委員會的公司之一參與了該項目。“在OCT控制下通過激光消融治療脊柱狹窄的創(chuàng)新療法”（InTherSteLa——Innovative Therapie der Spinalkanalstenose mittels Laserablation unter OCT-Kontrolle）由德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和氣候行動部（BMWK）批準(zhǔn)和資助，并已獲得249832歐元的資金。漢諾威激光中心 e.V.領(lǐng)導(dǎo)該項目，周期為2022年9月1日至2025年2月28日。這個創(chuàng)新項目旨在開發(fā)一種靈活的工作探頭，能夠在不危及更深層組織層的情況下實現(xiàn)高精度的骨骼去除。該項目將結(jié)合兩種技術(shù)來獲得這一點：使用OCT在實時成像預(yù)覽控制下通過醫(yī)用激光進(jìn)行骨消融。這需要高速OCT成像來提供實時預(yù)覽，而OCTLIGHT Caliper-HERO就是能將其商業(yè)化并付諸實踐應(yīng)用的可行技術(shù)。因為CALIPER-HERO是一款緊湊型交鑰匙1060nm激光模塊，具有高達(dá)1.7MHz波長掃描速率，適用于超快3D OCT成像應(yīng)用。HERO具有較長的相干長度，可實現(xiàn)較大的成像深度，并結(jié)合穩(wěn)定的連續(xù)波長掃描，是需要高分辨率和高幀速率的3D成像應(yīng)用的理想選擇。采用單片集成MEMS-VCSEL結(jié)構(gòu)，可靠的VCSEL數(shù)據(jù)通信技術(shù)和單一材料的MEMS系統(tǒng)，以提高魯棒性。虹科Caliper-HERO獲得專利的高效諧振振蕩器（HERO）技術(shù)通過在真空中操作MEMS反射鏡來實現(xiàn)MHz級別快速掃描速率。長期的掃描穩(wěn)定性可使用具有預(yù)校準(zhǔn)FFT線性化的單通道DAQ實現(xiàn)高效、高吞吐量的數(shù)據(jù)采集。我們不僅提供OCT高速掃頻激光器，也可按需提供SS-OCT系統(tǒng)配件資源與系統(tǒng)搭建技術(shù)支持。