虹科案例 | 使用高速OCT成像技术实时观测激光手术效果

 

椎管狭窄是一种与年龄相关的疾病，表现为椎管或神经孔异常变窄，导致脊髓或神经根受压，颈椎或腰椎椎管变窄可导致颈部和背部疼痛。椎间盘突出也会引发椎管狭窄，在临床中很多患者同时患腰椎管狭窄症和腰椎间盘突出症。

随着我国人口老龄化加剧，以退行性改变为主因的椎管狭窄症患者不断增多。每1000名50岁以上的人中约有5人有这一症状，因为目前的研究对非手术手段疗法有效性的验证十分有限，椎管狭窄目前没有足够的证据推荐任何特定类型的非手术治疗，比如缓解疼痛和炎症的药物，腰椎硬膜外类固醇或麻醉剂注射。而其中被证明的一种有效治疗方法是脊柱手术，要求苛刻，需要快速高分辨率成像系统指导与高精度的手术手段，通过部分削减脊柱的骨骼，减小、消除压迫。可让70-90%的人有良好的术后结果。

 

脊柱椎管是神经的通道，看起来像脊柱后面的隧道。椎管狭窄有多种类型，具体取决于受压迫的神经部位，比如从脊髓分支到左侧和右侧挤压在神经的根部，比如脊柱管的中心变窄了致使马尾神经被挤压（脊髓的尖端通过脊柱管是一堆细神经。这部分称为马尾神经）。

 

治疗手术例如椎板切除术仅切除一部分椎板，即脊髓骨的后部。它刻蚀了一个足够大的洞，以减轻特定位置的压力。这里显示的是颈部，同样的，手术也可以在腰椎中完成。

另外还有使用医用激光进行骨消融的新技术，这需要更高精度与更高分辨率的快速成像系统在手术过程中进行指导和支持。

OCT技术

传统的非光学相干成像技术的主要有 X 射线计算机层析成像技术、超声成像技术、磁共振成像技术等，但是这些生物医学成像技术都存在着某些方面的不足，如X射线计算机层析成像对生物体的辐射比较大，而超声成像的分辨率比较低，磁共振成像扫描时间长，不利于实时观察等。在诸如这样的高精度的脊柱外科手术中，需要实时预览手术效果。OCT技术可担此大任。

常用医疗成像技术
 

OCT （Optical coherence tomography光学相干断层扫描）成像技术是近些年迅速发展起来的一种新型生物医学成像技术，其历史始于1990年山形大学丹野教授、1991年MIT的Dr.Fujimoto相继发表论文，受到了极为广泛的关注。1996年，美国Humphrey公司推出了世界上第一台眼底OCT设备，从2005年左右开始快速商业实用化，并不断改进，其具有非接触、非侵入、无损伤、成像分辨率高、成像速度快、灵敏度高、实时性好、三维成像、易与内窥镜技术等同轴系统相结合、操作简单等优点。

OCT技术填补了在毫米成像深度和微米成像分辨率尺度上生物医学成像领域的空白。由于不需要引入外源造影剂，也不需要对生物组织进行生理切片来制备样品，光学相干层析成像技术被称为“光学活检”，并可用于病变诊断与治疗，如眼科疾病的诊断与治疗，如心血管的快速成像，如皮肤疾病的诊断，如炎症性疾病的治疗过程，如光热治疗及光切除的实时观测等等。

OCT的医疗应用

OCT的工业应用

在这近三十年期间，经历了很多变化与技术创新，现在除了生物医疗方面，也已拓展到更多的工业应用领域，如熔深监测、工件测试测量等。

时域OCT与频域OCT技术原理

 

第一代OCT被称为时域光学相干层析成像系统(TD-OCT)，后来有人将光栅光谱仪与线阵探测器应用到OCT上形成了第二代OCT，即谱域光学相干层析成像系统(SD-OCT)，成像速度得到了很大的提升；到近几年，随着扫频光源的出现，又出现了扫频光学相干层析成像系统(SS-OCT)。谱域OCT和扫频OCT又被合称为频域光学相干层析成像系统(FD-OCT)。OCT成像系统利用宽带光源的低相干干涉技术获取高分辨率的层析成像，典型的OCT成像系统如下图所示。

时域TD-OCT系统低相干光源出射光束，在耦合器被分成两束频率相同，初始相位差恒定的平行光，两束行光分别进入迈克尔逊干涉仪结构的参考臂和样品臂之中，其中，参考臂的光由参考镜反射而返回后续光路，样品臂的光则要经过样品表层的散射与反射作用后返回光路。若是两束返回光的光程差保持在一个合适的范围内，即处于相干长度之内，就可以在耦合器内发生干涉现象，干涉光谱中就携带了不同的光程差信息，而这个光程差的信息有从本质上反应了样品表面不同深度层次的信息，通过探头移动完成多种方式的扫描，由探测器将光信号转化为电信号，再将电信号送入电脑中进行更进一步的处理，提取出样品信息并用一种更直观的方式表现出来，完成图像重建工作。

根据频域FD-OCT的构成，分为（1）使用宽带光源，一般是超发光二极管，和光栅光谱仪取得信号方式的Spectrol Domain OCT（2）高速波长扫描型光源和与其同步采集数据方式的Swept Souce OCT。SD-OCT的成像实现过程与TD-OCT类似，区别在于SD-OCT是利用多波长一次成像即可通过对测量光谱进行快速傅里叶变换获得样本组织的深度信息，而不再需要轴向移动参考镜对样品进行深度位置信息扫描（A-scan）。因此，频域FD-OCT的灵敏度可达TD-OCT的100倍，速度可达TD-OCT的10倍。SD-OCT有可以用相对可实现简单构成的优点，但是因为需要光谱仪和线阵探测器，测量深度和测量速度有局限性。SS-OCT的基本构成如图b所示。扫频激光源分时发出不同波长的光在时域中顺序输出，检测单元通过平衡探测器检测不同波长光照射下，样品反射光和参考光生成的干涉光信号。由于采用波长扫频输出，且采用了平衡探测器，SS-OCT在图像的取得速度和成像深度方面有优势，常被作为高端产品的核心而采用。

扫频OCT的成像性能由扫频光源的输出特性决定：成像速度取决于扫频光源的扫描速度；轴向分辨能力取决于扫频光源的扫频范围；成像深度由扫频光源瞬时线宽决定；成像灵敏度与扫频光源输出功率有关。

也就是说扫频激光器的扫频速度越快，SS-OCT系统采样成像的速度就越快，而仅需通过样品臂光路集成到医疗激光器件就可实现同轴观测，因此针对脊柱椎管的激光医疗，既可以实现高速成像又可以实现实时预览骨消融深度从而指导手术。
 

虹科&OCTlight高速扫频源

虹科合作伙伴OCTLIGHT作为项目委员会的公司之一参与了该项目。“在OCT控制下通过激光消融治疗脊柱狭窄的创新疗法”（InTherSteLa——Innovative Therapie der Spinalkanalstenose mittels Laserablation unter OCT-Kontrolle）由德国联邦经济事务和气候行动部（BMWK）批准和资助，并已获得249832欧元的资金。汉诺威激光中心 e.V.领导该项目，周期为2022年9月1日至2025年2月28日。这个创新项目旨在开发一种灵活的工作探头，能够在不危及更深层组织层的情况下实现高精度的骨骼去除。该项目将结合两种技术来获得这一点：使用OCT在实时成像预览控制下通过医用激光进行骨消融。这需要高速OCT成像来提供实时预览，而OCTLIGHT Caliper-HERO就是能将其商业化并付诸实践应用的可行技术。因为CALIPER-HERO是一款紧凑型交钥匙1060nm激光模块，具有高达1.7MHz波长扫描速率，适用于超快3D OCT成像应用。HERO具有较长的相干长度，可实现较大的成像深度，并结合稳定的连续波长扫描，是需要高分辨率和高帧速率的3D成像应用的理想选择。采用单片集成MEMS-VCSEL结构，可靠的VCSEL数据通信技术和单一材料的MEMS系统，以提高鲁棒性。虹科Caliper-HERO获得专利的高效谐振振荡器（HERO）技术通过在真空中操作MEMS反射镜来实现MHz级别快速扫描速率。长期的扫描稳定性可使用具有预校准FFT线性化的单通道DAQ实现高效、高吞吐量的数据采集。我们不仅提供OCT高速扫频激光器，也可按需提供SS-OCT系统配件资源与系统搭建技术支持。