光学相干层析(OCT)在眼科成像中扮演重要的角色，但是使用条件苛刻。OCT的使用彻底改变了用于眼部内科和外科医疗的诊断成像手段。眼科医务人员现在通常使用OCT来检测各种常见的眼部疾病，包括与年龄相关的黄斑变性(macular degeneration)、糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy)、青光眼(glaucoma)和角膜功能障碍(corneal dysfunction)。事实上，自OCT出现以来，它就在定义这些疾病的诊断标准和推动治疗决策方面发挥了重要作用。不幸的是，为此目的而设计的临床 OCT 系统通常是隔离在眼科办公室或大型眼科中心的专用成像室中的大型台式(tabletop)仪器。此外，它们需要用于头部定位、眼睛对准和运动抑制的机械头部稳定装置（例如，下巴托或前额支架），以及训练有素的眼科医务人员来操作。由于当前OCT系统的便携性差、有稳定性需求和对操作员技能有要求，因此OCT成像仅限于对眼科医疗环境中的合作患者进行非紧急评估。当前的OCT 不是在常规和紧急医疗环境中都可用的一般工具，而是眼科专家的专属成像工具，受到成像工作空间和操作员障碍的限制。
博览：2021Nature Biomedical Engineering基于机械臂的扫描仪对无外界支撑的个体眼睛无接触OCT成像
技术背景：
光学相干层析(OCT)在眼科成像中扮演重要的角色，但是使用条件苛刻。OCT的使用彻底改变了用于眼部内科和外科医疗的诊断成像手段。眼科医务人员现在通常使用OCT来检测各种常见的眼部疾病，包括与年龄相关的黄斑变性(macular degeneration)、糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy)、青光眼(glaucoma)和角膜功能障碍(corneal dysfunction)。事实上，自OCT出现以来，它就在定义这些疾病的诊断标准和推动治疗决策方面发挥了重要作用。不幸的是，为此目的而设计的临床 OCT 系统通常是隔离在眼科办公室或大型眼科中心的专用成像室中的大型台式(tabletop)仪器。此外，它们需要用于头部定位、眼睛对准和运动抑制的机械头部稳定装置（例如，下巴托或前额支架），以及训练有素的眼科医务人员来操作。由于当前OCT系统的便携性差、有稳定性需求和对操作员技能有要求，因此OCT成像仅限于对眼科医疗环境中的合作患者进行非紧急评估。当前的OCT 不是在常规和紧急医疗环境中都可用的一般工具，而是眼科专家的专属成像工具，受到成像工作空间和操作员障碍的限制。
目前已经对OCT做了一定改进，但是仍然不够。从操作员技能的角度来看，许多商业OCT系统的制造商已将小工作范围内的有限自对准纳入其台式扫描仪。虽然更容易操作，但此类系统仍然依赖下巴托来实现近似对准和运动稳定。此外，实现自对准所需的光学和机械部件增加了这种依赖于台式的扫描仪的体积和重量。从成像工作空间的角度来看，手持式缩小并减轻了扫描头的重量，以便操作员可以轻松地将其拿起来。操作员将OCT扫描头靠近患者眼睛，而不是患者主动靠近台式系统。以这种方式获得的扫描会受到手动对准和运动伪影的限制，因此只有双手稳定的高技能操作员才能可靠地成功。图像配准技术可有效减轻后期处理中的小运动伪影。然而，这些算法从根本上受到原始图像质量的限制。在原始图像由于未对准而丢失的情况下，无法进行校正。自对准台式扫描仪和手持式扫描仪都无法克服工作空间和操作员技能障碍，这些障碍将常规OCT成像对象限制为合作的、非卧床的个人。自对准台式扫描仪仍然需要机械头稳定，而手持式扫描仪仍然需要经过培训的操作员。此外，这两种方法是不兼容的，额外的大量自动对准组件使手持式扫描仪更加笨拙。
当前不足：
当前的用于眼科成像OCT设备无法消除对成像空间和操作员的严格要求，阻碍了OCT的广泛应用。
文章创新点：
基于此，美国杜克大学的Mark Draelos(第一作者兼通讯作者)等人提出了一种主动追踪扫描仪,所成图像可与临床OCT相媲美。有助于将OCT成像推进到基层医疗(primary care)、急诊室和完全无人看管的环境中，并可实现对位置受限(position-restricted)个体的成像。
（1）使用机械臂完成扫描和对准动作，工作空间与人类手臂相当。OCT扫描头铰接在机械臂上。
（2）使用3d相机主动寻找病人的位置。
（3）通过集成在扫描头上的相机主动追踪病人的瞳孔，无需头部固定装置。
（4）具有需要操作员激活的自动模式和无需操作员的自主成像模式。
原理解析：
（1）OCT数据采集和处理。OCT模块为扫频OCT(见图1b)，空气中理想轴向分辨率为5.4um，成像深度7.4mm。参考臂音圈电机(VCM)调节长度为6mm，准确度1um。使用100kHz扫频激光源,中心波长1050nm，100nm带宽。原始数据处理使用标准频域OCT技术，如DC消除(subtraction)、色散补偿、逆傅里叶变换等，生成的体积数据用log对数变换后保存。B-scan运用特定的黑白阈值生成。体积数据需要采用裁剪的方法移除振镜回返和透镜反射伪影。
（2）OCT扫描头设计和制造。眼前节(anterior segment)成像使用远心扫描头(如图1c)，利用扫描振镜完成横向追踪。视网膜成像使用传统的4f 视网膜望远镜(如图1d)，其在视网膜的共轭平面放置一个快速反射镜(fast steering mirror, FSM)。视网膜的横向追踪通过在望远镜的傅里叶平面上的FSM引入一个扫描倾斜实现。 视网膜和眼前节成像需要更换扫描头。扫描头的光学设计使用光线追迹软件完成(如图1e,f)。设计波长为1000nm、1050nm、1100nm。使用Navarro eye model完成视网膜扫描头光学优化。扫描头的机械设计使用三维设计软件完成后，结构件经3D打印制成。
（3）基于线性三角测量的主动追踪。主动追踪依赖于三个黑白相机(如图1c,d)。其中，一个相机与OCT系统共享一个物镜，具有与COT扫描一致的横向视角，即共轴相机(inline camera)。使用棋盘标定目标在共轴相机坐标系中标定左右摄像机位姿。在每个相机视角里并行检测瞳孔，当至少两个相机检测到瞳孔存在时，通过 350 Hz 的线性三角测量估计三维空间中的瞳孔位置。相机与OCT使用不同的光源(眼前节用850nm波长，视网膜用720nm波长)，通过滤光片消除不同光源之间的干扰。OCT横向扫描之前，需要将扫描振镜和FSM校正到共轴瞳孔相机的坐标系。
（4）机械扫描头定位。控制器使用两个3D相机(RealSense D415,Intel)观察拍摄空间，利用OpenFace2.0检测拍摄到的面部标志(facial landmarks)。，并以近30Hz的速度从点云数据中提取左右眼的三维空间位置。在初始位置阶段(如图1a的第一帧和第六帧)，控制器复位，等待面部被识别。在对准阶段，控制器将扫描头逐渐对准从面部追踪结果中提取到的眼睛(如图1a，第2到5帧)，整个过程是开环的，不需要扫描头的反馈。当扫描头检测到瞳孔，控制器进入成像阶段，即使用瞳孔追踪的结果将扫描头的光轴精确的对准眼睛，整个过程是闭环的，以减小瞳孔对准误差。整个模块安装在一个协作机械臂上。
成像效果
视频1：操作示意
参考文献：Draelos, M., Ortiz, P., Qian, R. et al. Contactless optical coherence tomography of the eyes of freestanding individuals with a robotic scanner. Nat Biomed Eng 5, 726–736 (2021).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41551-021-00753-6
附录：
（来源：Chuang
K., Fields M.A., Del Priore L.V. Potential of Gene Editing and Induced
Pluripotent Stem Cells (iPSCs) in Treatment of Retinal Diseases. Yale J.
Biol. Med. 2017;90:635–642.）
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