超高速光學(xué)相干層析成像的光計算方法的探索

光學(xué)相干層析成像技術(shù)（OCT）作為一種新型的無損、高分辨的光學(xué)斷層三維成像方法，在生物、醫(yī)學(xué)、材料等許多領(lǐng)域中具有非常重要的的應(yīng)用，是光學(xué)影像領(lǐng)域的研究熱點。因為三維、實時成像涉及海量數(shù)據(jù)的采集及處理，提高成像速度的方法因而成為目前這一領(lǐng)域的眾所關(guān)注的重要研究內(nèi)容。本課題在基金的支持下，提出了一種基于全光的高速計算方法，徹底突破了傳統(tǒng)成像技術(shù)的框架，通過光學(xué)方法直接進行成像信息的大數(shù)據(jù)計算和處理，因而實現(xiàn)了數(shù)量級地縮短處理數(shù)據(jù)的時間，快速完成包含樣品三維結(jié)構(gòu)信息的海量數(shù)據(jù)的處理，無需后期再數(shù)據(jù)處理的實時三維體成像。我們所提出的高時效光學(xué)計算技術(shù)首次應(yīng)用于光學(xué)相干成像系統(tǒng)中，從原理上徹底擺脫了傳統(tǒng)方法受CCD積分時間和計算機運算速度對成像速度的制約，為實現(xiàn)OCT的實時三維高速成像提供了一條全新的方法。目前我們已經(jīng)實現(xiàn)了實驗上10mega-A-scan/s處理速率，是迄今OCT無后處理的實時成像最高速度。我們的這種基于光纖的全光配置光學(xué)計算系統(tǒng)所構(gòu)建的超高速體成像OCT成像方法，將在臨床手術(shù)導(dǎo)引和監(jiān)測方面發(fā)揮重要作用。

光學(xué)相干層析成像技術(shù)（OCT）作為一種新型的無損、高分辨的光學(xué)斷層三維成像方法，在生物、醫(yī)學(xué)、材料等許多領(lǐng)域中具有非常重要的的應(yīng)用，是光學(xué)影像領(lǐng)域的研究熱點。因為三維、實時成像涉及海量數(shù)據(jù)的采集及處理，提高成像速度的方法因而成為目前這一領(lǐng)域的眾所關(guān)注的重要研究內(nèi)容。. 本項目提出一種革命性的高速光計算方法，徹底突破傳統(tǒng)成像技術(shù)的框架，通過光學(xué)方法直接進行成像信息的大數(shù)據(jù)計算和處理，可數(shù)量級地縮短處理數(shù)據(jù)的時間，快速完成包含樣品三維結(jié)構(gòu)信息的海量數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)無需后期數(shù)據(jù)處理的實時三維體成像。我們所提出的高時效光學(xué)計算技術(shù)將首次應(yīng)用于光學(xué)相干成像系統(tǒng)中，可從原理上徹底擺脫了傳統(tǒng)方法受CCD積分時間和計算機運算速度對成像速度的制約，為實現(xiàn)OCT的實時三維高速成像提供了一條全新的道路，有望推動OCT繼第一代時域成像、第二代頻域成像，升級為以光計算為標志的第三代成像。

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（光學(xué)相干層析技術(shù) ，Optical Coherence Tomography, OCT）是近十年迅速發(fā)展起來的一種成像技術(shù)，它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)眼科的應(yīng)用

OCT是一種新的光學(xué)診斷技術(shù)，可進行活體眼組織顯微鏡結(jié)構(gòu)的非接觸式、非侵入性斷層成像。OCT是超聲的光學(xué)模擬品，但其軸向分辨率取決于光源的相干特性，可達10um ,且穿透深度幾乎不受眼透明屈光介質(zhì)的限制，可觀察眼前節(jié)，又能顯示眼后節(jié)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，在眼內(nèi)疾病尤其是視網(wǎng)膜疾病的診斷，隨訪觀察及治療效果評價等方面具有良好的應(yīng)用前景。

下面具體來說一下，OCT在醫(yī)學(xué)中的具體應(yīng)用。OCT是20世紀90年代初期發(fā)展起來的一種新型非接觸性無創(chuàng)光學(xué)影像診斷技術(shù)，是利用眼中不同組織對光（用830nm近紅外光）的反射性不同，通過低相干性光干涉測量儀，比較反射光波和參照光波測定發(fā)射光波的延遲時間和反射強度，分析出不同組織的結(jié)構(gòu)及其距離，經(jīng)計算及處理成像，并以偽彩形式顯示組織的斷面結(jié)構(gòu)。軸向分辨率可達10微米。它對黃斑部疾病的診斷有重要應(yīng)用價值。但OCT的分辨率是靠組織結(jié)構(gòu)的發(fā)光性質(zhì)不同對組織進行區(qū)分，視網(wǎng)膜斷層中真正較易明確區(qū)分的有神經(jīng)上皮光帶、色素上皮光帶和脈絡(luò)膜光帶，神經(jīng)上皮層間的結(jié)構(gòu)尚難分辨。

OCT的掃描方式有水平、垂直、環(huán)形、放射狀以及不同角度的線性掃描，檢查者可根據(jù)病變的部位、性質(zhì)以及檢查目的來選擇合適的掃描方式。因OCT橫向分辨率與掃描長度有關(guān)，掃描線越長，分辨率越低。為了便于資料的比較以及采集資料的規(guī)范，可以選擇固定的掃描長度和固定的掃描順序。如對黃斑的掃描，可選擇掃描線長度為4mm或者4.5mm，間隔45°的線性掃描作為基本掃描。

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)病理科的應(yīng)用

OCT技術(shù)最重要的應(yīng)用之一是探測人體軟組織的早期癌變。癌癥的早期診斷是挽救病人生命的關(guān)鍵，唯一確定的診斷方法是通過活組織檢查，問題是需要花費一定的診斷時間，且給出的結(jié)論與分析人員的經(jīng)驗等主觀因素有很大關(guān)系，準確測定癌變區(qū)的邊界就更加困難。OCT則依據(jù)癌變組織具有與健康組織不同的光譜特性和結(jié)構(gòu)，得到組織清晰的像，由此實時而準確地進行診斷。因為采用了計算機進行信號處理，所得結(jié)果與操作人員的主觀因素無關(guān)。另外，OCT技術(shù)將成為對皮下組織病變進行實時診斷而無需活組織檢查的一種權(quán)威方法，但在此之前還需要更多的臨床試驗揭示其優(yōu)點及待解決的問題。

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

OCT 研究的最初目的是為生物醫(yī)學(xué)的層析成像，并且醫(yī)學(xué)應(yīng)用仍然繼續(xù)占主導(dǎo)地位。除了在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，隨著 OCT 技術(shù)的發(fā)展，OCT 技術(shù)正在向其他領(lǐng)域推進，特別是工業(yè)測量領(lǐng)域，如位移傳感器、薄底片的厚度測量以及其他可以轉(zhuǎn)換成位移的被測物的測量。

最近，低相干技術(shù)已作為高密度數(shù)據(jù)存儲的關(guān)鍵技術(shù)。OCT 技術(shù)還可用于測量高散射聚合物分子的殘余孔隙、纖維構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的完整性。還可以用于測量材料的鍍層。OCT 技術(shù)還能用于材料科學(xué)，J.P.Dunkers 等人使用OCT 技術(shù)對復(fù)合材料進行了無損傷的檢測 。 M.Bashkansky 等人利用 OCT 系統(tǒng)對陶瓷材料進行了檢測，拓展了 OCT 技術(shù)的應(yīng)用范圍。S.R.Chinn 等還對 OCT 在高密度數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用進行了研究，實現(xiàn)多層光學(xué)存儲和高探測靈敏度。