超高速光學(xué)相干層析成像的光計(jì)算方法的探索結(jié)題摘要

光學(xué)相干層析成像技術(shù)（OCT）作為一種新型的無(wú)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(diǎn)。因?yàn)槿S、實(shí)時(shí)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?jī)?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(jì)算方法，徹底突破了傳統(tǒng)成像技術(shù)的框架，通過(guò)光學(xué)方法直接進(jìn)行成像信息的大數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，因而實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)地縮短處理數(shù)據(jù)的時(shí)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(wú)需后期再數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)三維體成像。我們所提出的高時(shí)效光學(xué)計(jì)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(shí)間和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度對(duì)成像速度的制約，為實(shí)現(xiàn)OCT的實(shí)時(shí)三維高速成像提供了一條全新的方法。目前我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)上10mega-A-scan/s處理速率，是迄今OCT無(wú)后處理的實(shí)時(shí)成像最高速度。我們的這種基于光纖的全光配置光學(xué)計(jì)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(cè)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(wú)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(diǎn)。因?yàn)槿S、實(shí)時(shí)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?jī)?nèi)容。. 本項(xiàng)目提出一種革命性的高速光計(jì)算方法，徹底突破傳統(tǒng)成像技術(shù)的框架，通過(guò)光學(xué)方法直接進(jìn)行成像信息的大數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，可數(shù)量級(jí)地縮短處理數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)現(xiàn)無(wú)需后期數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)三維體成像。我們所提出的高時(shí)效光學(xué)計(jì)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(shí)間和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度對(duì)成像速度的制約，為實(shí)現(xiàn)OCT的實(shí)時(shí)三維高速成像提供了一條全新的道路，有望推動(dòng)OCT繼第一代時(shí)域成像、第二代頻域成像，升級(jí)為以光計(jì)算為標(biāo)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(lái)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(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號(hào)，通過(guò)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(jìn)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(dá)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(píng)價(jià)等方面具有良好的應(yīng)用前景。

下面具體來(lái)說(shuō)一下，OCT在醫(yī)學(xué)中的具體應(yīng)用。OCT是20世紀(jì)90年代初期發(fā)展起來(lái)的一種新型非接觸性無(wú)創(chuàng)光學(xué)影像診斷技術(shù)，是利用眼中不同組織對(duì)光（用830nm近紅外光）的反射性不同，通過(guò)低相干性光干涉測(cè)量?jī)x，比較反射光波和參照光波測(cè)定發(fā)射光波的延遲時(shí)間和反射強(qiáng)度，分析出不同組織的結(jié)構(gòu)及其距離，經(jīng)計(jì)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(dá)10微米。它對(duì)黃斑部疾病的診斷有重要應(yīng)用價(jià)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(duì)組織進(jìn)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(xiàn)性?huà)呙?，檢查者可根據(jù)病變的部位、性質(zhì)以及檢查目的來(lái)選擇合適的掃描方式。因OCT橫向分辨率與掃描長(zhǎng)度有關(guān)，掃描線(xiàn)越長(zhǎng)，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(zhǎng)度和固定的掃描順序。如對(duì)黃斑的掃描，可選擇掃描線(xiàn)長(zhǎng)度為4mm或者4.5mm，間隔45°的線(xiàn)性?huà)呙枳鳛榛緬呙琛?

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(cè)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(guò)活組織檢查，問(wèn)題是需要花費(fèi)一定的診斷時(shí)間，且給出的結(jié)論與分析人員的經(jīng)驗(yàn)等主觀因素有很大關(guān)系，準(zhǔn)確測(cè)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(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地進(jìn)行診斷。因?yàn)椴捎昧擞?jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，所得結(jié)果與操作人員的主觀因素?zé)o關(guān)。另外，OCT技術(shù)將成為對(duì)皮下組織病變進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷而無(wú)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(yàn)揭示其優(yōu)點(diǎn)及待解決的問(wèn)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(jìn)，特別是工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，如位移傳感器、薄底片的厚度測(cè)量以及其他可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)物的測(cè)量。

最近，低相干技術(shù)已作為高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。OCT 技術(shù)還可用于測(cè)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(cè)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(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了無(wú)損傷的檢測(cè) 。 M.Bashkansky 等人利用 OCT 系統(tǒng)對(duì)陶瓷材料進(jìn)行了檢測(cè)，拓展了 OCT 技術(shù)的應(yīng)用范圍。S.R.Chinn 等還對(duì) OCT 在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)多層光學(xué)存儲(chǔ)和高探測(cè)靈敏度。