寬視場、高分辨率和高對比度的光學(xué)相干折射斷層成像
杜克大學(xué)的研究人員改進(jìn)了光學(xué)相干斷層掃描（OCT），使用一種三維光學(xué)相干折射斷層成像（3D OCRT）技術(shù)擴(kuò)大了成像范圍、提高了對比度和分辨率。3D OCRT能夠分辨更多細(xì)節(jié)信息，對生物醫(yī)學(xué)樣本成像、以及醫(yī)療診斷具有重要應(yīng)用價值。本研究目前已發(fā)表于Optica。
OCT由于不需要任何造影劑或標(biāo)記物，所以廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域的成像，如眼、皮膚、口腔、動脈和胃腸道內(nèi)部等。研究人員表示，3D OCRT的特點(diǎn)是將新的硬件設(shè)備與新的三維圖像重建算法相結(jié)合，從而解決了OCT成像技術(shù)的一些局限性。3D OCRT技術(shù)的硬件設(shè)備也可以很容易地制成小型探針或內(nèi)窺鏡，以進(jìn)入胃腸道和身體的其他部位成像。
3D OCRT對果蠅頭部成像的結(jié)果。3D OCRT揭示了傳統(tǒng)OCT難以觀察到的細(xì)節(jié)特征。
盡管事實證明OCT在臨床應(yīng)用和生物醫(yī)學(xué)研究中都很有用，但由于光束傳播的基本限制，OCT很難同時在所有方向上獲得寬視場高分辨率的OCT圖像。OCT成像的另一個限制是圖像具有較高的隨機(jī)噪聲，噪聲形成的斑點(diǎn)可能會掩蓋生物醫(yī)學(xué)上的重要細(xì)節(jié)。
為了解決上述問題，研究人員使用了一種新的光學(xué)設(shè)計，其中包括一個拋物面鏡，其能夠?qū)⒐饩€導(dǎo)向一個方向。在此光學(xué)裝置中，樣品被放置在拋物面鏡焦點(diǎn)。這種設(shè)計使得對樣品的多個角度成像成為可能，而且成像角度范圍非常廣。研究人員還開發(fā)了一種新的算法，將得到的圖像合并成一個高質(zhì)量的三維圖像，以糾正失真、噪聲和其他缺點(diǎn)。
OCRT實現(xiàn)3D成像，所以具有更廣泛的應(yīng)用。由于3D OCRT"會產(chǎn)生幾十到幾百GB的數(shù)據(jù)，所以研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)了新的計算機(jī)算法。
獲得更廣闊的視野
斑馬魚幼蟲的3D OCRT和傳統(tǒng)的OCT效果圖之間的對比。
研究人員使用3D OCRT對各種生物樣本，包括斑馬魚和果蠅，進(jìn)行成像。這兩種生物是行為、發(fā)育和神經(jīng)生物學(xué)研究的重要模型生物。成像結(jié)果證明了3D OCRT的多功能性和廣泛適用性。研究人員還對小鼠的氣管和食道組織樣本進(jìn)行了成像，以證明其在醫(yī)學(xué)診斷成像方面的潛力。通過3D OCRT，他們獲得了高達(dá)±75°的3D視場，并且成像過程中無需移動樣本。
除了減少噪音偽影和糾正樣本引起的扭曲外，OCRT本身能夠通過計算從傳統(tǒng)的OCT中不太明顯的組織屬性中實現(xiàn)高對比度。例如，實驗表明OCRT對定向結(jié)構(gòu)（如纖維狀組織）敏感。
目前，研究人員現(xiàn)在正在探索縮小該系統(tǒng)的方法，并通過利用更快的OCT技術(shù)和結(jié)合快速深度學(xué)習(xí)算法，使其更快地進(jìn)行現(xiàn)場成像，從而加速或改善數(shù)據(jù)處理過程。
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項目成果
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