提出一种制造辅助的光学相干层析成像(M-OCT)方法来实现高分辨、无损、全纵深、大体积成像。该方法融合离散制造原理和显微层析成像方法,在离散制造过程中通过OCT获取高分辨率图像,离散制造和OCT扫描同步或交替进行,结合图像拼接算法,在完成制造的同时获取制造样品的三维全纵深图像。利用三维(3D)打印技术构建高分子支架并进行M-OCT验证,成像结果与微计算机断层扫描技术(Micro-CT)结果一致,而M-OCT相比Micro-CT可以更清晰地分辨出相邻层材料堆积融合状态及制造缺陷。基于M-OCT的高分辨率成像结果,量化了整个支架的打印层厚、不同区域的孔径、丝径。大体积、高分辨OCT为3D打印、细胞组装、生物制造、自动切片等离散制造过程的监控及无损检测提供了一种新方法。

采用一种基于光学相干层析成像(OCT)技术的深度分辨散射系数计算方法来量化表征细胞分布特性。该方法基于单散射模型获取深度分辨散射系数分布图,并通过散射系数直方图统计发现细胞分布规律。通过多层散射介质模型验证了该方法的有效性。实验结果表明:根据散射系数分布图可以深度分辨细胞分布特性,相比OCT强度图像,细胞和背景的对比更明显;不同浓度细胞悬浮液的OCT强度信号直方图无明显区别,散射系数直方图则出现了表征细胞浓度的特征峰,且该特征峰与背景散射特征峰的偏离程度与细胞浓度呈线性关系。利用OCT散射系数分布图检测到生物三维打印水凝胶支架内细胞分布与H&E染色结果有较好的对应关系,且相应的散射系数直方图分布中出现了表征细胞浓度的特征峰。

构建合适的肿瘤细胞侵袭模型、开发肿瘤细胞侵袭的定量监测方法一直是癌症研究的热点。构建了厚度超过1 mm的三维肿瘤体外侵袭模型,利用搭建的超宽带谱域光学相干层析成像系统,检测了细胞的迁移和侵袭动态,从细胞迁移距离变化和基质材料分解两方面来表征肿瘤细胞的体外侵袭过程;通过光学相干层析成像散射界面的峰值变化来定量检测肿瘤细胞的迁移距离,结合三维图像量化基质材料的表面曲度、厚度、整体体积变化来表征肿瘤细胞侵袭过程的基质材料分解与变形信息。结果表明:光学相干层析成像技术检测到的肿瘤细胞侵袭引起的细胞团簇位置变化、基质材料形态改变与苏木精-伊红染色切片、激光共聚焦结果相匹配,验证了光学相干层析成像技术检测肿瘤细胞侵袭的可行性;通过设计不同营养梯度、不同pH微环境下的三维肿瘤模型,利用搭建的光学相干层析成像系统,准确地量化了不同时间、不同体外微环境下肿瘤细胞的迁移距离、基质材料表面曲度、厚度和整体体积变化。与苏木精-伊红染色、激光共聚焦方法相比,所提方法可以连续监测肿瘤细胞的侵袭过程,更全面地反映肿瘤细胞迁移和侵袭的机理。

提出一种基于光学相干层析成像(OCT)技术的水凝胶三维打印精准控制方法，利用OCT在线定量评价，通过迭代降低设计与打印间形态差异，提高了水凝胶打印的可控性和稳定性。实验结果显示，该方法能够准确地定量表征水凝胶三维打印支架的结构特征，并基于OCT表征结果的相关函数精准控制打印，使得支架平均孔隙尺寸与设计值的偏差从30%降低到2%。研究表明OCT技术可为组织工程中支架设计与表征、三维生物打印过程控制等提供具有潜力的精准化工具。

三维生物打印水凝胶支架内部结构的无损检测分析，对组织工程支架设计制造和生物功能实现具有重要意义。提出用扫频光学相干层析成像技术(SS-OCT)对三维生物打印的水凝胶支架进行无损成像和定量分析。设计和打印了4 种代表性结构的三维水凝胶支架。用高分辨SS-OCT 成像系统重建并揭示了支架内部三维结构，识别出打印支架与设计结构的差异以及孔融合、孔变形、通道堵塞等打印缺陷。基于阈值分割和形态操作的自动分析算法，定量表征了支架的孔隙大小及分布、实体支撑尺寸、孔隙率和三维连通性等结构参数。研究证明，OCT 技术可以为三维生物打印水凝胶支架的优化设计、过程控制、功能分析提供有力工具。

激光治疗的研究和临床应用缺少有效反馈指导，导致治疗效果高度不稳定，针对这一问题提出激光辐照与扫频光学相干层析成像(OCT)系统整合以实现组织光热作用过程中的实时监测。利用OCT 的M 模式成像，采集激光照射过程中皮肤样品同一位置随时间变化的干涉光谱信号，测量信号深度分辨复反射率，通过其幅度和相位变化分析来探测热效应诱导组织变形过程中光散射中心位置和轴向位移的变化，并基于OCT 散射模型获取组织在激光辐照过程中光衰减系数变化信息，从而实时监测热损伤边界和损伤程度的演变。实验结果显示在一定的激光功率辐射下，随着激光作用时间的增长，组织出现热凝固坏死，热损伤边界单调下移，伴随损伤加重组织光衰减系数非线性增加。通过与光学显微、组织染色切片检测的对比分析进一步验证了该技术应用于精确监测和指导光热治疗的可行性。