光学相干层析成像（OCT）能够无损获得微米级空间分辨率的样品截面信息，在眼科、血管内科等临床诊疗研究和应用中起到了重要的作用。利用OCT测量光场的幅度可以获得样本的三维结构信息，如眼底视网膜的分层结构，但对组织特异性、血流、力学特性等功能信息的作用有限。基于相位、偏振态、波长等光场参量的OCT功能成像技术应运而生，如多普勒OCT、OCT弹性成像、偏振敏感OCT、可见光OCT等。其中，基于光场幅度动态变化的OCT功能成像技术具有显著的鲁棒性和系统复杂度优势，已经在临床无标记血管造影中获得成功。此外，应用于三维血流流速测量的动态光散射OCT、具有无标记组织/细胞特异性显示能力的动态OCT、能够监控热物理治疗温度场的OCT温度层析成像等，已经成为了OCT功能成像的技术前沿。综述基于光场幅度动态变化的OCT功能成像技术的原理、实现和应用，分析了所面临的技术挑战，并展望了未来发展方向。
光学相干层析成像 功能成像 光场幅度动态变化 动态光散射 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211018
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
光声成像是一种以超声为媒介的功能性光学成像方法,近年来得到了迅速发展。非接触光声成像技术旨在无耦合液的条件下实现高灵敏、大带宽的光声信号接收以及高质量的图像重建,它在继承传统光声成像技术优势的基础上,提升了探测性能,并扩展了应用领域。本文综述了非接触光声成像的研究现状及其在生物医学领域的应用,概述了目前非接触光声成像技术的物理机理及成像系统的结构,介绍了该技术在无标记术中组织学成像、眼科成像和皮肤光学活检中的特色应用,最后总结了非接触光声成像技术的特点以及未来面临的挑战。
医用光学 光声成像 非接触 功能成像 多模态 生物医学 中国激光
2021, 48(19): 1918005
1 北京大学工学院生物医学工程系, 北京 100871
2 北京大学第一医院眼科, 北京 100034
3 北京大学深圳研究生院生物医学工程研究所, 广东 深圳 518055
4 深圳湾实验室, 广东 深圳 518052
利用视网膜功能测量仪对眼底进行结构成像来直接观察体内丰富的循环系统,并对视网膜的血氧饱和度及血管直径进行无创、定量的功能性成像测量。对糖尿病患者和健康人群进行视网膜功能成像并作定量比较分析,结果表明,在糖尿病患者中,视网膜动脉血氧饱和度相比健康人群有显著性提高,视网膜动静脉血氧饱和度差值有显著性增大,视网膜黄斑中心凹无灌注区面积也有显著增大。此外,在糖尿病患者和健康人群中,视网膜动静脉的直径均存在差异,且静脉直径总大于动脉直径。研究结果表明通过视网膜功能成像可以检测糖尿病患者的视网膜氧代谢和灌注率等参数的临床变化,帮助医生更好地观察、评估糖尿病患者视网膜微血管的病理改变,并在糖尿病患者眼科并发症的早期诊断和预后评估方面具有一定的应用潜力。
医用光学 视网膜功能成像 血氧饱和度 血管直径 眼底成像 糖尿病 激光与光电子学进展
2020, 57(5): 051701
1 中国科学技术大学工程科学学院, 安徽 合肥 230026
2 精密科学仪器安徽普通高校重点实验室, 安徽 合肥 230026
光声成像兼具光学成像对比度高和超声成像在深层生物组织中分辨率高等优点,是近年来迅速发展起来的一种生物医学成像模态。光声显微成像(PAM)是光声成像的一种重要实现方式,利用其可以无创提供活体生物组织结构和功能信息的优点,研究人员已开展了临床前和临床应用研究。为了使不同领域的研究人员了解这一快速发展的成像技术,本文综述了光声显微成像的发展现状、最新技术和研究进展。文章首先介绍了PAM的基本原理和典型的系统实现,然后概述了包括空间分辨率、成像深度、扫描方式、信号探测手段和多模态成像等方面的重要研究进展,接着阐述了PAM在生物医学领域的应用现状,最后总结了其未来发展面临的挑战。
生物医学 光声成像 光声显微成像 多模态 结构成像 功能成像 分子成像
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津大学天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
功能近红外光谱成像已成为脑功能研究的首选手段。为得到高灵敏度、大动态范围以及高时间分辨率的成像系统, 开发了基于改进锁相光子计数的多通道近红外脑功能成像系统。光源模块由波长为785, 808, 830 nm的激光二极管(各16个)组成, 调制方波的频率间隔为252 Hz; 探测模块包括9个光子计数式光电倍增管。该系统结合了单光子计数技术的超高灵敏度与方波调制模式数字锁相检测的简易并行性, 测量线性相关系数可达0.9989, 信道间的串扰可忽略不计, 具有较强的抗干扰能力和准确的空间定位能力。
成像系统 脑功能成像技术 锁相光子计数技术 参考权重计数策略 扩散光层析成像 7次分时激励方案
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 光电科学与工程学院, 浙江 杭州 310027
光学相干层析成像（OCT）可以实现生物组织内部微观结构的实时、高分辨率、三维成像，在临床诊疗与基础科学研究领域得到了广泛的应用。近年来，得益于光源与探测技术的发展，傅里叶域OCT已经成为OCT的主流模式，尤其推动了OCT微血管造影等功能成像技术的发展。以傅里叶域OCT为重点，回顾了OCT的工作原理，阐述了系统主要的性能参数及其影响因素，介绍了傅里叶域OCT在成像量程、成像速度以及功能成像方面的现状并对OCT的研究作了展望。
医用光学 光学相干层析 功能成像
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市信息传感与智能控制重点实验室, 天津 300222
为降低近红外脑功能漫射光断层成像(DOT)固有的逆问题病态性, 并避免多模态方法的图像配准等问题, 提出了基于光学自导引提供先验功能信息的脑功能DOT方法(OT-DOT), 并发展了图像重构方法.模拟验证表明: 上皮厚度(TLT)已知时, OT-DOT获得的重构量化度(QR)约为传统DOT的4.2倍; 当TLT的估计误差小于±10%时, OT-DOT重构的QR值可达92%以上, 远远优于传统DOT; 噪声鲁棒性测试表明, OT-DOT与传统DOT的噪声鲁棒性相近.利用连续光DOT测量系统的仿体实验重构结果表明, 所发展的OT-DOT算法获得的重构结果优于传统DOT算法.
光谱学 生物医学光子学 光学自导引漫射光断层成像 脑功能 近红外 先验信息 图像重构方法 Spectroscopy Biomedical photonics Optical self-guiding diffuse optical tomography Brain functional imaging Near infrared Prior information Image reconstruction method 光子学报
2016, 45(11): 1117001
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
为了获得乳腺诊断的功能影像信息，设计了一套面向乳腺肿瘤早期诊断的血氧扩散光学层析(DOT)成像系统。该时域测量系统采用时间相关单光子计数技术，获得溢出目标体表面的光子随时间变化的分布信息，为了兼顾测量时间和系统成本，采用了四通道并行测量模块与光开关相结合的架构，能够降低不同通道之间的性能差异，减少伪像对诊断的干扰。采用基于广义脉冲谱技术的特征数据算法实现了光学参数(吸收系数、约化散射系数)的同时重建。通过仿体实验和初步临床研究对所提出的时域血氧DOT方法进行了验证，结果表明，该方法可以有效重建乳腺组织中光学参数的空间分布，进而获得乳腺组织功能信息，用于乳腺肿瘤的早期检测。
医用光学 成像系统 乳腺肿瘤早期诊断 三维时域扩散光学层析 功能影像重建
1 中国科学技术大学 天文与应用物理系，合肥 230026
2 新奥博为技术有限公司,河北 廊坊 065000
阐述了基于光子散射模型下的功能成像技术.运用蒙特卡罗方法对光子在介质中的散射路径进行了模拟和分析，从而引入光子散射的概念.通过对光子散射方程的解释引入了散射光子密度波的概念.通过无限大模型下光子密度波的波方程，引出光子密度波的异质模型.建立了基于消元的奇异值弱化重建算法，完成了对病态方程的求解，实现了对内嵌于均匀介质中异质的吸收系数分布图像的重建.在基于光散射成像技术所开发的成像系统平台下实现了异质小球的成像实验，对多个不同浓度的物体完成了成像，探测到介质中由于微小浓度改变而引起的吸收系数变化.
散射光子密度波 奇异值分解 功能成像 Diffuse Photons Density Wave(DPDW) SVD Functional Imaging
