光学相干层析成像(OCT)能通过微型光纤探头实现人体内部组织和器官的三维结构或功能成像，在生物医学成像领域具有重要应用。本课题组提出并改进了基于大纤芯光纤的微型探头，同时通过调制大纤芯光纤的模式能量分布、模式相位差、模式干涉场的放大方式以及模式数量实现了出射光束的调控和成像性能的优化，以期同时获得较高的横向分辨率、较长的焦深和工作距以及较好的轴向光强均匀性。本文提出了相应的快速仿真方法，解决了模式数量多、模式干涉场复杂情况下探头参数的优化问题。仿真和实验显示，基于大纤芯光纤的探头能实现2～3.8倍的焦深拓展和2.1倍的工作距拓展，且在成像效果上相对于传统光纤探头有显著提升。由于具有尺寸小、成像质量好、结构牢固的优点，基于大纤芯光纤的探头在OCT内窥成像尤其是窄小空间内的高分辨率成像方面具有巨大的应用潜力。

小型化探头是内窥光学相干层析成像(Optical coherence tomography, OCT)中的普遍需求。介绍了包括基于球透镜、光纤透镜、自聚焦光纤、自由曲面透镜、无透镜的OCT技术的发展历程,总结和比较了各种技术的优劣,为探头的小型化设计提出了建议。研究探头的焦深拓展技术对分辨人体内细胞的在体成像的发展具有重要意义。介绍了几种重要的适用于小型化探头的焦深拓展技术,其中基于模式干涉的探头由于易于制作、结构紧凑、传输效率高,同时具有可以优化工作距离、焦深和轴向光强均匀性的优点,在拓展小型化探头的焦深方面具有一定的发展潜力。

光学相干层析显微成像(OCM)技术是一种使用相干探测的光学显微成像技术。OCM不仅具有光学相干层析成像技术(OCT)高轴向分辨、高信噪比、无需标记的优势,而且能通过高倍物镜获得高横向分辨能力,能实现微米量级的空间分辨率。首先介绍OCM技术的基本原理和实现方案,然后详细阐述OCM技术的原理以及在国际上的研究进展。针对OCM技术中如何实现超高分辨成像、焦深限制成像深度等问题,对目前该研究领域一些先进的OCM技术进行总结。OCM技术在生物医学、材料检测等领域具有广泛的应用前景。

纤维状结构是生物组织的一种基本结构形式。疾病的发生和演化常常伴随着纤维状结构空间取向的相应变化。对生物组织内纤维状结构空间取向的定量表征方法和主要应用进行了简单综述,着重介绍了空间取向信息在几种重要疾病模型中的研究进展,包括伤口愈合、骨关节炎、乳腺癌、腹膜癌扩散、脑损伤等,并在特定的人工组织模型中探究了组织结构与功能的关系。对生物组织纤维状结构的高灵敏、高精度描述,为研究疾病的发生和演化提供了新思路和手段,有望实现特定疾病的早期诊断和病理机制的深入理解。最后,对该方法的应用前景进行了展望。

血管内超声（IVUS）和血管内光学相干层析(OCT)成像均属无损医学成像技术，常用于人体冠状动脉中薄纤维帽脂质斑块(TCFA）的检查。其中IVUS的探测深度大，能够较为精确地测定TCFA的脂质核心大小，但由于分辨率较低，无法测量TCFA的纤维帽厚度；而OCT分辨率很高，可以精确测量TCFA的纤维帽厚度，但探测深度浅，无法描述脂质核心的全貌。IVUS与血管内OCT相结合，一次检查即可同时获得血管内壁的超声与OCT图像，实现对血管内血栓与斑块的精准诊断。通过设计IVUS和OCT微型集成探头及近端驱动，实现了一套可同时对血管内壁进行IVUS和OCT成像的系统，对血管组织检测深度达到8 mm，横向分辨率优于1 mm，轴向分辨率优于400 μm，同时在1 mm范围内横向分辨率优于10 μm，轴向分辨率优于8 mm。对琼脂和铁丝等搭建的血管模型样品进行了成像实验，验证了系统的可行性。

介绍了并行谱域光学相干层析成像（PSD-OCT）技术，重点报道了丁志华课题组在PSD-OCT的方法与系统研制方面取得的研究进展，包括基于全局优化的大视场PSD-OCT系统、基于复干涉信号与相位信息的真伪缺陷识别方法及基于空间光谱编码与重叠数据互相关算法的运动伪影校正方法。利用所建立的PSD-OCT系统，可实现玻璃表面及内部缺陷的检测，避免伪缺陷的误判。通过引入空间光谱编码单元，该系统还可校正非受控运动。