光在组织中的传输过程如图所示,主要可分为三种类型:扩散光(diffuse light)、蛇形光(snake light)和弹道光(ballistic light)。扩散光是指光子经过多次散射后才从组织表面出射;蛇形光是指光只经历少量散射事件,光传输轨迹与入射光偏离很小;弹道光是指光子沿着入射光方向直线传播,没有发生散射现象。蛇形光和弹道光在组织体内的传输时间较短,属于较早到达的光子(early arriving photons),可采用空间滤波或者时间门控的方法与扩散光进行区分;基于该类光子的成像技术只适用于较薄的组织体,当组织体变厚时,其数量微乎其微,因此采用扩散光对组织进行成像。
基于扩散光进行成像的方法称为扩散光学成像,也称漫射光学成像。需说明,“扩散”和“漫射”均表示光在传播过程中经过吸收和散射,对应英文“diffuse”一词。根据光源与探测器位于组织同侧或者对侧可以将成像模式分为反射型和透射型。反射型成像系统利用探测器在入射光进入组织的同侧对漫反射光进行探测。透射型成像系统则是利用探测器在入射光进入组织的对侧测量经过组织多次散射后出射的扩散光子。
本项目研究提出的新型深度残差网络,可绕过多频空间频域成像方法对光学吸收和散射系数的传统计算范式,将漫反射率直接映射到血红蛋白浓度等组织成分和功能信息,从而使计算速度提高10倍、整体测量速度提高25倍,实现高精度组织血供、氧饱和度信息的无创实时成像与显示。
研究提出了水和脂质成分定量成像新方法,通过常见的硅基探测器(工业相机),实现了对生物组织中水和脂质成分的无创、非接触、宽视场、定量成像,可用于肉类中的脂质成分评估、长时程组织水分监测等;相比传统水和脂质成像方法(短波红外空间频域成像: Yanyu Zhao, et al., Nature Communications, 2020),可将成像系统探测器成本降低两个数量级。
传统空间频域成像需要8比特连续调(continuous-tone)编码产生正弦结构光用于散射介质定量测量,测量速度受限于硬件的8比特响应速度;研究利用散射介质的低通特性,采用1比特半色调(halftone)编码实现了同样的测量效果,在无需改变系统硬件的情况下,将测量速度提高了近100倍,首次实现了千赫兹的空间频域成像。
研究通过多像素编码,同时提出基于梯度信息的光场调控方法替代传统的遗传算法,实现了散射介质后的快速光聚焦;所提出的方法相比传统方法将对比度提高了16倍,优化速度提高了179倍,还可实现散射介质后的多点聚焦,有望用于提高光在皮肤内的穿透深度从而更好地对皮下血管进行测量。
传统三维光声成像主要分为光声显微成像和光声计算断层成像;光声显微成像仅使用单晶探头(单像素超声探测器),但需要逐点扫描以进行三维成像,速度较慢,难以满足实时成像的需求;光声计算断层成像借助阵列式换能器以实现快速成像,但昂贵的成本和复杂的设备限制了广泛应用。本项目研究提出时空编码方法,通过特定形状的编码器,将单个激光脉冲产生的三维光声信号场编码成具有特定时间分布的超声信号,仅需使用单晶探头进行探测,即可实现快照式三维光声成像;在使用1 MHz单晶探头条件下,系统横向分辨率为2.5 mm、轴向分辨率为0.8 mm(声学分辨率)。
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