光学成像在疾病诊断中的应用

当前，医生们利用各种成像技术与疾病进行斗争，其中光学成像技术是获得高分辨率图像的新方法，其原理是每种生物介质具有各自特有的光谱特性，可赖以区分病变组织和正常组织，或对潜在问题准确定位。而光学相干层析则是最精确的光学成像技术，可提供１０～２０μｍ量级的高分辨率及比迄今为止任何其他技术都高的灵敏度。本文着重讨论光学相干层析术的基本原理及目前发展状况     

导管PS-OCT系统中双态数值色散补偿方法

导管光纤偏振敏感光学相干层析成像(PS-OCT)系统在心血管斑块定量分析上具有显著优势,搭建了基于保偏光纤成像深度复用的双偏振态导管PS-OCT系统.由于保偏光纤具有较强的双折射色散,因此难以利用一套色散系数实现双输入态色散补偿.针对这一难点问题,提出了一种用于导管PS-OCT系统的双态数值色散补偿方法.这种方法可对不...     

热红外偏振成像技术在目标识别中的实验研究

简要分析了热红外偏振探测与热红外强度探测在物理含义方面的区别,由此提出了一种利用偏振信息在红外图像中识别目标的新方法。通过热红外偏振成像系统获得了目标的偏振图像,并由计算机提取出了图像中的偏振信息。由于目标与自然背景的热红外偏振特性有较大的差异,所以通过分析这些信息,可以更好的识别目标。实验结果表明,该方法不仅可以很好地识别自然背景中的人造目标,而且对热红外伪装目标的识别也很有效。     

基于双通道剪切干涉的高光谱偏振成像方法

光谱偏振成像技术可同步测量目标的空间信息、光谱成分和偏振特性分量,在天文物理研究、大气成分的探测和生物医学等领域具有巨大的发展潜力。偏振信息的同步获取通常牺牲光谱成像的空间分辨率,为避免光谱成像空间分辨率的降低,提出基于双通道剪切干涉的高光谱偏振成像方法。利用双矩形干涉器实现双通道剪切干涉,两个通道分别进行高分辨率干涉光谱成像以及基于微偏振阵列的光谱偏振成像。分析了双通道剪切干涉以及基于微偏振阵列调制的傅里叶变换光谱偏振成像原理,论述了光谱信息反演方法以及偏振信息提取方法。搭建了实验装置,对实际场景目标进行光谱偏振成像实验,获得了目标的高空间分辨率光谱图像和偏振分量信息。研究表明,该高光谱偏振成像技术可同步进行偏振成像测量和高分辨率光谱成像测量。     

嵌入式相位传感的多功能Stokes-Mueller偏振仪

Mueller矩阵因可以定量地提供组织样品的完整偏振信息,已被广泛地应用于癌症的病理诊断中。现有的Mueller成像偏振检测仪器丢失了样品的绝对相位信息,而相对的相位信息不能反映待测相位的变化规律,故需要开发嵌入式偏振光波前绝对相位检测仪器。搭建了一款嵌入式相位传感的Stokes-Mueller偏振仪,将研发的四波横向剪切干涉仪集成在偏振仪中,不仅实现了生物样品偏振信息的提取,还实现了样品相位信息和折射率的实时测量。以肺癌组织切片为研究对象,通过对退偏参数和折射率值的比较准确地实现了对正常区域和癌变区域的识别。所提技术丰富了偏振仪的测量功能,通过测量绝对相位实现了样品折射率的测量,进而能够为癌症诊断领域提供一种更全面的辅助手段。     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

基于深度学习的透过散射介质偏振识别

当偏振光在散射介质中传播时,由于散射粒子的多重散射作用而造成偏振信息的扰乱和丢失.为了保证偏振信息在散射介质中高效和高保真的传输,提出一种基于深度学习的透过散射介质偏振识别方法.通过构建卷积神经网络来提取散斑光强信息中入射光波偏振信息的特征,实现对入射光波偏振态的高分辨率识别,并使用初始相位不同的偏振光来验证卷积神经网络对偏振态识别的鲁棒性.实验结果表明,所提方法具有识别速度快和准确率高的优点,理论上可以通过无限大的数据来训练神经网络,因此该方法在偏振光学成像和激光通信等领域具有巨大的应用潜力.     

光声信号的双谱分析方法研究

基于光声效应的光声光谱技术是光学与声学的有机结合, 可利用不同波长的入射光波, 产生不同的光声信号, 从而为组分识别、组织无损检测等提供高对比度图像, 是一种极具潜力的新型医学诊断技术.但光声光谱检测技术由于受检测方法的制约, 往往扫描时间较长, 而且信号的稳定性和图像识别的准确性也较差. 为了弥补单一光声光谱分析的局限性, 根据光声效应原理和振动理论, 提出了一种光声光谱与光声频谱相结合的双谱分析方法. 该方法通过光声频域信息的定量分析, 可以有效地提高不同组织的光声图像对比度, 从而提高光声成像的组分识别能力, 为光声频谱功能成像奠定理论基础. 实验结果显示, 光声光谱与光声频谱相结合的双谱分析方法可以较好地识别实验组织样品, 可实现高速、高分辨率的组分识别、组织探伤等, 具有广泛的应用前景和重要的临床诊断意义. 关键词： 光声成像 光声光谱分析 光声频谱分析     

伪装目标与背景的偏振对比特性

为解决传统光强探测手段难以有效探测和识别伪装目标这一难题,基于偏振探测技术搭建了光谱偏振探测成像系统,利用该系统在位于442.0,545.5,670.5,850.5 nm的窄波段对典型草地、土壤背景下的某型深绿色和土黄色伪装涂层进行了光谱偏振探测实验研究。并通过编制的图像处理软件对测试结果进行处理分析以提取其中的偏振信息,获得了目标与背景偏振度和偏振对比度随探测波长和探测角的变化规律。研究结果表明,合理地选择偏振成像探测条件可以使伪装涂层与背景之间存在较大的偏振对比度,可以实现对传统伪装涂层涂覆的目标的有效探测和识别。     

伪装目标与背景的偏振对比特性

为解决传统光强探测手段难以有效探测和识别伪装目标这一难题,基于偏振探测技术搭建了光谱偏振探测成像系统,利用该系统在位于442.0,545.5,670.5,850.5 nm的窄波段对典型草地、土壤背景下的某型深绿色和土黄色伪装涂层进行了光谱偏振探测实验研究。并通过编制的图像处理软件对测试结果进行处理分析以提取其中的偏振信息,获得了目标与背景偏振度和偏振对比度随探测波长和探测角的变化规律。研究结果表明,合理地选择偏振成像探测条件可以使伪装涂层与背景之间存在较大的偏振对比度,可以实现对传统伪装涂层涂覆的目标的有效探测和识别。     

大鼠冲击性脑创伤的太赫兹波成像检测

冲击波造成的脑创伤是目前较常见的致死致残疾病之一,对冲击性脑损伤的检测与分类具有重要意义。基于连续太赫兹波成像系统,对不同程度冲击波致伤的大鼠脑组织进行了连续太赫兹波衰减全反射成像检测,并采用支持向量机(SVM)分类器对不同创伤程度的脑组织太赫兹波成像结果进行分类识别。结果表明,太赫兹波衰减全反射成像技术可以实现对轻度、中度冲击性脑创伤脑部组织的检测。通过SVM分类器对不同创伤程度的脑部组织成像结果进行分类识别,其分类识别准确率可以达到86.36%。太赫兹波成像技术有望实现对不同程度冲击性脑创伤的早期精确检测与诊断。     

偏振光学成像：器件，技术与应用（特邀）

偏振是强度、波长和相位之外描述电磁波基本属性的第四个重要的“信息维度”参量,物体反射光或辐射光的偏振特性与其材质、几何形状、纹理结构和表面粗糙度、理化特性等本身性质密切相关。偏振光学成像是基于对光的偏振信息进行探测的新型光学成像手段,其利用目标反射光和背景杂散光的偏振特性差异,以达到改善目标成像质量、提高作用距离、提升探测能力和增强识别概率的目的。作为对强度、光谱和红外成像方式的有效补充手段,偏振光学成像对低信噪比复杂背景环境、强散射环境、低照度环境下的目标探测,具有重要的应用价值。结合作者多年来在偏振光学成像探测方面的研究工作基础,围绕相关的器件、技术和应用发展状况,对偏振光学成像研究领域进行了较为详细的介绍。包括偏振光学成像技术及偏振相机的国内外研究、发展和应用状况,与偏振光学成像密切相关的偏振光Stoke矩阵表示及偏振光学成像基本原理,以及研究团队在偏振相机研制及偏振光学成像探测方面开展的研究工作,主要涉及分孔径偏振光学成像系统的设计及关键器件和技术,偏振图像的信息处理技术及算法和应用。最后,对偏振光学成像研究目前需要解决的技术问题和发展方向给出了思考和建议。     

基于太赫兹波成像的鼠脑创伤三维重构

采用Feeney′s方法制备了鼠脑创伤模型,利用太赫兹波透射式成像系统对鼠脑的组织切片进行成像检测,结果表明:鼠脑创伤区域相比于正常区域具有更低的透过率。采用三维重构技术实现了鼠脑的三维建模,该模型可以清楚地反映鼠脑内部创伤区域的空间分布。基于太赫兹波多深度切片成像的三维重建技术在生物医学精确诊断方面具有巨大的应用潜力。     

多尺度水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用散射光偏振特性能够有效提高水下成像质量,在水下目标探测和识别领域具有重要应用价值.针对该技术在背景散射光和目标信息光分离时由于噪声放大现象导致重建图像质量受限的问题,提出多尺度水下偏振成像方法.该方法利用图像分层处理思想,结合小波变换的多尺度特性,对体现图像高对比度的基础层和低对比度但细节信息丰富的细节层分别进行处理,重建高对比度、高信噪比的清晰场景图像.实验结果表明,多尺度水下偏振成像方法不仅能够大幅提高对比度,复原图像细节信息,而且能够有效抑制放大噪声,提高重建图像的信噪比,在水下偏振成像领域具有良好应用前景.     

光散射光谱在生物医学领域的发展和应用

光散射光谱(Light Scattering Spectroscopy, LSS)是一种可以实时、无创地对细胞核以及细胞器结构进行探测的光谱技术,并且能够在细胞和亚细胞尺度上获得生物组织的结构特征。LSS将微小粒子的光散射特性与它们的大小、折射率和形状联系了起来。生物组织具有结构特异性,当被光照射时会产生不同角度和偏振特性的散射光,因此可以获得有关组织宏观和微观的结构信息。这项技术在相关领域得到了深入的研究,并被扩展到癌细胞的检测。本文首先对LSS技术的基本原理进行了介绍,然后详细阐述了该技术在早期癌症诊断中的研究和应用,最后,我们总结了LSS技术的优势并对其未来的发展进行了展望。     

液晶自适应光学视网膜校正成像技术研究

为了实现对人眼视网膜的高分辨率成像,解决偏振能量损失、成像视场小和普适性差等问题,对液晶自适应光学技术及其在人眼视网膜成像中的应用进行了研究。通过开环光路的设计方案,避免了闭环液晶自适应系统的偏振光能量损失;在光路中加入可变视场光阑,利用小视场照明进行波前探测、大视场照明进行像差校正和成像的方法扩大了成像视场;使用脉冲光照明的方案减小曝光量;通过偏振光照明提高能量利用率、等效无穷远视标配合补偿镜以及改进后的视标提高盯视稳定性等一系列方法,提高系统普适性。校正后成像的清晰度和对比度获得了明显提高;高分辨率眼底成像视场直径从200 μm扩大到500 μm;曝光量减小到原来的1/2~1/3;对前期难以获得清晰成像的样本,取得了效果良好的视网膜视觉细胞自适应图像。     

航天高分辨率对地光学遥感载荷研究进展

随着光学成像技术的不断发展和遥感应用需求的日益增长,跨尺度高分辨率光学技术在遥感领域得到广泛应用。为了获得更多的目标细节信息,国内外研究学者在不同技术方向开展了相关研究。本文对遥感成像技术进行了总结分类,介绍了具有代表性的航天高分辨率对地光学遥感载荷技术,重点关注单体结构主镜、可展开分块拼接主镜、光学干涉主镜、光栅衍射主镜、虚拟合成孔径、光子型综合孔径成像、计算超分辨成像、编队合成孔径等成像模式,为高分辨率对地光学遥感载荷发展提供新的发展思路。     

液晶自适应光学视网膜校正成像技术研究

为了实现对人眼视网膜的高分辨率成像,解决偏振能量损失、成像视场小和普适性差等问题,对液晶自适应光学技术及其在人眼视网膜成像中的应用进行了研究。通过开环光路的设计方案,避免了闭环液晶自适应系统的偏振光能量损失;在光路中加入可变视场光阑,利用小视场照明进行波前探测、大视场照明进行像差校正和成像的方法扩大了成像视场;使用脉冲光照明的方案减小曝光量;通过偏振光照明提高能量利用率、等效无穷远视标配合补偿镜以及改进后的视标提高盯视稳定性等一系列方法,提高系统普适性。校正后成像的清晰度和对比度获得了明显提高;高分辨率眼底成像视场直径从200μm扩大到500μm;曝光量减小到原来的1/2~1/3;对前期难以获得清晰成像的样本,取得了效果良好的视网膜视觉细胞自适应图像。     

大视场光学显微成像技术

光学显微成像技术具有实时性、高分辨率和非侵入性等特点,其成像尺度可跨越细胞、组织乃至生命体,极大地拓展了人们对生命本质的认识边界。然而,受限于光学显微成像系统有限的空间带宽积（Space-Bandwidth Product,SBP）,常规的光学显微镜难以同时兼具大视场和高分辨率,使得显微成像在大视场生物成像应用中受到较大的限制,例如,对脑神经网络以突触为单位的神经回路成像。近年来,大视场光学显微成像技术得到不断的发展,其SBP的视场相较于传统的光学显微镜有了十倍甚至百倍的提升,在保持高分辨率的基础上拓展了成像视场,从而可以满足生物医学领域重大问题的研究需求。本文介绍了近年来几种典型的大视场光学显微成像技术及其生物医学应用,并对其未来发展做了展望。     

光学相干层析术用于鲜红斑痣诊断

光学相干层析术(optical coherence tomography,简称OCT)具有非侵入性,高分辨及高速成像的优点,特别适合于生物医学领域。但由于大部分生物组织具高散射系数,通常仅能对表层组织下数毫米深度内进行成像。穿透深度不足限制了OCT在皮肤科等领域应用。作为常见多发病的鲜红斑痣具有病变组织浅,血管增生明显等特点,所以OCT非常适于鲜红斑痣的检测。通过选择皮肤穿透性好的中心波长为1310nm超辐射二极管,合理优化样品臂和参考臂光强比例及偏振控制,实现了对鲜红斑痣在体成像研究,采集了清晰的OCT图像,得到其关键特征参数,如表皮层厚度,血管直径等,对鲜红斑痣的诊断及制定合理治疗方案具有重要意义。