一种提高基于断层扫描成像模式高分辨率性能的方法

新方法可作为OCT和其他平台的附加组件，以抵消衍射效应。

据麦姆斯咨询报道，近日，哈佛工程与应用科学院(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，Harvard SEAS)超材料先驱Federico Capasso团队报道了一种提高基于断层扫描成像模式高分辨率性能的方法。

作为一种常规的成像技术，OCT(光学相干层析成像)在轴向分辨率方面取得了巨大的进步，但在横向分辨率和焦深方面仍面临着挑战，尤其是在较大的成像深度上。将光聚焦到单个深度点会抑制系统的深度成像能力，然而当沿轴向分布光以抵消这种影响时，会引起衍射问题并影响横向分辨率。

Capasso团队提出了一种被称为“双射照明收集成像(bijective illumination collection imaging，BICI)”的概念，目的是在相对较大的深度范围内实现三维高分辨率成像，有效地避免衍射带来的限制。

BICI概念

正如Nature Photonics所报道，该团队最初设计了一种OCT成像解决方案作为概念验证，但同样的原理也可以用作其他成像模式的附加组件。

在BICI中，光入射和收集路径通过两个超表面(由纳米级亚波长间隔的光学元件阵列组成)分隔开。利用一组专门为该任务设计的表面结构可以在光入射和收集路径的焦点间产生一对一或“双射”关系，从而有效地消除失焦信号。

BICI配置

该项目团队指出，现有的高分辨率系统通常利用紧密聚焦的光来相对增加来自焦点的信号以减少失焦信号的影响，但在BICI中由于两个光路之间产生的直接相关性而完全不存在失焦信号，因此不会影响深度范围。

“与最先进的成像技术相比，BICI可以将高分辨率成像的范围扩大12倍以上。”项目合作伙伴皇后大学(Queen's University)的Majid Pahlevani说。“与传统成像技术不同，在BICI中，入射到目标的光和从目标收集的光通过纳米结构沿深度分布，使得在目标组织的大深度上保持高分辨率成像成为可能。”

BICI分辨率和焦深测量

用于实时诊断的癌细胞成像

将BICI集成到傅立叶域近红外OCT系统后，可在体外条件下拍摄猪肺气道组织结构的图像。根据Nature Photonics报道，研究结果显示“3.2微米的横向分辨率在1.25毫米的成像深度上几乎保持不变，与使用具有相同横向分辨率的理想高斯光束获得的成像焦深相比，其成像焦深约扩大了12倍。”

BICI与常规方法的组织成像比较

BICI在实际应用中的一个关键优势是它不会带来任何新的计算挑战。根据Majid Pahlevani的说法，这在活体动物成像中是一个优势。

“计算密集型技术导致成像缓慢，这并不适合活体成像。”Pahlevani说道，“活体患者的器官不是静止的，而是活动的，这会在成像中产生伪影。因此，活体成像需要快速技术。”

在OCT上证明了其价值后，BICI也应适用于其他模式，可能有助于癌细胞和相关细胞间机制的成像，以进行实时癌症诊断。

“虽然在这项工作中BICI应用于OCT，但基本概念是通用的，可能适用于各种成像模式，例如共聚焦显微镜和双光子显微镜。”项目团队说。

原文标题：基于超表面的双射照明收集成像系统实现三维高分辨率层析成像

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审核编辑：汤梓红