新的计算成像工具提高OCT横向分辨率

一种称为光学相干折射断层扫描（OCRT）的新技术能够将OCT的分辨率提高到所有方向的单个微米，该技术同样可在活体中实现该要求。

由于OCT深度分辨率比横向更好，所以当被成像的组织主要包含平坦层时，OCT具有优势。为了扩展OCT对整个身体组织的实时成像的能力，杜克大学的研究人员需要克服横向分辨率和成像深度之间的权衡。由Joseph Izatt教授领导的研究人员将从多个角度采集的OCT图像结合起来，将深度分辨率扩展到横向尺寸。在这样做时，他们发现单个OCT图像由于细胞和其他组织成分中的不规则性折射的光而变得扭曲。为了补偿这些改变的光路，他们模拟了光在通过样品时是如何弯曲的。为了开发准确的模型，他们使用了机器学习。

研究人员使用“基于梯度的优化”来推断基于多角度图像的组织不同区域内的折射率。这种方法使研究人员能够确定需要调整折射率的方向，以便创建更好的图像。经过多次迭代后，算法创建了组织折射率的图，可以最好地补偿光线中的折射。该方法使用TensorFlow实现，TensorFlow是由Google为深度学习应用程序创建的软件库。在校正折射引起的失真以记录OCT图像时，新技术还实现了空间分辨的折射率成像。

用小鼠输精管样品证明正常OCT扫描（左）和新OCRT扫描（右）的图像质量。注意当OCTR扫描产生完整图像（顶部）时，OCT扫描如何随深度迅速恶化，并注意细节的增加和两者之间噪声的减少（底部）。由杜克大学的Kevin Zhou提供。

对于研究人员的概念验证实验，他们从小鼠的膀胱和气管中取出组织样本，将样本放入管中，并将样本在OCT扫描仪下旋转360°。该算法成功地创建了每个样本折射率的映射，将扫描的横向分辨率提高了300％以上，同时降低了最终图像中的背景噪声。虽然该研究使用的样本已经从体内移除，但研究人员认为OCRT可以适应在生物体中起作用。研究人员Kevin Zhou说：“为这种技术开发的扫描探针可以旋转光束在组织表面上的角度，从而避免了旋转组织。”

目前，该团队正在研究通过低于180°扫描的技术可以改善角膜扫描的程度，结果似乎很有希望。如果成功，OCRT技术可适用于眼科以外的许多医学成像需求。“OCT已经通过推进活体人类视网膜的无创显微成像，彻底改变了眼科诊断。”Izatt说，“我们相信，随着OCRT的进一步发展，这项技术的影响不仅可以扩展到额外的眼科诊断，还可以扩展到整个身体内窥镜，导管和支气管镜，从而实现可以进入组织的病理成像。”

“捕捉眼睛中传统流出组织的高分辨率图像是眼科学中长期以来追求的目标。”Sina Farsiu教授说，“具有这种横向分辨率的OCT扫描仪对于早期诊断和寻找青光眼的新治疗靶点非常重要。”研究人员说，以前尝试创建具有高横向分辨率的OCT图像依赖于全息术。全息方法要求样品和成像设备在整个测量过程中保持完全静止至纳米级别，因此在活的移动组织中的应用仍是一项挑战。

该研究目前发表于Nature Photonics（https://doi.org/10.1038/s41566-019-0508-1）。