相干衍射成像研究进展:叠层扫描相干衍射成像和相干调制成像

相干衍射成像技术是一种无透镜计算成像技术。该技术通过迭代算法求解相位问题,直接从衍射强度数据重构物体的振幅和相位图像信息,可获得由照明光源波长和数据记录有效数值孔径决定的衍射极限分辨率。由于相干衍射成像技术不依赖于高质量光学成像元件的使用,因而适合用于深紫外、X射线以及电子束等诸多很难制作高性能成像器件的辐射源。过去20年来新型光源(冷致电子枪、第三代和第四代同步辐射光源、自由电子激光器)、单粒子计数高灵敏度、宽动态范围面阵检测器的迅猛发展,也极大地促进了相干衍射成像技术的发展。目前相干衍射成像在材料科学和生物学等热门学科方向上已经显示出了相较传统方法的独特优势,在部分应用上已经逐渐成为主流技术。文中概略回顾相干衍射成像的发展历史。重点介绍叠层扫描相干衍射成像和相干调制成像这两种快速发展的技术。

多波长同时照明的菲涅耳域非相干叠层衍射成像

传统的叠层衍射成像往往采用单波长照明,即使使用多波长来提升恢复质量也是采用依次照明的方式,同时对相干性要求很高.非相干光照明一直被认为不利于衍射成像.本文提出了一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方案及相应的多路复用叠层衍射成像算法,并通过仿真和实验验证了该方案的可行性.相比于传统的相干叠层衍射成像方案,该方案不仅能够很好地恢复物像,同时也能够恢复不同波长下分别对应的物体的光谱响应、复振幅探针和光谱比例,从而获得更多的物体信息,具有多通道和多光谱的优势.同时,通过彩色图像编码的方式,能够实现物体的真彩色复原和图像质量的增强.此外,还证明了该算法具有很强的鲁棒性,研究了最多可分辨波长的数量.该研究结果为叠层衍射成像技术的信息多路复用及多光谱成像在更多领域的应用展现了可能性.

探测器光电特性对叠层相干衍射成像的影响

从叠层相干衍射成像的解析求解模型出发,通过在频域中将叠层相干衍射成像描述为待测样品与照明光空间频谱的线性方程组,将探测器的光电参数和线性方程组的个数以及每个方程的未知数个数直接关联.根据方程组存在唯一解的条件,从理论上定量分析叠层相干衍射成像对探测器采样间隔、靶面宽度、像元尺寸、灵敏度和动态范围等关键光电参数的要求以及图像重建所受影响.通过数值模拟,对理论分析和预测的正确性进行了数值验证,得出了参数不理想情况下叠层相干衍射成像仍能获得高质量重建像的物理机制,对于提高重建质量和改进实验装置具有直接促进意义.

叠层相干衍射成像算法发展综述

随着同步辐射技术的发展和光源相干性的提升,叠层相干衍射成像(ptychography)得到快速发展.叠层相干衍射成像算法解决了传统相干衍射成像算法收敛速度较慢、容易陷入局部最优解和算法停滞等问题,具有成像视场大、算法鲁棒性强、对误差容忍性高、应用范围广等优点,正成为相干衍射成像领域的热点研究方向.本文首先介绍了叠层相干衍射成像算法提出的背景;然后详细总结了叠层相干衍射成像算法的发展脉络、主要的算法流程以及应用场景,并且介绍了叠层相干衍射成像与人工智能结合的新算法及应用潜力;最后介绍了叠层相干衍射成像算法具体的并行化实现及常用软件包.本文有助于建立叠层相干衍射成像领域算法本身、人工智能以及计算方法全局研究视角,对于促进叠层相干衍射成像方法学的系统发展具有重要的参考意义.

厚样品三维叠层衍射成像的实验研究

叠层衍射成像是一种新兴的无透镜成像技术,目前限制这项技术发展的是光束透过样品时的乘法近似假设,这意味着在可见光域微米级分辨率下,叠层衍射成像的样品厚度不能超过数十微米.通过将样品沿轴多层切片的方式,在模拟实验和光学实验中均实现了对毫米量级厚样品的三维叠层衍射成像.模拟实验结果表明,单波长并不能很好地恢复三维厚样品,从而有必要引入多波长光束照明,随着波长数量的增加,三维厚样品的复原质量不断提高.光学实验使用两组不同厚度的样品进行实验验证,进一步研究了波长数量对复原结果的影响.随着波长数量增加,复原图像质量不断提高,证明了模拟实验的结论.利用所建光学实验装置,在三波长照明条件下取得了最好的成像与分离效果.同时针对实验中出现的叠影现象做出了合理的解释.研究结果对提高厚样品三维叠层衍射成像的质量具有现实意义.

同步辐射X射线光斑信息对扫描相干衍射成像的影响

本文采用拓展重叠关联迭代引擎算法,系统地模拟研究了X射线光斑尺寸、扫描点数及波前形貌对扫描相干衍射成像重建图像质量的影响。结果表明,在实际入射光斑尺寸不易确定时,算法中初始猜测光斑尺寸可以由模拟入射光斑最大光强值的1%对应边界确定。对物体进行扫描时,入射光斑个数大于7×7且重叠度优于70%可以重建出较好的图像。入射光斑的振幅和位相分布对重建图像质量也有着显著影响。

光学相干断层扫描血管成像术在早期青光眼诊断中的优势

青光眼是一组以视神经萎缩和视野缺损为共同特征的疾病,是全球范围内主要致盲性眼病之一,近年来随着检查技术的进一步提高,青光眼的检出率日益提高。光相干断层扫描血管成像术是基于检测血流来构建视网膜血管网图像的一种无侵入性快速成像方式,能够提供视网膜和脉络膜血流灌注系统的三维成像。并可同时对血流变化与视网膜神经纤维层、神经节细胞层厚度变化之间的关系进行严谨的循证研究。对评估早期青光眼的损伤提供了良好的诊疗前景。

光相干断层扫描血管成像技术在原发性开角型青光眼合并高度近视诊断中的价值

高度近视视盘及盘周的改变为原发性开角型青光眼(primary open-angle glaucoma,POAG)合并高度近视患者的早期诊断及病情进展分析带来困难。光相干断层扫描血管成像技术(optical coherence tomography angiography,OCTA)作为一种非侵入性眼底影像检查技术,可以量化视网膜、脉络膜各部分血流密度,具有无创、快速和可随访等特点。OCTA可以通过评估脉络膜、视网膜各部位异常血流状态,并与视网膜神经纤维层厚度、视野等改变相结合,从而为POAG合并高度近视的早期诊断、病情进展分析和治疗效果评估提供依据。本文对POAG、高度近视以及POAG合并高度近视患者的OCTA眼底血流改变和特点进行综述,以对POAG合并高度近视临床诊断提供比较可靠的参考指标。

应用光学相干断层扫描血流成像技术分析青光眼的微循环变化

目的:应用光学相干断层扫描血流成像(optical coherence tomography angiography, OCTA)技术定性定量分析原发性开角型青光眼(primary open angle glaucoma, POAG)黄斑区及视盘旁的微循环变化特点,探讨各期开角型青光眼患者黄斑区与视盘旁的微循环变化与视网膜结构损伤与视野损害的关系。方法:选取2018.04~2019.04就诊于深圳爱尔眼科医院确诊为POAG且眼压控制稳定的患者41人(共77眼,其中早期35眼、进展期25眼、晚期17眼)为观察组,选择年龄、性别配对的正常人群23例(43眼)为对照组。应用OCTA技术分别测量黄斑区各象限以及视盘旁平均毛细血管密度,分析其黄斑区及视盘旁微循环变化;同时应用OCT分别测量黄斑区节细胞复合体(retinal ganglion cells, GCC)和视盘旁视网膜神经纤维层(retinal nerve fiber layer, RNFL)平均厚度,并研究各参数与视野MD值的相关性。结果:POAG患者存在眼底微循环异常,黄斑区及视盘旁毛细血管密度低于正常眼,而且随着病情进展,黄斑区(全周、上方、下方)及视盘(全周、上方、下方)毛细血管密度明显减少,且与患眼RNFL和视野的损害有较好的相关性。结论:随着青光眼的进展,视盘及黄斑区的上方与下方微血管微循环容易出现异常而表现相应微血管密度降低。青光眼的严重程度与血管密度有一定关联。

光学相干断层扫描血管成像在评估无视网膜病变糖尿病患者中的应用准确性分析

糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)是糖尿病常见的并发症,同时也是一种影响视力的微血管病变,DR严重者甚至致盲。我国糖尿病的患病率逐年升高,而DR在糖尿病患者的发病率占到20%以上,对于糖尿病患者早期识别出是否存在视网膜微血管病变至关重要。DR的典型特征是黄斑缺血,相关研究表明在眼底微血管病变前就发生视网膜神经改变,这样使得神经纤维层变薄,可以通过测定黄斑区微血管、神经纤维层厚度以观察糖尿病患者是否合并视网膜病变。

基于叠层衍射成像的二元光学元件检测研究

本文提出了一种基于叠层衍射成像(ptychography)的二元光学元件的检测方法,该方法可实现对二元光学元件表面微观轮廓的检测以及特征尺寸的标定.相比于传统的二元光学元件检测方法,其使用无透镜成像技术,简化了系统结构并可适用于特殊环境下的检测.该方法可直接通过采集多幅衍射图,利用叠层衍射成像迭代算法可精确地复原大尺寸待测元件的表面微观轮廓,提高大尺寸器件的检测效率.本文模拟仿真了台阶高度与噪声大小对纯相位台阶板复原结果的影响,并在光学实验中选取计算全息板为样品,复原样品的表面微观轮廓信息以及得到台阶高度.以白光干涉仪检测结果为标准,该方法在精度要求不太高的前提下,可获得令人满意的成像质量.

X光发散度对多切片扫描相干衍射成像质量的影响

扫描相干衍射成像(Ptychography)技术目前已得到大范围的应用,获得了巨大成功。基于Ptychography的三维成像技术也得到了快速发展,在生物和材料领域的研究中得到了成功应用。常规的Ptychography三维成像技术仍是基于多角度投影的计算机断层成像技术,具有成像效率低、辐照剂量大的缺点。最近出现的多切片三维Ptychography成像方法,为高效低剂量的三维成像技术开辟了新的道路。为了进一步改善多切片方法的重建效率和图像质量,本文在优化迭代算法中驰豫系数的基础上,通过模拟计算系统地研究了入射X射线的发散度对多切片方法重建效果的影响。结果表明:入射X射线的发散度越高(数值孔径越高),多切片方法图像迭代重建的收敛越快,图像的重建质量也更好;而选择较小的入射X光发散度则不利于三维成像的高质量重建。该结论对于相关成像实验中聚焦光学的选择和设置具有重要的指导意义,如选择聚焦尺寸更小的波带片或较低的入射X射线能量,将更有希望获得好的多切片成像质量。

动量加速方法提高层叠衍射成像的质量

X射线层叠衍射成像技术(Ptychography)所采用的图像重建迭代算法是一种传统的梯度下降算法。该算法从一组猜测函数开始,实验中探测到的正确信息被不断代入循环迭代中来修正猜测函数,最终达到收敛。这种算法存在一个问题就是容易出现收敛停滞的现象,也就是所谓的陷入局域最小值。造成这种现象出现的原因是局域最小值附近的梯度极小导致梯度下降的幅度极小。为了解决这一问题,最近"动量"这一概念被引入Ptychography算法中,产生了动量加速层叠衍射迭代引擎(momentum Ptychographical Iterative Engine,mPIE)算法。加入"动量"相当于给迭代重建过程赋予了"惯性"性质,当前梯度下降的幅度不仅由当前梯度决定,还会受到之前变化的幅度影响。所以即便是在梯度极小的局域最小值附近,目标函数仍然可以跳出停滞,继续变小。为了验证"动量"的引入对图像重建的提升效果,详细比较了动量mPIE算法和传统的拓展层叠衍射迭代引擎(extending Ptychographical Iterative Engine,e PIE)算法对同一套扫描相干衍射成像实验数据的重建图像质量。重建结果表明:相对于传统重建算法,动量加速算法可以获得更好的图像重建质量。

光学相干断层扫描血管成像技术(OCTA)观察孔源性视网膜脱离复位术后黄斑区血流

目的通过光学相干断层扫描血管成像技术(optical coherence tomography angiography,OCTA)观察孔源性视网膜脱离患者视网膜复位术后黄斑区血流情况。方法对单眼行孔源性视网膜脱离复位术患者进行术后随访。将患眼纳入试验组,将对侧健眼纳入对照组。在患者视网膜复位稳定6个月时使用OCTA对双眼黄斑区进行3 mm×3 mm大小成像,分别计算试验组与对照组浅层视网膜毛细血管(superficial capillary plexus,SCP)层黄斑中心凹无血流管区(foveal avascular zone,FAZ)面积、SCP层和深层视网膜毛细血管(deep capillary plexus,DCP)旁中心凹血流密度及中央视网膜厚度(central retinal thickness,CRT)。对比观察两组眼部血流参数信息,分别评估两组SCP层FAZ面积与CRT的相关性。结果本研究纳入21例单眼孔源性视网膜脱离复位术后患者。试验组SCP层旁中心凹血流密度为39. 50%±7. 10%,相比对照组的44. 11%±5. 72%更小(P=0. 026)。试验组CRT为(211. 95±30. 37)μm,相比对照组的(252. 38±15. 63)μm更薄(P <0. 001)。试验组SCP层FAZ面积、DCP层旁中心凹血流密度分别为(0. 34±0. 10) mm^2、47. 67%±9. 13%,与对照组的(0. 30±0. 01) mm^2、49. 70%±6. 10%相比,差异均无统计学意义(均为P> 0. 05)。两组SCP层FAZ面积与CRT均存在显著负相关(试验组:r=-0. 450,P=0. 041;对照组:r=-0. 527,P=0. 014)。结论孔源性视网膜脱离复位术后患眼黄斑区血流发生显著改变,OCTA观察视网膜脱离复位术后患眼血流有利于监测视网膜结构和功能变化。

应用光学相干断层扫描血管成像评估视网膜血流的可重复性及再现性

目的:应用Cirrus HD-OCT 5000对正常眼黄斑及视盘血流参数进行血管成像测量,评估其可重复性及再现性。方法:纳入40只正常眼进行前瞻性研究。操作者A于一周内3天的同一时段(T1,T2,T3)对正常受试者的同一眼黄斑及视盘进行3次血管成像扫描,扫描过程中均开启FastTracTM图像跟踪功能,操作者B在T2时间点再次对受试者同一眼进行相同程序扫描,使用Angio Plex MetrixTM量化软件(版本10.0)自动测量黄斑和视盘的血管长度密度(vessel length density,VD)和血管灌注密度(vascular perfusion density,PD)。应用单因素方差分析或非参数检验比较3次扫描的VD、PD是否有差异。采用组内相关系数(intraclass correlation coeff icient,ICC)、变异系数(coefficient of variation,CV)评价操作者A的可重复性,采用一致性相关系数(consistent correlation coeff icient,CCC)、重复性系数(repeatabi lit y coeff icient,CR)、CV评价操作者间的再现性。结果:操作者A对黄斑及视盘各区域3次扫描的VD、PD之间差异无统计学意义(P>0.05)。操作者A对黄斑和视盘VD、PD 3次扫描的ICC值分别为0.260~0.517、0.362~0.898,黄斑及视盘各区域VD、PD的CV值均<8.1%。黄斑和视盘VD、PD的操作者间CCC值分别为0.3130~0.5665、0.5149~0.7801;黄斑VD和PD的CR值分别为3.2212~4.6399、0.0574~0.0832;视盘VD和PD的CR值分别为2.0675~4.0630、0.0447~0.0730。黄斑CV值均<9.0%,视盘CV值均<6.9%。结论:非同日的同一时段视盘浅层血流参数具有较好的重复性及再现性,黄斑浅层血流参数的重复性及再现性相对较差。

基于傅里叶叠层显微成像术的定量相干传递函数恢复

研究了在不同系统误差和不同目标算法下相干传递函数的重建质量,发现相干传递函数的重建比物体的重建更稳健。基于此,报道了一种用于傅里叶叠层显微成像术的子区域平移方法,以加速有限图像下的相干传递函数重构收敛速度,消除由周期性照明光源阵列引起的栅格噪声,实现图像的重聚焦,并使用相干传递函数去卷积提高图像的对比度。此外,研究了傅里叶叠层显微成像术的空域和频域数据冗余来恢复相干传递函数,发现至少需要大约40%的频谱交叠率来精确重建相干传递函数,比无像差条件下高出10%,为了相干传递函数的稳定性需要至少25张原始低分辨率图像。最后,讨论了稳定的相干传递函数重建所需的条件,并通过模拟和实验进行了验证。

光学相干断层扫描血管成像技术对中青年近视患者视盘区血管密度的观察

目的:采用光学相干断层扫描血管成像技术(OCTA)研究中青年近视患者视盘区血管密度与视网膜神经纤维层(RNFL)厚度变化及眼轴的关系。方法:收集中青年近视患者53例(89只眼),正视眼和低度近视眼组(+0.5~-3.0D)17例(30只眼),中度近视眼组(-3.0D~-6.0D)18例(28只眼),高度近视组(>-6.0D)18例(31只眼)。所有患者均行眼科常规检查,包括裂隙灯、眼底检查、眼压测定、眼轴测定(IOL-master)。采用OCTA检查设备收集视盘区微血管密度和RNFL厚度,自动进行计算,并通过单因素方差分析、LSD法进行比较,相关性分析视盘区域血管密度与RNFL厚度和眼轴之间的关系。结果:中度近视组与高度近视组视盘内血管密度均高于正视眼和低度近视组(P<0.05);正视眼和低度近视组与中度近视组视盘周围血管密度均高于高度近视组(P<0.05)。视盘鼻侧(N)象限中正视眼和低度近视组与中度近视组血管密度均高于高度近视组(P<0.05),而在其他象限中差异无统计学意义(P>0.05)。视盘周围血管密度与RNFL厚度分别在4个象限均呈正相关(r=0.544、0.449、0.518、0.536,均P<0.001)。视盘内血管密度与眼轴呈正相关(r=0.463,P<0.001);视盘周围血管密度与眼轴呈负相关(r=-0.281,P=0.008)。结论:在中青年近视患者中,随着眼轴增加,高度近视患者视盘内血管密度增加,而视盘周围血管密度降低,且鼻侧下降明显。

光学相干断层扫描仪检测视网膜神经纤维层厚度在慢性原发性闭角型青光眼早期诊断中应用

慢性原发性闭角型青光眼(CPACG)属于临床中常见的进展性青光眼类型,发病较为隐匿,早期症状不典型,当患者到院就医时病情往往较为严重,可能存在进行性的视功能损伤,延误了最佳治疗时机[1]。因此,早期诊断、早期治疗在CPACG患者中显得尤为重要。目前,诸多学者研究认为,视网膜神经纤维层(RNFL)在视盘生理凹陷扩大、视野缺损可检测之前即发生了改变,因此,密切监测RNFL有助于早期诊断青光眼工作进行[2]。光学相干断层扫描血管成像(optical coherence tomography angiography,Angio-OCT)作为一种近几年在眼科中新兴起来的断层成像技术,能够对患者视网膜的横断面图像实时显示,具有操作便捷、灵敏度高、分辨率高、可重复性等特点,在诊断眼科神经损害工作中取得了不小的应用价值[3]。本文以2019年1月至2020年4月60例研究对象,主要研究OCT检测RNFL厚度在CPACG早期诊断中的应用效果,报告如下。

光学相干断层扫描仪临床检查读图

光学相干断层成像（optical coherence tomography，OCT）可对视网膜进行断层扫描，工作原理类似B超，不同的是OCT是采用的850nm波长的激光扫描，而B超采用的是声频扫描。OCT具有高辨率、非接触、非侵入、横断面成像等优点，能形成黄斑、视乳头旁视神经纤维层和视乳头横断面的高精度结构图像，可以清晰了解活体眼部组织不同层次的病理性改变，为临床诊断提供非常有价值的信息，特别在黄斑病变诊断、青光眼视网膜神经纤维层厚度测量、视乳头立体结构分析及其他视网膜疾病诊断等方面有较高价值，

光学相干断层扫描技术在原发性开角型青光眼早期诊断中的应用

目的:探讨利用光学相干断层扫描技术(optical coherence tomography,OCT)测量视乳头旁视网膜神经纤维层(retinal nerve fiber layer,RNFL)厚度、视盘形态和黄斑区视网膜厚度在原发性开角型青光眼(primary open angle glaucoma,POAG)早期诊断中的应用价值。方法:选取2016-01/2017-06本院收治的POAG患者65例85眼作为研究组,随机选取同期在本院进行身体检查的健康者52例78眼作为对照组,采用OCT测量视乳头旁RNFL厚度、黄斑区视网膜厚度和视盘参数包括杯/盘比(C/D)、视杯面积(cup area,CA)、视杯容积(cup volume,CV)、视盘面积(disc area,DA)、盘沿面积(rim area,RA)和盘沿容积(rim volume,RV),并对检测结果进行比较分析。结果:研究组视乳头旁RNFL厚度在上方、下方、颞侧、鼻侧和均值均明显小于对照组,差异有统计学意义(P<0.001);研究组CA、CV、C/D明显高于正常对照组,差异有统计学意义(P<0.001),而DA、RV明显小于正常对照组,差异有统计学意义(P<0.001),DA则略小于正常对照组,差异无统计学意义(P>0.05)。研究组黄斑区视网膜厚度在上方、下方、颞侧、鼻侧均明显小于对照组,差异有统计学意义(P<0.001)。结论:OCT能够定量客观检测RNFL厚度、黄斑区视网膜厚度和视盘参数,这有助于POAG的早期诊断。