面向肿瘤穿刺智能光学活检的超宽幅高分辨率微光学相干层析成像基础研究

Cancer is one of the most deadly diseases to humans, while accurate and convenient tumor needle biopsy can provide important value for cancer diagnosis. Optical coherence tomography (OCT) plays a critical role in modern medical research and clinical practice for its high-resolution, non-destructive and three-dimensional "optical biopsy" feature. However, due to the trade-off between achievable spatial resolutions and transverse scanning range, existing OCT cannot perform cellular-level high-resolution imaging with centimeter-level scanning range simultaneously and also has sample-induced aberrations when imaging tumor and other turbid tissues, which seriously restrict OCT’s application in tumor needle biopsy. To alleviate such a problem, we propose to investigate ultra-wide-field high-resolution micro-optical coherence tomography (μOCT) and achieve intelligent tumor needle optical biopsy based on the proposed μOCT using regional convolutional neural network (RCNN) and so on..This project will not only help obtain ultra-wide-field high-resolution 3D volumetric imaging and bring great convenience for cancer research and clinical diagnosis, but also can be transplanted to existing OCT systems for function extensions, and thus of great potentials to research applications.

癌症是人类最为致命性疾病之一，精准而便捷的肿瘤穿刺活检对癌症诊断具有重要意义。光学相干层析成像（OCT）以其无损、高分辨率三维“光学活检”特性而在现代医学研究和临床诊断中起着重要作用。然而，受制于光学显微成像空间分辨率与横向扫描面积间的固有约束关系，现有OCT难以实现超宽幅高分辨率成像，且对肿瘤等浑浊组织高分辨成像存在样本引入像差等问题，严重制约其在肿瘤穿刺活检中使用。针对该难题，本项目提出一种实现超宽幅高分辨率微光学相干层析成像（μOCT）新方法，并在此基础上研究基于区域卷积神经网络深度学习模型的肿瘤组织精准识别、区域分割的算法，为实现基于μOCT的肿瘤穿刺智能光学活检奠定基础。. 本项目不仅可提供超宽幅高分辨率三维成像，为肿瘤穿刺活检等医学研究和临床诊断带来极大便利，还可移植于现有OCT中，实现其功能拓展，因此具有重要的研究意义。

光学相干层析（OCT）成像在肿瘤穿刺光学活检等领域有着重要应用前景，本项目在国家自然科学基金青年项目的资助下，面向肿瘤穿刺光学活检的需求，研究了超宽幅高分辨率OCT成像。项目解决了面向肿瘤穿刺光学活检的超宽幅高分辨OCT成像所涉及到的固有相干噪声去除、色散失配探测及矫正等关键科学问题，取得了创新性的研究结果。项目提出了基于散斑调制物理原理和深度学习技术相融合的高分辨率OCT无噪成像新技术，显著提升OCT成像性能；提出了具有强鲁棒性、结构无依赖的高分辨 OCT成像色散评估新指标和探测补偿新技术，解决了超宽幅高分辨率 OCT 成像色散精准探测及补偿的难题。在此基础上，项目实现了最大50 mm × 50 mm成像面积、优于1.5 µm光学分辨率的超宽幅高分辨率OCT成像，为后续在宫颈肿瘤光学活检方向取得突破奠定了基础。. 此外，项目在其他医工结合领域也取得了一些研究成果：将OCT成像引入到人体胎盘绒毛三维形态发育及产科并发症作用机制研究中，为产科并发症对胎盘绒毛发育影响及相关疾病研究和治疗提供了新手段；提出了基于几何相衬原理的高分辨率OCT成像新技术，实现了原位对人体皮肤三维结构及胶原蛋白老化的成像分析，为人体皮肤老化研究提供了新手段。. 目前，在项目的资助下，申请人已以第一作者/通信作者身份（唯一）在Bioengineering & Translational Medicine、Optics Express、IEEE Journal of Biomedical and Health Information等国际权威SCI期刊发表高水平研究论文8篇（其中中科院二区及以上6篇，三区2篇），申请发明专利3项；相关系列研究成果被研究领域学术媒体OCT NEWS多次报道，并被SPIE/ AIMBE Fellow、美国伊利诺伊大学Xincheng Yao教授等知名学者正面引述。