基于面形校正的实时高空间频域亚扩散光学成像原理与方法研究

Accurate quantification of tissue optical properties is the foundation of biomedical photonics for clinical diagnosis and treatment. High Spatial frequency domain sub-diffusive imaging (HSFDI) is one of emerging wide field non-contact technique to map tissue microstructure including matrix fragmentation and nuclear changes. The existing HSFDI technique is time-consuming and suffers from serious errors from surface roughness. We present a single snapshot synchronous demodulation method for high spatial frequency domain imaging, which can real-time get tissue surface profile and modulation transfer function simultaneously. We will also adopt calibration-based method to correct the measurement error of tissue optical parameters owing to tissue surface irregularities. The surface profile corrected spatial frequency domain optical imaging will enable accurate quantification of the tissue optical properties, and achieve noninvasive mapping of its physical microstructure and physiological properties in real time. This project has profound significance to bio-information acquisition and clinical precision diagnosis.

定量准确地描述生物组织光学特性参数是医学光子学应用于临床诊断与治疗的重要基础。高空间频域亚扩散光学成像技术因其具有非接触、宽视场与高分辨率特点，是一种最具潜力的大面积解析生物组织亚微米尺度包括基质细碎化程度和细胞核变化等微观结构的组织光学成像技术。针对该方法目前在临床诊断运用方面遇到的两大挑战：测量精度受面形误差干扰与实时成像问题。本项目将基于一种新型的单次同步解调法，实时获得组织表面的面形起伏变化以及光学传递函数，并研究利用系统实验标定法校正组织表面不规则度对光学特性参数的测量误差。通过本项目的研究，提高空间频域组织光学成像技术的速度和准确性，从而可以在更快、更精确的水平上实时无损研究组织的微观物理结构与生理特性，对于推动生物信息获取与临床精准诊断具有深远的意义。

本项目是在近年研究热门的空间频域成像方法上的关键技术创新，基于光场调制可控技术建立起实时校正生物组织表面面形误差的高空间频域组织光学成像（HSFDI）方法。首先研究了实时同步获取生物组织二维面形分布与光学传递函数的单次同步快照解调方法。通过数值仿真比较了单次同步快照解调方法与三相移标准法、傅里叶变换法、希尔伯特变换法的解调精度和抑制噪声性能，由光学仿体及复杂形貌体的面形测量结果证明了单次同步快照解调方法重构组织面形的有效性。继而利用系统标定法实现了组织光学参数的面形误差校正。通过均匀生物组织样品对成像系统分别进行高度与斜率的标定，开展了半球形仿体光学参数的面形校正，证明了面形校正实现组织光学特性精准测量的有效性。通过对小鼠皮下种植膀胱肿瘤及人体肾癌组织的HSFDI成像，显示了面形校正后的HSFDI能实现组织微观结构的准确定量成像。其研究成果适用于大面积组织表面光学特性的非入侵、无接触式定量成像，提高传统空间频域组织光学成像技术的速度和准确性，从而可以在更快、更精确的水平上无损研究组织的物理结构与生理特性，为重大疾病如癌症的临床准确诊断产生深远的影响。