薛平教授研究组研制成功一款用于压缩感知光学相干层析成像的“稀疏采样”智能CCD相机

 

光学相干层析成像(OCT)是一种很有前途的医学和生物学成像技术,它可以获得高分辨率、横断面的生物组织图像。近十年来,OCT成像速度不断提高,目前OCT可以实时获取三维图像,成像速度可达10MHz的线扫描速率。OCT系统成像速率如此之高,需要采集大量的数据,给数据传输、存储和处理都带来挑战。

压缩感知技术是解决这一问题的有力方法。该方法利用信号的稀疏性,只需少量随机欠采样测量,就能重建出准确的信号,从而有效地减少了采集、传输和存储的数据量。压缩感知OCT的研究大多采用传统的光谱域OCT系统。利用CCD相机采集光谱数据,然后通过软件进行欠采样。虽然这样可以证明CS算法的可行性,但是采集到的数据并没有真正的减少,甚至大部分数据在采集后都被浪费掉了。因此,为了在压缩感知OCT中真正减少采集数据,实现更快的线扫描速度,急需一种像素随机排列、可对光谱进行“稀疏采样”的CCD相机。然而,这种相机因研制非常复杂和昂贵,目前为止还没有商业化。

清华大学的薛平教授、廖文超博士及其同事在解决这一问题上取得了重要进展。他们发明了一种新的方法,研制成功适用于CS-OCT系统的稀疏采样CCD相机。通过在光谱域OCT系统CCD摄像机前的光路中加入特殊设计的掩模,实现了稀疏采样。用目前的纳米技术可以很容易地制造这种高性价比的掩模。通过一个4f成像系统,掩模被非常精准地成像在CCD像素的平面上,因而可以随机遮挡每个像素的左半部分或右半部分,实现随机欠采样。同时也达到了相当于像素加倍的CCD分辨率。该研究极大地减少了采集光谱数据,数据无浪费,同时由于采集数据较少,扫描速率也提高了。进一步,压缩感知技术还明显提高了OCT系统的信噪比和成像深度。



这种新型的稀疏采样相机制作技术将对压缩感知的相关研究和应用具有重要意义。

上述研究工作“Compressed sensing spectral domain optical coherence tomography with hardware sparse-sampled camera”于2019年6月发表在美国光学学会期刊Optics Letters上。该领域著名的Optical Coherence Tomography News (www.octnews.org)随即将该工作列为feature of the week,进行为期一周的重点介绍,认为这是本领域的重要进展(http://www.octnews.org/articles/8931584/feature-of-the-week-07-22-2019-tsinghua-university/)。

薛平教授研究组2012年关于胚胎细胞成像的研究、2013年关于新型超声内窥镜探头的研究、2014年关于高速线性扫频激光器的研究以及2016年关于通过光计算的高速OCT成像,也曾作为feature of the week进行了重点特色介绍。

本工作得到国家基金委、科技部和清华大学科研计划资助。

原文链接:https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-44-12-2955