摘要：光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography, OCT)自30年前首次提出以来，已发展成为基于低相干干涉测量的一大类三维成像技术。OCT的成功很大程度上归功于其相干检测机制，使其能够实现接近散粒噪声极限的成像性能，并以高速度对散射

光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography, OCT)自30年前首次提出以来，已发展成为基于低相干干涉测量的一大类三维成像技术。OCT的成功很大程度上归功于其相干检测机制，使其能够实现接近散粒噪声极限的成像性能，并以高速度对散射组织进行毫米级深度穿透的三维体成像，且无需光学透明处理。

然而，这种检测机制也是OCT最显著缺陷的根源：横向分辨率与景深(Depth of Focus, DOF)的权衡导致横向分辨率较低，以及相干散斑噪声的强度可能与目标信号相当。后者部分源于OCT在三维k空间的带通传递函数特性。现有的景深扩展方法(如光束整形)因反向耦合效率低而面临信噪比(SNR)损失的问题。此外，数字重聚焦技术在远离标称焦点的区域也会损失SNR，且作为相干合成技术需要相位稳定的测量。另一方面，以往的角复合散斑抑制方法仅覆盖有限的角范围，限制了其效果。而波前调制方法可能降低分辨率和SNR。这些长期存在的局限性使得OCT的对比度机制在可解释性和有效性上逊色于非相干显微技术。

作者团队提出了一种新型计算三维显微技术——三维光学相干折射层析成像(3D Optical Coherence Refraction Tomography, OCRT)。该技术通过多角度非相干k空间合成重建算法扩展了OCT的功能，既保留了OCT的相干检测灵敏度优势，又实现了类似于非相干显微技术的无散斑对比度机制，并在扩展的三维视场(FOV)中将横向分辨率提升数倍。

尽管OCT是一种以带通相干传递函数(Coherent Transfer Function, CTF)为特征的三维相干成像技术，但OCRT与二维和三维相干合成孔径技术的区别在于：其通过非相干方式（即丢弃相位，仅利用强度信息）融合多角度OCT体数据（图1(f)）。根据维纳-辛钦定理(Wiener-Khinchin theorem)，OCT图像的实空间强度平方对应k空间的自相关。因此，OCT CTF带通窗口内的复指数项被解调至基频（即直流分量），使得OCRT无需其他相干合成孔径技术所依赖的相位稳定性要求。

这些解调后的ITF（即非相干传递函数，Incoherent Transfer Functions, ITF）在k空间原点重叠，当OCT分辨率呈现各向异性时，可组合形成扩展的ITF（图1(f)）。通常情况下，OCT的横向分辨率(>10 μm)远低于轴向分辨率。因此，横向分辨率随角度覆盖范围的增加而单调提升。在角度覆盖接近180°时，合成的ITF将呈现各向同性，分辨率由OCT轴向分辨率或横向分辨率中更优者决定。此外，由于散斑模式随角度分离而解相关，OCRT通过非相干角度复合显著降低了散斑噪声。

为实现分辨率提升，OCRT需在极宽角度范围内采集OCT体数据，且理想情况下无需旋转样本以增强通用性。为此，作者采用反射式凹抛物面镜替代传统的折射式凸透镜物镜。该设计通过共轭和反共轭扫描器，独立控制样本入射的二维横向位置和二维角度（方位角与倾角）（图1(a)-1(c)）。抛物面镜因离轴成像时的倾斜像差限制视场，常需样本平移，但作者通过离轴配置下视场与横向光斑尺寸的二次依赖关系，实现了与常规OCT系统一致的毫米级视场（横向分辨率~15 μm）。实验装置还包含一个水浸式光学穹顶，置于抛物面镜焦点处以容纳样本（图1(a)-1(b)），显著减少了因光束在平面折射率界面（如盖玻片）斜入射引起的球差。

通过平移角度扫描的准直光束覆盖抛物面镜半孔径以改变入射角度（图1(a)-1(b)），我们验证了该设计的可行性。等效效果可通过另一组振镜快速实现（图1(c)）。此系统可获取样本的五维光场数据集（3D空间+2D角度），覆盖约1.3×1.3×1.65 mm³的体视场，角度范围达y轴±75°、z轴±25°（图1(d)-1(e)）。图1(g)展示了果蝇样本五维数据集的z轴投影示例。

为验证3D OCRT的分辨率提升与散斑抑制能力，作者对一个聚二甲基硅氧烷(PDMS)微印样本进行成像，其由六边形排列的圆柱形微柱（直径5 μm、高度5 μm，边缘间距5 μm）组成（图2(a)）。实验所用OCT系统的轴向分辨率为2.1 μm，单视角横向分辨率为15.3 μm（x轴）和14.6 μm（y轴），各向异性比约为0.14，无法分辨5 μm的微柱（图2(d)）。此外，OCT图像因点扩散函数(PSF)覆盖多个微柱而产生干涉伪影（图2(b)），模拟倾斜条件下六边形阵列的OCT响应也验证了此类伪影（图2(c)）。

3D OCRT重建显著改善了微柱的分辨率并消除了干涉伪影（图2(e)）。功率谱密度分析进一步量化了分辨率提升（图2(f)-2(g)）：OCT的PSD中仅显示基频峰（对应10 μm间距，黑色圆圈），而OCRT则额外呈现第二谐波峰（对应5 μm特征，红色圆圈）。沿特定方向的1D平均截面图（图2(j)-2(k)）显示，OCRT的PSD中第二谐波峰清晰可见，而OCT无此信号。此外，OCRT的强度值分布范围比OCT窄约6.5倍（图2(h)-2(i)），表明散斑噪声显著降低。

理论预测与实验结果一致：基于±75°（x轴）和±25°（y轴）的角度覆盖，OCRT合成的横向分辨率分别为2.4 μm和6.6 μm，因此在x轴方向可分辨5 μm微柱，而y轴方向仍受限。图2(g)中靠近kx轴的红色峰（对应x方向5 μm特征）强度更高，印证了这一结论。

文中通过对斑马鱼幼虫、果蝇头部、小鼠食管及气管的成像分析，验证了3DOCRT相较于传统OCT的性能优势。在斑马鱼样本中（图3），OCT因散斑噪声与分辨率限制，无法清晰显示视网膜层（如神经纤维层、神经节细胞层）及视神经头细节，且眼部区域存在显著阴影伪影；而OCRT通过非相干角度复合与分辨率提升，不仅消除了伪影，还清晰解析了视网膜分层结构与视神经头形态（图3(e)-(j)），其折射率映射进一步揭示了晶状体区域的高折射特性（(n>1.5)，图3(m)-(o)），与已知生物学特征一致。在果蝇头部成像中（图4），OCT因相干伪影导致复眼小眼的六边形排列模糊、触角刚毛信号失真（图4(a)-(c)），而OCRT不仅恢复了复眼小眼的规则排布与刚毛细节（图4(d)-(f)），还首次在三维成像中揭示了唇瓣表面伪气管的微米级结构（图4(f)），凸显其在高散射生物组织中的解析能力。

对于小鼠食管（图5），OCT因横向分辨率不足（约15 μm）难以区分外肌层的纵向肌层(LML)与环状肌层(CML)（图5(c),(e),(g)），且深层信号被散斑噪声掩盖；OCRT则将横向分辨率提升至2.4 μm，清晰呈现了肌纤维走向差异（图5(j),(l)），同时完整显示了黏膜肌层、上皮及管腔结构（图5(n)），与H&E组织学切片高度吻合（图5(b））。在小鼠气管成像中（图6），OCRT克服了OCT的大颗粒散斑干扰（图6(c),(e),(g)），清晰解析了透明软骨环的陷窝结构（图6(d),(f),(h)）及外膜、黏膜下层的分层对比（图6(i)-(j)），验证了其在复杂生物组织中的穿透力与对比度优势。

综合来看，3D OCRT通过非相干k空间合成与宽角多视角采集，实现了横向分辨率（微米级）与散斑抑制能力的协同提升，不仅能够还原传统OCT丢失的亚组织层次（如视网膜层、肌层定向），还能揭示微腔结构(如软骨陷窝)等精细特征。此外，基于5D光场数据的方差分析可衍生取向敏感对比，进一步拓展了无标记成像的信息维度。这些结果表明，OCRT为生物医学研究提供了更强大的三维显微工具，尤其在活体组织深层结构解析与动态观测中具有重要应用潜力。

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来源：凯视迈精密测量