哈佛Capasso团队利用超表面技术提高层析成像质量

针对层析成像的成像模式，哈佛超表面团队先驱Federico Capasso的一个项目提供了一种提高成像高分辨率的方法。

作为一个常见的例子，光学相干层析成像(OCT)在轴向分辨率方面取得了巨大的发展，但在横向分辨率和聚焦深度方面仍然面临挑战，尤其是在更大的成像深度上。将光聚焦到单个深度点会抑制系统的深度成像能力，而将光沿轴向分布以改善这一点，但是会带来衍射问题并影响横向分辨率。

该团队开发了一种称为双射照明采集成像（BICI）的概念，旨在在相对较大的深度范围内实现三维高分辨率成像，有效地避免衍射带来的限制。

正如Nature Photonics所报道的，该团队最初设计了一种OCT成像解决方案，同样的原理也可以作为其他成像模式的一部分。

在BICI中，照明和收集路径采用两个超表面结构进行分隔，该结构由纳米级亚波长间隔光学元件阵列组成，如下图所示。一组专门设计的表面结构，可以在照明和收集路径的焦点之间产生一对一的对应关系，或“双射”关系，从而有效地消除失焦信号。

照明和收集超表面的宽视场光学图像，每个直径为1.1 mm。制作的超表面的扫描电子显微照片，该超表面由方形非晶硅纳米柱组成。

该项目团队指出，现有的高分辨率系统通常采用紧密聚焦的光来增加来自焦点的信号以减少失焦信号的影响，但BICI完全拒绝失焦信号，因为这两条光路之间产生了直接相关性，并且不影响深度范围。

“与最先进的成像技术相比，BICI可以将高分辨率成像的范围扩大12倍以上，”加拿大皇后大学项目合作伙伴的Majid Pahlevani说。“与传统的成像技术不同，在BICI中，照亮目标的光和从目标收集的光通过纳米结构沿深度分布，使得在大深度上保持高分辨率成像成为可能。”

将BICI嵌入到傅里叶域近红外OCT系统，在离体条件下拍摄猪肺气道的组织结构图像。研究结果显示，“横向分辨率为3.2 μm，在1.25 mm的成像深度上几乎保持不变，与使用具有相同横向分辨率的理想高斯光束获得的聚焦深度相比，成像深度大约大12倍。”。

a-h猪气管支气管组织标本成像。a、c、e使用具有共同照明和采集路径的平凸透镜，b、d、f和h采用BICI技术。BICI能够提供更详细的形态学信息，更接近组织学图像中确定的结构。

Majid Pahlevani说，BICI在实际应用中的一个关键优势应该是它不会带来任何新的计算挑战，这对活体动物成像是一个重要因素。“计算密集型技术导致成像速度慢，这不适合活体成像，活体患者的器官不是静止和移动的，这会在成像中产生伪影。因此，活体成像需要快速技术，” Pahlevani评论道。在OCT上证明了其价值后，BICI增强也应适用于其他模式，可能有助于癌细胞成像和相关细胞间机制的实时癌症诊断。

“尽管在这项工作中BICI应用于OCT，但基本概念是通用的，可能适用于各种成像模式，如共焦显微镜和双光子显微镜。”