本文的主要作者包括 Simon Lotz、Madita Göb、Sven Böttger、Linh Ha-Wissel、Jennifer Hundt、Floris Ernst 和 Robert Huber，文章发表于《Biomedical Optics Express》期刊第15卷第6期，发布日期为2024年6月1日。涉及的研究机构包括德国吕贝克大学生物医学光学研究所、机器人与认知系统研究所、吕贝克大学皮肤病实验研究所、德国医学激光中心以及德国 QTEC Services GmbH 公司。
光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）是一种基于干涉原理的高分辨率成像技术，已在眼科、心脏病学、皮肤病学、内窥镜等医学领域，以及非破坏性工业检测和过程监测领域得到了广泛应用。然而，传统的OCT技术在成像范围上受限，通常只能覆盖小于10×10 mm²的小区域，这限制了其在大面积成像应用中的效率。
特别是在皮肤病学中，许多炎症性皮肤病（如银屑病和特应性皮炎）会影响较大的皮肤区域，而在工业检测如风力涡轮叶片、海洋涂层、大型工业部件等应用中，需要对非生物样品的大规模区域进行缺陷检测。因此，开发更高效的大面积成像方法以满足上述需求显得尤为重要。
本文的研究目标是开发一种基于机器人技术的新型大面积OCT系统（称为LARA-OCT），以突破传统OCT设备在成像范围、速度和非规则表面适应性上的限制。
研究小组设计了一个融合7自由度机器人手臂与3.3 MHz扫频OCT系统的LARA-OCT平台。该系统包括： - 机器人系统：使用KUKA LBR iiwa 14 R820机器人手臂，具备高灵敏度的扭矩传感器和多重安全机制，用于在开放实验室或临床环境下操作。 - 光学系统：基于Fourier域模式锁定（FDML）激光器的自研3.3 MHz OCT系统，具有较大的扫描带宽和高重复频率。 - 探头与成像控制：自制的OCT探头配备振镜扫描器，结合实时“探头-表面”对齐控制算法，实现探头与目标样本表面始终垂直的精准对齐操作。
研究团队设计了两种成像模式： - 拼接模式（Mosaicking Mode）：通过在样品表面分多个叠加区域逐步扫描，完成较大面积的成像。机器人控制探头以螺旋或其他预设扫描模式移动，并在每次扫描后进行数据存储与下一位置的对齐。 - 长扫描模式（Long Scan Mode）：同时使用机器人和振镜的运动完成单次大范围扫描，在成像速度上明显优于拼接模式，但存储与后处理复杂。
数据采集基于定制LabVIEW软件与机器人控制程序。采集后，原始数据通过微软Image Composite Editor（ICE）或其他拼接算法进行图像拼接与注册。此外，探头对样本表面的调整使用实时B-扫描边缘检测得到表面位置和方向，配合比例增益控制器实现对齐。
研究使用直径20.5厘米的球形3D打印模型测试拼接模式下的影像性能。扫描过程中，机器人在表面正交对齐的状态下完成外向螺旋轨迹扫描，并顺序存储36个单次OCT体数据块（每块覆盖13×13×4 mm³），最终拼合大面积成像结果为52×52×4 mm³。整个过程耗时约13分30秒，扫描速度为0.03 cm²/s，得到约322 GB的原始数据。
以人手为实验对象，测试了长扫描模式在速度与栅格质量上的优化效果。6次纵向转换扫描以33%区域重叠方式覆盖140×170×20 mm³的整体区域，成像速度提升至1.54 cm²/s，总扫描与存储时间约为155秒，数据量约74 GB。该模式显著提升了成像效率，但仍需解决存储延迟与分辨率退化问题。
通过六自由度Hexapod平台精确验证探头对齐控制能力，实验显示三向比例控制器（轴向位置及两方向角度）在动态样本上可快速收敛至设定参数范围内（<1.5秒），但若样本表面有较大曲率或运动误差时可能引入控制耦合问题。
研究通过设计LARA-OCT系统，成功解决了传统OCT在大面积成像上的诸多技术难题： 1. 科学意义：OCT系统自主对齐与大范围高效成像展示出在皮肤病学与工业应用领域的广泛潜力。 2. 应用价值：从点状扫描扩展至整副人体前臂或整个关节等复杂几何表面，可显著提高病理诊断信息的全面性与准确性。 3. 技术进步：3.3 MHz超快光源与机器人集成算法的结合，使大面积快速复原扫描技术成为可能。 4. 高效性：理论上LARA-OCT可在4分钟扫描整个人体表面，为未来临床落地提供高效方案。
研究团队计划在后续工作中优化数据传输与实时成像速度，结合动态体积成像技术，提升医学与工业场景下的实用性与鲁棒性。这一成果不仅推动了OCT技术的发展，也为未来机器人辅助的智能医疗提供了新的方向。