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光学相干层析术理论与实验研究

作　者: 李鹏
导　师: 高万荣
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 医用光学光学相干层析信噪比皮肤成像散斑特性散射测量色散提取
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光学相干层析术(Optical Coherence Tomography, OCT)技术是一种全新的成像模式,它可以对生物组织等实现非侵入式、高分辨率、高灵敏度和实时的截面层析成像,因而有希望在生物医学研究及临床诊断方面实现“光学活检”的功能。本论文就OCT系统的设计、成像性能的拓展及其在生物医学领域的应用等方面开展了研究。首先,设计搭建了一套光纤型OCT成像实验系统,并结合该系统详细分析了OCT技术的成像分辨率、成像时间、探测灵敏度、成像深度等性能参数,同时给出了系统设计时需要注意的相关事项。实际测得该系统的纵向分辨率为16μm,系统灵敏度为-90dB。然后利用该系统对人体多个部位的皮肤进行了活体成像研究。从获得的图像可以清晰的分辨出角质层(掌趾部位)、表皮层、真皮上层等皮肤结构,从而验证了OCT用于表层皮肤形态结构研究的可行性。其次,提出了一种利用OCT纵向扫描信号的衰减特性提取生物组织的散射特性参数的方案,该方法是利用OCT模型对不同区域内的纵向扫描信号进行曲线拟合来实现的。在定态聚焦情况下,在对已知散射特性的组织模拟液进行OCT成像之后,对比分析了OCT单次散射模型和多次散射模型在描述不同散射强度样品的OCT信号方面的适用性。根据分析结果对OCT模型进行了修正。最后,利用上述方法获得了老鼠肝脏和人体皮肤各组织层的散射系数,实现了OCT技术的功能性扩展。再次,提出了利用随机相幅矢量和模型分析对数表示下OCT信号的散斑统计特性,并在不同的聚焦状态下对具有不同散射特性的组织模拟液进行了OCT成像的实验。实验结果与理论分析相吻合,采用对数的形式表示OCT信号以及采用较高数值孔径的显微物镜具有抑制散斑噪声的作用。另外,对数形式下的散斑特性与介质的散射特性之间存在一定的相关性,该相关性为提取生物组织的散射特性提供了一种新的途径。最后,提出了一种基于Fourier变换以及多项式拟合的方法从OCT信号中的色散项获得生物组织结构与功能的信息。该方法通过对OCT的干涉包络进行Fourier变换,再将得到的相位谱进行多项式拟合以实现色散信息的提取。数值模拟以及相关实验均证明了该方法的可行性。该研究结果不仅有助于实现动态的色散补偿,而且可以用来区分不同的生物组织,以及同一生物组织的不同生理状态等。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-22
  1.1 生物医学成像技术概述  11-13
  1.2 OCT技术  13-17
    1.2.1 OCT简介  13-14
    1.2.3 OCT技术与其它成像技术的比较  14-17
      1.2.3.1 X-CT  14
      1.2.3.2 磁共振成像  14
      1.2.3.3 超声成像  14-15
      1.2.3.4 光学显微镜  15
      1.2.3.5 共聚焦显微镜  15-17
    1.2.4 OCT技术的发展现状及其应用  17
  1.3 本论文的研究背景、主要工作和内容安排  17-21
  1.4 课题来源  21-22
2 OCT的工作原理及系统设计  22-48
  2.1 低相干干涉  22-24
  2.2 OCT工作原理  24-25
  2.3 系统参数  25-31
    2.3.1 成像分辨率  25-27
    2.3.2 成像时间  27
    2.3.3 探测灵敏度  27-30
    2.3.4 成像深度  30-31
  2.4 系统设计  31-45
    2.4.1 光源  31-33
    2.4.2 干涉仪  33-34
    2.4.3 准直与聚焦系统  34
    2.4.4 扫描系统  34-35
    2.4.5 光电探测器  35-37
    2.4.6 前置放大与带通滤波  37
    2.4.7 数据采集系统  37-40
    2.4.8 信号处理及图像显示  40-45
  2.5 OCT系统集成及性能测试  45-46
  2.6 本章小结  46-48
3 OCT在人体皮肤成像方面的应用探索  48-57
  3.1 人体皮肤组织的形态结构特征  48-50
    3.1.1 表皮  49
    3.1.2 真皮  49-50
  3.2 OCT与其它皮肤成像技术的比较  50-51
  3.3 人体皮肤组织的OCT成像研究  51-53
  3.4 分析与讨论  53-56
    3.4.1 OCT在皮肤炎症诊断方面的应用潜力  53
    3.4.2 OCT在大疱病诊断方面的应用潜力  53
    3.4.3 OCT在皮肤肿瘤诊断方面的应用潜力  53-54
    3.4.4 OCT在皮肤科其它方面的应用潜力  54-55
    3.4.5 皮肤科中OCT技术发展的展望  55-56
  3.5 本章小结  56-57
4 OCT在生物组织光学特性提取方面的研究  57-73
  4.1 生物组织的光学特性  57-61
    4.1.1 折射  57-58
    4.1.2 散射  58-60
    4.1.3 吸收  60-61
  4.2 OCT理论模型  61-64
    4.2.1 单次散射模型  62
    4.2.2 多次散射模型  62-64
  4.3 OCT模型适用性的研究  64-69
    4.3.1 实验材料与实验方法  65-68
    4.3.2 实验结果及讨论  68-69
  4.4 生物组织散射系数提取的实验研究  69-72
    4.4.1 生物组织散射系数提取的离体实验  69-70
    4.4.2 生物组织散射系数提取的在体实验  70-72
  4.5 本章小结  72-73
5 OCT散斑统计特性的研究  73-83
  5.1 线性表示下OCT信号的散斑一阶统计  73-75
  5.2 对数表示下OCT信号的散斑一阶统计  75-76
  5.3 OCT散斑特性的实验研究  76-80
    5.3.1 实验材料和实验方法  76-77
    5.3.2 实验结果及讨论  77-80
  5.4 利用OCT散斑特性提取散射系数的可行性研究  80-82
    5.4.1 OCT模拟实验的研究  80-81
    5.4.2 OCT生物组织离体实验的研究  81-82
  5.5 本章小结  82-83
6 OCT色散特性的前期研究  83-92
  6.1 群速度与相速度  83-84
  6.2 色散特性提取的理论基础  84-86
  6.3 数值模拟  86-89
  6.4 前期实验研究  89-91
  6.5 本章小结  91-92
7 全文总结  92-95
  7.1 本文所做工作  92-93
  7.2 本文的创新点  93-94
  7.3 进一步的提高  94-95
致谢  95-96
参考文献  96-112
附录  112

光学相干层析术理论与实验研究

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