基于蒙特卡羅的OCT系統(tǒng)仿真.pdf

1、OCT作為光學(xué)相干層析成像技術(shù)在生物組織中的典型應(yīng)用，自上世紀(jì)90年代發(fā)展至今，已成功運(yùn)用于眼科的臨床檢查，并在皮膚診斷、牙科診斷、血管檢測等領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。相比于傳統(tǒng)成像方式，OCT的最大優(yōu)勢是可以在無創(chuàng)方式下達(dá)到很高的成像分辨率。雖然OCT應(yīng)用前景廣闊，但其在皮膚等高散射組織中的診斷成像尚未得到臨床普及，OCT在高散射組織中成像的主要問題是成像深度太淺，這與外差探測特性和光的傳播特性有關(guān)。為給OCT在高散射組織中的成像改善提

2、供理論指導(dǎo)，本文提出了一個(gè)基于蒙特卡羅的OCT仿真模型，并主要以皮膚模型為探測對(duì)象，研究了OCT在高散射組織中的成像性能。
　　該仿真模型主要由聚焦高斯光束模型、模擬光在高散射組織中傳播的蒙特卡羅模型以及探頭模型三大部分組成，其中聚焦高斯模型部分介紹了圓錐和雙曲面兩種常見的高斯光模型，對(duì)比了兩種模型的優(yōu)劣、并從高斯特性、焦點(diǎn)光斑擴(kuò)散和焦點(diǎn)深度偏移的角度對(duì)雙曲面模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。在蒙特卡羅模型部分，通過模擬大量光子在組織中的隨

3、機(jī)散射、吸收、反射和透射事件來反映光傳播的一般規(guī)律。在蒙特卡羅模型中，本文結(jié)合皮膚的瑞利散射和Mie散射特性，提出了適用于皮膚的相散函數(shù)，據(jù)此隨機(jī)采樣光子的散射角，利用光程概率密度分布隨機(jī)采樣光子的散射步長，并結(jié)合Fresnel法則確定光子在組織內(nèi)邊界的反射和透射過程。在探頭模型部分，結(jié)合OCT的共焦掃描系統(tǒng)特性，本文建立了相應(yīng)的光收集機(jī)制，并提出了新的類型Ⅰ和類型Ⅱ光子分類規(guī)則。
　　為提升蒙特卡羅模型仿真效率，本文結(jié)合已有的兩

4、種重要性采樣技術(shù)，使得結(jié)合后的重要性采樣技術(shù)適用于多層高散射皮膚模型，從而加快蒙特卡羅模型收斂速度。在此仿真模型基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合OCT的Extended Huygens-Fresnel解析模型，本文對(duì)皮膚和牙齒的光學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行了擬合，利用擬合的參數(shù)構(gòu)建組織光學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)兩者的OCT圖像進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真圖像進(jìn)行了衰減補(bǔ)償，分析了類型Ⅰ和類型Ⅱ光子在OCT成像中的作用。除此之外，本文還利用仿真模型對(duì)單次散射和多次散射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，