復(fù)譜頻域OCT快速成像的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)作為一種全新的光學(xué)斷層成像技術(shù),以其無輻射、非侵入、高分辨率及高探測靈敏度等特點(diǎn),在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?為了使OCT成為一種快速、實(shí)用的醫(yī)療診斷系統(tǒng),本課題從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面對OCT系統(tǒng)在快速成像上的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究.在理論方面,本課題提出了基于共焦模式的OCT蒙特卡羅仿真模型,并將具有實(shí)際光束大小的高斯光束應(yīng)用于OCT系統(tǒng)的蒙特卡羅

2、仿真.OCT系統(tǒng)普遍采用共焦掃描方式,入射光束是聚焦的錐形光束.但是,傳統(tǒng)的OCT蒙特卡羅仿真模型,采用理想的無限窄細(xì)直光束代替聚焦的錐形光束,從而使仿真結(jié)果不能真實(shí)反映光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn).基于共焦模式的OCT蒙特卡羅仿真模型彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型的缺陷,引入了共焦顯微鏡結(jié)構(gòu)和聚焦高斯光束的定義,改善了背向散射光子的分類機(jī)制. 在實(shí)踐方面,本課題以復(fù)譜頻域OCT為主要的實(shí)驗(yàn)方案.由于傳統(tǒng)時(shí)域點(diǎn)掃描OCT必須通過逐點(diǎn)采集干涉信號來獲得層析圖

3、像,非常耗時(shí),是制約成像速度的主要因素之一.采用頻域技術(shù)的OCT系統(tǒng),深度掃描信息由背向散射光譜的傅里葉逆變換獲得,簡化了軸向掃描過程,從而使快速OCT成像成為可能.為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜生物組織的OCT快速成像,消除譜頻域OCT的"混疊"現(xiàn)象、重建樣品的真實(shí)層析結(jié)構(gòu),本文引入了相移干涉技術(shù),構(gòu)建了一套滿量程復(fù)譜頻域OCT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了特殊的分束鏡和移相器,為最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜生物組織的OCT快速成像提供了條件. 工作中的主要?jiǎng)?chuàng)新之處

4、: 1.首次提出了基于共焦模式的OCT蒙特卡羅模型,將具有實(shí)際光束大小的高斯光束應(yīng)用于OCT系統(tǒng)的蒙特卡羅仿真.本文利用該模型研究了共焦系統(tǒng)的數(shù)值孔徑對OCT系統(tǒng)成像深度的影響,估計(jì)了滿足OCT相干條件的背向散射光的漫反射率.開發(fā)了一套基于共焦模式的蒙特卡羅仿真軟件,可以適用于多種具備共焦掃描結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)的仿真. 2.首次提出了采用特殊鍍膜分束器的干涉儀結(jié)構(gòu).分束器在中心直徑1mm的圓內(nèi)具有比較高的透射率,而在該圓的周

5、圍鍍上全反射金屬膜,背向散射光由分束器的全反射區(qū)域反射.使用這種結(jié)構(gòu)的分束器,一方面它提高了樣品的入射光功率,并將背向散射光的損耗減少到最低程度,從而允許光電探測器縮短積分時(shí)問,加快成像速度；另一方面它大幅度減小了參考光與信號光之間的能量差距,提高了干涉對比度. 3.首次利用音圈驅(qū)動(dòng)的相移器進(jìn)行頻域OCT的譜干涉圖相位提取.通過對相移器的精確標(biāo)定,證明相移器可以實(shí)現(xiàn)納米量級的線性微位移,步長為π/2的相移誤差不超過2﹪,符合相移

6、干涉術(shù)的要求.此外,它還具有成本低、控制簡單、響應(yīng)速度比較快等特點(diǎn).頻域OCT與相移干涉術(shù)相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)全量程測量,充分利用了探測器的成像空間以及系統(tǒng)的帶寬. 4.首次提出了多線程同步執(zhí)行、循環(huán)利用緩沖區(qū)模式的OCT圖像重建過程. 在OCT圖像重建過程中,使硬件采集過程與數(shù)據(jù)處理過程以雙線程的方式同步進(jìn)行,在內(nèi)存上劃分出兩個(gè)同樣大小的緩沖區(qū).硬件采集線程向其中一個(gè)緩沖區(qū)存儲數(shù)據(jù)的過程中,數(shù)據(jù)處理線程對另一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)