-范文最新推荐- 频域光学相干层析术深度分辨率的理论与实验测量研究 摘要光学相干层析成像技术（Optical Coherence Tomography,OCT）是近些年快速发展的一种超高分辨率的实时生物组织成像技术。频域光学相干层析成像技术（FDOCT）作为OCT的一个重要分支，在快速成像方面取得了突破性进展，它的特点是无需纵向的扫描，信号灵敏度大幅度提高，动态范围大。本文首先阐述了OCT的发展历史以及其在各种领域的发展、应用、国内外研究现状及本课题主要研究内容和意义。其次介绍了OCT的实验装置，深入研究了频域OCT的原理，并分析了频域OCT技术的各种评价参数。第三部分深入探讨了如何从得到的强度信息获得深度信息，重点分析了频域OCT中利用鉴别率板测量系统的光学传输函数，并由此获得点扩散函数，从而确定其分辨率的方法。关键字 频域光学相干层析（FD-OCT），横向分辨率，纵向分辨率，鉴别率板,光学传递函数，点扩散函数7881毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleResearch On Axial resolution of FDOCT AbstractOptical Coherence Tomography (OCT) is imaging technique with high resolution， which has the capability of generating cross-sectional images of biological tissue in real time. Frequency Domain Optical Coherence Tomography (FDOCT) is an important development of OCT , which is characterized by its high imaging speed, high sensitivity and large dynamic measurement range.In this thesis, the development, the applications of OCT in various fields, and the important problems in the front areas of the OCT are reviewed in the first place. Secondly, the experimental system is described .The principles of the FDOCT as well as various parameters for evaluating the performance of FDOCT system are analyzed. Thirdly, the method of obtaining the depth information from intensity information is described .Finally, the method of determining the depth resolution of the FDOCT system with the test chart is described, in which the optical transfer function for various spatial frequencies are first measured and the point spread function is derived by performing the inverse Fourier transform. 1.2 应用(1)皮肤检查临床上能引起皮肤组织病变的皮肤病，如角质层角化过度、角化坏死、不全、真皮内空洞等均会引起皮肤组织微观结构的改变，Welzel用OCT探测鉴别恶性黑素瘤、手湿疹成像、螨下皮肤成像等。以往对于皮肤组织病理学变化的检查，往往要进行组织活检，缺点是可能会带来疼痛以及引发医源性感染。而光学相干层析技术(OCT)则不会对人体组织产生破坏、留毒等副作用，而且其仪器结构简单、费用低廉、分辨率高，这就为皮肤病诊断提供了新的研究手段。在皮肤病理研究领域光学相干层析技术非常有用，而表皮和真皮的连接点也在OCT图像中显示得很清晰。而在化妆理学和外科整形领域，非侵入性获得皮肤的层析重建图和皱纹图样、皮肤罩层结构显得非常重要。(2)眼科检查3因为眼睛晶状体等透明性，OCT的无侵入性、高分辨率使OCT最广泛应用于眼睛这个透明组织的成像。可以用于诊断青光眼、黄斑裂孔、视网膜病变、视网膜脱离等等需要测量视网膜状态变化的疾病，特别适用于上述疾病的早期诊断，并且不需要阿托品扩瞳。但是需要注意的是，眼睛这个光学系统本身就有着很强的色散、像差，所以需要对光学物镜准直系统特别处理。另外活体检测时入射到组织上的光功率有着严格的要求，参照美国国家激光安全使用标准使用适当的功率4。(3)肠胃道疾病的检查常见的胃肠管道探测极易造成医学感染，运用光学相干层析成像技术可以避免活体检测对人体的伤害，而且其高成像质量、分辨率可以使得医生更直观准确的了解组织的病理微观结构的变化。1.3 OCT的国内国际研究现状1.4 OCT的特点(1)无伤害性、非侵入性11 传统医学成像技术，如CT扫描、核磁共振扫描，都有很强的射线或者磁场，会对人体造成辐射损害；超声成像技术必须接触设备，易感染；荧光成像需要注入荧光物质，不利于人体健康。而光学相干层析成像技术使用的光源不同于X射线或丫射线，不会对生物体产生电离作用，光照射也不会对人体造成损害。安全性高，无需切除组织而直接在体进行接近组织病理水平的成像，又称“光活检”。克服了切除组织活检存在的风险及选择标本的盲目性。 第二部分，基于迈克尔逊干涉仪和低相干干涉对经典OCT的数学原理进行了阐述，并详细分析了频域的原理以及数学模型。并在此基础上，分析了频域OCT系统的原理、评价参数，如成像深度、分辨率等。第三部分，阐述了如何由信号得出深度信息，重点分析了频域OCT中利用鉴别率板测量光学传输函数，并由此获得分辨率的方法。2 原理2.1 OCT的理论基础光学相干层析术(OCT)是基于低相干反射仪和共焦显微原理提出的一项具有非侵入、无损伤的层析成像技术。它的核心部件是一个迈克尔逊干涉仪，并结合使用低相干长度的宽带光源作为输入端的输入，利用宽带光源的低相干特性，通过测量样品后向散射光的干涉信号对生物组织内部微观结构进行高分辨率成像。2.1 经典时域oct原理图2.1.1 迈克尔逊干涉首先分别给出空间迈克尔逊干涉仪和光纤迈克尔逊干涉仪的基本结构图，如下所示：图2.2空间迈克尔逊干涉仪结构原理图图2.3光纤迈克尔逊干涉仪结构原理图来自光源的入射光经过迈克尔逊干涉仪被分为两条光路(分振幅)，分别为参考臂光路和样品臂光路。参考光路的光经过反射镜反射之后和来自样品臂的后向散射光发生相干干涉，在探测臂由探测器获得相干信号。我们设参考臂反射镜和样品臂样品到干涉仪的距离分别为 和 。当光源是单色光时，两臂反射回的单色平面波波动方程可以写为：其中 ，n是光传播介质的折射率， ，系数2代表光在干涉仪中传播的距离。在时域OCT中，发生相干干涉时，光电探测器输出时间积分的电流响应，我们称为干涉信号。其数学表达式为：(2.3) (2.6) 这里，S(ω)代表光源在角频域的光谱密度， 表示傅里叶变换。因此，如果光源的光谱密度是无限宽的话，那么就意味着对于任何非零时间延迟或者非零光程差都不会有光源和自身的相关，那也就是说非相干光光源的相干长度是零。对于一个非相干光光源来说，我们不可能通过对于涉条纹的观察来发现干涉信号中的波动，并且探测到的光强是每个臂分得的光强的算术平均值。在实际情况中，任何相干和非相干光都是不存在的。所有的光源都是具有一定宽度的光源光谱，其相干度用相干长度来进行描述。对于部分相干的光源来说它的相干长度既不是零也不是无穷大。只是有一些光源在较大光程差的情况下仍然可以产生相干干涉，而另外一些光源只能在较短的时间延迟内发生干涉。低相干光源就是一个典型的部分相干光源，它具有较短的相干长度，也就是说只有在参考臂和样品臂两臂较短的光程差以内迈克尔逊干涉仪才能有干涉信号。下图分别给出了具有较长和较短相干长度的光源的干涉情况。光源的相干长度和它的光源光谱密度有关。从(26)式可知具有有限光谱宽度的光源的干涉信号不再可以用式(25)表示。根据Wiener-Khintchine原理，可以推导出干涉信号和光源的光谱宽度(PSD)之间的表达式关系：(2.7)这里，I是光强，积分号里的表达式代表傅里叶变换，S(ω)是光源的光谱密度。从上式可以看到交流项与光源光谱密度有关。而由傅立叶变换定理可知如果一个函数在某一域是宽带的，那么它的傅立叶变换在其变换域将是窄带的。因此可以推知，低相干长度的光源在其傅里叶变换域将有一个宽带带宽。 频域OCT基于光谱干涉的原理执行样品臂的横向扫描，测量干涉信号的光谱，并对背向散射光谱的进行逆傅里叶变换获得样品的深度扫描信息。频域原则避免深度范围参考臂的扫描，因此，费时的、机械的OCT深度扫描就被光谱测量所代替了，这使快速成像成为可能。这些OCT传感器通过计算干涉频谱获得深度信息。频谱的傅里叶变换提供深度信息，对于这种类型的传感器，有几种方法。另一方面宽带宽光源被用于干涉仪的照明，干涉仪的输出已被很好的解决，整个光谱被一个光电二极管阵列探测到。这个具体的设施可被应用于（透明）眼的测量，也可用于强散射皮肤的测量。进一步修改，光谱可由可调谐激光器产生，再由一个单独的光电二极管探测到。 频域光学相干层析术深度分辨率的理论与实验测量研究(5): 11 / 11