论文题目: 复谱频域OCT快速成像的若干关键技术研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 生物医学工程
作者: 吴开杰
导师: 李刚
关键词: 光学相干层析成像,蒙特卡罗仿真,傅里叶衍射定理,复谱频域,相移干涉术,傅里叶变换,图像重建
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)作为一种全新的光学断层成像技术,以其无辐射、非侵入、高分辨率及高探测灵敏度等特点,在临床医学领域具有巨大的发展潜力。为了使OCT成为一种快速、实用的医疗诊断系统,本课题从理论和实践两个方面对OCT系统在快速成像上的若干关键技术进行了研究。在理论方面,本课题提出了基于共焦模式的OCT蒙特卡罗仿真模型,并将具有实际光束大小的高斯光束应用于OCT系统的蒙特卡罗仿真。OCT系统普遍采用共焦扫描方式,入射光束是聚焦的锥形光束。但是,传统的OCT蒙特卡罗仿真模型,采用理想的无限窄细直光束代替聚焦的锥形光束,从而使仿真结果不能真实反映光学系统的特点。基于共焦模式的OCT蒙特卡罗仿真模型弥补了传统模型的缺陷,引入了共焦显微镜结构和聚焦高斯光束的定义,改善了背向散射光子的分类机制。在实践方面,本课题以复谱频域OCT为主要的实验方案。由于传统时域点扫描OCT必须通过逐点采集干涉信号来获得层析图像,非常耗时,是制约成像速度的主要因素之一。采用频域技术的OCT系统,深度扫描信息由背向散射光谱的傅里叶逆变换获得,简化了轴向扫描过程,从而使快速OCT成像成为可能。为了实现复杂生物组织的OCT快速成像,消除谱频域OCT的“混叠”现象、重建样品的真实层析结构,本文引入了相移干涉技术,构建了一套满量程复谱频域OCT实验系统,并为系统设计了特殊的分束镜和移相器,为最终实现复杂生物组织的OCT快速成像提供了条件。工作中的主要创新之处:1.首次提出了基于共焦模式的OCT蒙特卡罗模型,将具有实际光束大小的高斯光束应用于OCT系统的蒙特卡罗仿真。本文利用该模型研究了共焦系统的数值孔径对OCT系统成像深度的影响,估计了满足OCT相干条件的背向散射光的漫反射率。开发了一套基于共焦模式的蒙特卡罗仿真软件,可以适用于多种具备共焦扫描结构的光学系统的仿真。2.首次提出了采用特殊镀膜分束器的干涉仪结构。分束器在中心直径1mm的圆内具有比较高的透射率,而在该圆的周围镀上全反射金属膜,背向散射光由分束器的全反射区域反射。使用这种结构的分束器,一方面它提高了样品的入射光功率,并将背向散射光的损耗减少到最低程度,从而允许光电探测器缩短积分时间,加快成像速度;另一方面它大幅度减小了参考光与信号光之间的能量差距,提高了干涉对比度。3.首次利用音圈驱动的相移器进行频域OCT的谱干涉图相位提取。通过对相移器的精确标定,证明相移器可以实现纳米量级的线性微位移,步长为π2的相移误差不超过2%,符合相移干涉术的要求。此外,它还具有成本低、控制简单、响应速度比较快等特点。频域OCT与相移干涉术相结合,可以实现全量程测量,充分利用了探测器的成像空间以及系统的带宽。4.首次提出了多线程同步执行、循环利用缓冲区模式的OCT图像重建过程。在OCT图像重建过程中,使硬件采集过程与数据处理过程以双线程的方式同步进行,在内存上划分出两个同样大小的缓冲区。硬件采集线程向其中一个缓冲区存储数据的过程中,数据处理线程对另一个缓冲区的数据进行快速处理,并交替循环下去。采用这种图像重建过程不但提高了内存的利用效率,而且加快了数据处理速度,为快速成像创造了条件。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 光学相干层析成像技术的发展
1.1.1 组织光学背景
1.1.2 光学相干层析成像技术的发展历史
1.1.3 光学相干层析成像技术的优点
1.2 OCT 在医学诊断领域的主要应用
1.3 国内外研究现状
1.3.1 理论研究
1.3.2 实验研究
1.4 本论文的研究意义及主要研究工作
第二章 基于共焦模式的OCT 蒙特卡罗仿真模型
2.1 蒙特卡罗理论基础
2.1.1 生物组织的光学特性参数
2.1.2 蒙特卡罗方法的基本思想
2.1.3 蒙特卡罗方法在组织光学中的应用
2.1.4 蒙特卡罗仿真过程
2.2 OCT 系统的蒙特卡罗仿真模型
2.2.1 OCT 系统的仿真模型
2.2.2 传统的OCT 蒙特卡罗仿真模型
2.3 基于共焦模式的OCT 蒙特卡罗仿真模型
2.3.1 共焦显微镜结构
2.3.2 聚焦高斯光束
2.3.3 背向散射光子的重新分类
2.3.4 仿真软件设计
2.4 研究多次散射对OCT 系统成像深度的影响
2.4.1 高斯光束在生物组织上的分布
2.4.2 共焦模式和非共焦模式之间的比较
2.4.3 数值孔径对探测深度的影响
2.4.4 极限探测深度的估计
2.5 满足OCT 相干条件的背向散射光漫反射率的估计
2.6 本章小结
第三章 频域OCT 实验系统的构建
3.1 频域OCT 的理论基础
3.1.1 傅里叶切片定理
3.1.2 一阶Born 近似的傅里叶衍射层析定理
3.1.3 空间积分的简化
3.1.4 傅里叶衍射层析定理在OCT 上的应用
3.2 频域OCT 的系统结构设计
3.2.1 干涉仪
3.2.2 分光光谱仪
3.2.3 有关提高样品背向反射光利用效率的考虑
3.3 系统测试软件设计
3.4 本章小结
第四章 复谱频域OCT 的图像重建
4.1 利用复谱频域OCT 提取物体的真实层析结构
4.1.1 复谱频域OCT
4.1.2 相移干涉术
4.1.3 快速相位提取算法
4.1.4 光学相移器的标定
4.2 复谱频域OCT 的图像重建
4.2.1 图像重建过程
4.2.2 图像重建的一些特殊考虑
4.3 实验数据显示与分析
4.3.1 测试样品及其谱干涉图
4.3.2 谱频域OCT 成像结果的分析
4.3.3 复谱频域OCT 成像结果的分析
4.3.4 其它成像结果的分析
4.4 本章小结
第五章 频域OCT 实验系统的性能分析
5.1 频域OCT 系统的成像深度分析
5.2 频域OCT 系统的探测灵敏度分析
5.3 频域OCT 系统的空间分辨率分析
5.4 频域OCT 系统的成像速度分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 论文完成的主要工作
6.2 工作中的主要创新点
6.3 下一步工作的展望与计划
参考文献
攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况
致谢
发布时间: 2007-07-10
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