全光纤口腔OCT方法研究与系统研制

论文摘要

基于光学相干层析(OCT)技术,研制了口腔龋齿检测系统。主要研究了利用OCT方法检测由于牙齿内部脱矿导致的牙齿光学特性参数的变化规律,并以此来对龋齿、特别是早期龋齿进行诊断和控制。此方法对于龋齿的早期诊断、治疗和预防具有重要的作用。本论文主要从理论研究、仪器化设计、系统实验和应用研究等几个方面对口腔OCT检测系统进行了深入的研究:分析了全光纤OCT系统的基本原理;对牙齿组织的光学传输特性进行了模拟;设计并研制了全光纤偏振不敏感OCT系统,获得了人离体牙齿的一维、二维、三维OCT图像。设计并建立了全光纤偏振OCT实验系统,初步获得了人离体牙齿的偏振OCT图像;基于OCT系统平台,开展了龋齿早期诊断方法的研究,并进行了应用性实验研究,开展了人离体牙齿折射率测量、人工龋体外建模、龋齿及牙齿修复体OCT成像等实验。工作中的主要创新点:1.研制了全光纤偏振不敏感OCT系统。获得了人的正常离体牙齿、龋损离体牙齿以及常用口腔修复体的一维、二维OCT图像。利用基于规则体数据的三维表面模型构建算法进行了三维建模,并且获得了人离体牙齿的表面三维OCT图像。2.将OCT技术应用于早期龋齿检测,初步探究了利用OCT方法检测龋齿及早期龋齿的方法,采用OCT对人离体牙齿开展了人工龋体外建模的实验性研究。结合OCT的方法测量了人离体牙釉质、牙本质和牙骨质的折射率,并且得到了离体牙齿沿扫描方向的折射率分布。3.对牙齿的双折射特性进行了分析和建模,分析了全光纤系统中光纤的影响,设计并建立了全光纤偏振OCT系统,初步获得了人离体牙齿的偏振OCT图像。4.以层状组织模型对生物组织的光学传输特性进行了建模,分析了牙釉质和牙本质的结构特征,并根据它们的光学参数对牙釉质和牙本质表面及内部光分布进行了模拟计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 龋齿的成因
• 1.1.2 龋病诊断的常规方法及其缺点
• 1.1.3 现代光学龋齿诊断方法
• 1.2 光学相干层析技术
• 1.2.1 光学相干层析技术的发展概况
• 1.2.2 OCT的发展前景
• 1.2.3 口腔OCT技术概况
• 1.3 本论文的研究目的、主要内容及创新点
• 1.3.1 本论文的研究目的
• 1.3.2 本论文主要内容
• 1.3.3 本论文创新点
• 1.4 本章小结
• 第二章 光学相干层析技术基本原理
• 2.1 低相干干涉原理
• 2.1.1 迈克尔逊干涉仪
• 2.1.2 自相关函数
• 2.1.3 低相干光源
• 2.1.4 互相关函数
• 2.1.5 光与组织的相互作用
• 2.1.6 加入样品的探测器光电流表达式
• 2.2 OCT系统的分辨率
• 2.2.1 轴向分辨率
• 2.2.2 横向分辨率
• 2.3 OCT系统的噪声分析
• 2.3.1 量子噪声
• 2.3.2 热噪声
• 2.3.3 闪烁噪声
• 2.3.4 过剩光子噪声
• 2.3.5 量化噪声
• 2.3.6 系统的信噪比
• 2.4 本章小结
• 第三章 牙齿组织光学特性及建模
• 3.1 生物组织的光学特性
• 3.1.1 吸收特性
• 3.1.2 散射特性
• 3.1.3 辐射传输参数
• 3.1.4 生物组织折射率
• 3.2 系统模型建立
• 3.2.1 组织光传输问题与辐射传输理论
• 3.2.2 层状生物组织模型
• 3.3 牙齿组织的光学特性
• 3.4 牙齿组织光学传输特性模拟
• 3.4.1 Monte Carlo方法
• 3.4.2 牙齿组织光学传输特性模拟结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 全光纤偏振不敏感OCT系统的设计
• 4.1 全光纤偏振不敏感OCT系统的干涉信号
• 4.2 最佳信噪比设计
• 4.3 基于压电陶瓷Fiber Stretcher的轴向扫描机构
• 4.3.1 光程匹配
• 4.3.2 光程扫描系统的线性度和稳定性分析
• 4.4 法拉第旋转效应消除干涉臂偏振态影响
• 4.5 信号解调
• 4.5.1 基于数字信号处理的信号解调方法
• 4.5.2 基于模拟信号处理的信号解调方法
• 4.6 基于规则体数据三维表面模型的构建算法
• 4.6.1 体素和等值面的定义
• 4.6.2 移动立方体算法（Marching Cubes）抽取等值面
• 4.7 本章小结
• 第五章 全光纤偏振不敏感OCT系统的实现及验证实验
• 5.1 全光纤偏振不敏感OCT系统的实现
• 5.1.1 系统硬件
• 5.1.2 系统软件
• 5.2 系统验证实验
• 5.2.1 玻片的OCT图像验证
• 5.2.2 牙齿磨片的二维OCT图像验证
• 5.2.3 人离体牙齿二维OCT图像验证
• 5.2.4 系统重复性实验
• 5.2.5 人离体牙齿三维OCT图像
• 5.3 本章小结
• 第六章 全光纤偏振不敏感OCT系统用于龋齿检测研究实验
• 6.1 牙齿折射率测量实验
• 6.1.1 利用光程匹配测量折射率的原理
• 6.1.2 载玻片的折射率测量
• 6.1.3 牙齿折射率及其分布测量
• 6.2 口腔龋齿体外建模实验
• 6.2.1 体外人工龋模型的建立
• 6.2.2 离体牙齿人工龋体外建模实验结果及分析
• 6.3 龋齿的OCT图像分析实验
• 6.4 牙齿充填修复体材料OCT图像分析实验
• 6.5 本章小结
• 第七章 全光纤偏振OCT系统
• 7.1 基本原理
• 7.1.1 Jones矩阵表示方法
• 7.1.2 偏振特性参数
• 7.2 自由空间偏振OCT系统
• 7.3 光纤和牙齿样品模型建立
• 7.3.1 光纤的偏振特性模型
• 7.3.2 牙齿的偏振特性模型
• 7.4 全光纤偏振OCT系统的理论分析及系统建立
• 7.5 牙齿的偏振OCT实验
• 7.6 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 未来工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢