频域光学相干层析成像与组织散射理论研究

论文摘要

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是上世纪九十年代初发展起来的一种新型深度成像技术,它具有高分辨率、无创伤、非接触测量等特点。该技术以迈克尔逊干涉原理为基础,光束聚焦射入组织后,用干涉测量法可测量到不同深度内部微结构所反射的光的时间延迟。时域OCT根据参考臂与样品臂的等光程以参考臂的逐点移动获得被测样品的深度信息。但是,它扫描速度低,不利于它的工程应用。近年来,频域OCT作为一种新的OCT技术正在逐渐受到研究者们的关注。它利用背向散射光与参考光的干涉成像实现深度信号的单线一次成像,极大提高了系统采集速度。但是,频域OCT却不能反映组织的内部各项异性信息。偏振OCT利用组织内部结构的双折射特性,不但能够获得组织的结构信息,也能同时获得组织的相位延迟与快轴信息。从而为OCT的研究开辟了一个新的研究领域。本文首先简要介绍了光与组织相互作用的基本理论与一些重要光学参数,并介绍了光在生物组织中的传播类型。随后,详细介绍了OCT的理论及OCT信号的特性。在此基础上,对光纤频域OCT系统的成像理论进行了详细描述。该系统通过使用光谱仪直接获得背向散射光干涉光谱经傅立叶变换获得深度信息,无需深度扫描。但是,结果中包含有不需要的噪声项。因此,使用相位偏移法对这些噪声进行消除。根据平均法提出了改进的相位偏移法,并对使用相位偏移法进行了比较,发现三相位以上的偏移法除具有了二相位法的功能外,还能够消除虚像。同时,三、四、五相位算法对PZT的偏移误差的敏感程度不同,五相位偏移法具有最好的误差承受能力。对Mie散射理论进行了研究与计算并对光在组织中的偏振模式进行了蒙特卡罗仿真。Mie散射将散射过程看作是光与介质内的散射子相互作用的结果,每次散射在能量上需要衰减,散射后的方向由散射角和方位角决定,这个散射过程通过单次散射矩阵描述。本文通过计算与分析,发现散射过程以前向散射为主,自然光经过散射后主要是部分偏振光。随后,使用蒙特卡罗仿真对仿真组织的吸收散射特性进行了分析,并对反映组织特性的密勒矩阵与光的偏振度进行仿真。研制了频域偏振OCT系统并对系统进行了离体生物组织实验验证。频域偏振OCT系统能够完成高速扫描,属于频域OCT。但是它利用偏振理论与生物组织的双折射特性,在样品光与参考光进行干涉后通过偏振分光镜获得光的水平与垂直偏振分量,根据这两个分量获得生物组织的相位延迟与快轴角度信息并推导出斯托克斯向量与偏振度信息。最后,对离体生物组织进行了成像验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光学相干层析成像的发展历史与现状
• 1.2 OCT 与其它成像技术的比较
• 1.3 OCT 的特点及分类
• 1.4 OCT 的应用与临床诊断成果
• 1.5 本课题的研究意义与内容
• 1.5.1 本课题的研究意义
• 1.5.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 光学相干层析成像理论
• 2.1 引言
• 2.2 生物组织光学成像基础与OCT 信号特性
• 2.2.1 光在生物组织中的传输理论
• 2.2.2 光在生物组织中传播的类型
• 2.3 经典时域OCT 成像数学分析与OCT 信号特性
• 2.3.1 经典时域OCT 结构简介[9]
• 2.3.2 OCT 信号特性
• 2.3.2.1 单次与多次散射光
• 2.3.2.2 探测深度
• 2.3.2.3 敏感度
• 2.3.2.4 散斑
• 2.3.2.5 分辨率
• 2.4 本章小结
• 第三章 光纤频域相干层析成像系统的研究
• 3.1 引言
• 3.2 光纤频域OCT 系统成像研究
• 3.2.1 光纤频域OCT 信号分析
• 3.2.2 干涉信号采样点的转换
• 3.2.3 光纤频域OCT 系统的图像重建
• 3.3 光纤频域OCT 系统实验验证
• 3.3.1 光纤频域OCT 系统结构
• 3.3.2 光纤频域OCT 系统的实验验证
• 3.3.2.1 系统光路的调整
• 3.3.2.2 系统的测量深度
• 3.3.2.3 成像分辨率
• 3.3.2.4 系统频率响应与动态范围
• 3.3.2.5 PZT 相位偏移误差对重建图像质量的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 光在组织中传播的Mie 散射理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 光的偏振表示方法
• 4.2.1 斯托克斯向量——密勒矩阵表示法
• 4.2.2 琼斯向量——琼斯矩阵表示法
• 4.2.3 邦加球表示法
• 4.2.4 斯托克斯向量与琼斯向量之间的转换
• 4.3 Mie 散射理论
• 4.4 Mie 散射理论的数学计算
• 4.5 本章小结
• 第五章 光在均匀介质中Mie 散射的蒙特卡罗仿真
• 5.1 引言
• 5.2 单一均匀介质中蒙特卡罗对光传播的仿真
• 5.2.1 坐标系的选择
• 5.2.2 随机变量的采样
• 5.2.3 光子传播规则的定义
• 5.2.3.1 光子的发射
• 5.2.3.2 光子的步长及其运动
• 5.2.3.3 光子在组织中的吸收与散射
• 5.2.3.4 界面反射与透射
• 5.2.3.5 光子行为的终止
• 5.3 蒙特卡罗仿真中偏振态及新的相位函数的引入
• 5.4 偏振态求解过程及仿真流程
• 5.5 光的吸收与散射仿真结果分析
• 5.5.1 单层半无限组织的蒙特卡罗仿真
• 5.5.2 多层组织的蒙特卡罗仿真
• 5.6 偏振模式仿真结果与分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 频域偏振OCT 系统的研制
• 6.1 引言
• 6.2 生物组织的双折射特性
• 6.3 频域偏振OCT 的理论分析
• 6.4 频域偏振OCT 的实验系统的研制
• 6.5 频域偏振OCT 系统实验分析
• 6.5.1 肌腱组织的偏振成像实验
• 6.5.2 肌肉组织的偏振成像实验
• 6.5.3 软骨细胞的偏振成像实验
• 6.5.4 牙齿的偏振成像实验
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本论文完成的主要工作
• 7.2 本论文的主要创新点
• 7.3 课题的进一步研究与展望
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 致谢