復譜頻域OCT快速成像的若干關鍵技術研究.pdf

1、光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)作為一種全新的光學斷層成像技術,以其無輻射、非侵入、高分辨率及高探測靈敏度等特點,在臨床醫(yī)學領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?為了使OCT成為一種快速、實用的醫(yī)療診斷系統(tǒng),本課題從理論和實踐兩個方面對OCT系統(tǒng)在快速成像上的若干關鍵技術進行了研究.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,并將具有實際光束大小的高斯光束應用于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直光束代替聚焦的錐形光束,從而使仿真結果不能真實反映光學系統(tǒng)的特點.基于共焦模式的OCT蒙特卡羅仿真模型彌補了傳統(tǒng)模型的缺陷,引入了共焦顯微鏡結構和聚焦高斯光束的定義,改善了背向散射光子的分類機制. 在實踐方面,本課題以復譜頻域OCT為主要的實驗方案.由于傳統(tǒng)時域點掃描OCT必須通過逐點采集干涉信號來獲得層析圖

3、像,非常耗時,是制約成像速度的主要因素之一.采用頻域技術的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.為了實現(xiàn)復雜生物組織的OCT快速成像,消除譜頻域OCT的"混疊"現(xiàn)象、重建樣品的真實層析結構,本文引入了相移干涉技術,構建了一套滿量程復譜頻域OCT實驗系統(tǒng),并為系統(tǒng)設計了特殊的分束鏡和移相器,為最終實現(xiàn)復雜生物組織的OCT快速成像提供了條件. 工作中的主要創(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,將具有實際光束大小的高斯光束應用于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構的光學系統(tǒng)的仿真. 2.首次提出了采用特殊鍍膜分束器的干涉儀結構.分束器在中心直徑1mm的圓內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.使用這種結構的分束器,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.首次利用音圈驅動的相移器進行頻域OCT的譜干涉圖相位提取.通過對相移器的精確標定,證明相移器可以實現(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、干涉術的要求.此外,它還具有成本低、控制簡單、響應速度比較快等特點.頻域OCT與相移干涉術相結合,可以實現(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行,在內存上劃分出兩個同樣大小的緩沖區(qū).硬件采集線程向其中一個緩沖區(qū)存儲數(shù)據(jù)的過程中,數(shù)據(jù)處理線程對另一個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)