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频域OCT高速成像若干关键技术的研究

张泰石  
【摘要】: 光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography,简称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。频域OCT(Spectral Domain OCT,简称SDOCT)无需样品深度扫描,就能实现高速实时成像的特点,引起了许多研究者的关注。 使频域OCT成为一种快速、实时成像的医疗诊断系统,其关键是提高系统的轴向分辨率和信噪比。因此,本文主要针对这两个方面,进行了频域OCT高速成像若干关键技术的研究。 本文完成的主要工作为: 1.为了分析频域OCT成像机理及图像结构,还有找出对信噪比与轴向分辨率影响的因子,根据一阶Born近似傅里叶衍射定理,构建了频域OCT系统的数学模型,推出了频域OCT图像函数。频域OCT图像函数中g函数决定样品每层析面的真实图像及寄生图像的位置与其轴向分辨率,它的系数决定图像的灰度。 2.干涉光谱的傅里叶逆变换得到了样品所有层析面的深度信息,为了标定深度方向上的图像坐标,提出了一种频域OCT图像的深度坐标标定方法。 3.为了解决CCD对不同波长的响应不一样,并且图像重建进行的傅里叶逆变换所需要的数据与CCD检测的数据所依赖的变量不同的问题,提出了CCD响应度补偿法和波长数据-波数数据转换线性补偿法,该方法将信噪比约提高了30%,改善了OCT图像质量。 4.为了解决样品每层析面的图像灰度随深度递减的问题,根据频域OCT图像函数,提出了图像灰度补偿法。该方法通过补偿样品每层析面的入射光功率与背向功率散射率,来得到样品每层析面图像的真实灰度,提高了OCT图像质量。 5.为了消除频域OCT图像中的寄生图像信息,提出了一种频域OCT光学相移器标定方法——差分光谱法。该方法是一种直接相位测量法,标定精度提高约6%。实验结果表明该方法能够将频域OCT图像的信噪比提高约10%。 6.为了提高频域OCT系统的轴向分辨率和信噪比,根据频域OCT图像函数,提出了光源的相干长度及频域OCT图像的轴向分辨率测量方法,此基础上,建立了一种基于子光谱分析的白光频域OCT系统。该系统通过选择所需的白光光源及其接收频段,既能保证最大探测深度和高轴向分辨率,又能提高信噪比。 以上工作为频域OCT系统的高速实时成像和实用化应用奠定了一定的基础。工作中的主要创新之处为: 1.提出了频域OCT图像函数。利用该函数分析了频域OCT成像机理及图像结构,找出了对信噪比与图像轴向分辨率影响的因子,提出了图像灰度补偿法与频域OCT图像的轴向分辨率测量方法。 2.提出了CCD响应补偿法和波长数据-波数据转换线性补偿法。该方法能够将OCT图像的信噪比提高约30%,明显改善了图像质量。 3.提出了图像灰度补偿法。该方法解决了样品每层析面的图像灰度随深度递减的问题,提高了频域OCT的图像质量。 4.提出了一种频域OCT光学相移器标定法——差分光谱法。该方法将标定精度提高约6%,将OCT图像的信噪比提高约10%。 5.提出了光源的相干长度和频域OCT图像的轴向分辨率测量方法,此基础上,建立了一种基于子光谱分析的白光频域OCT系统。该系统通过选择所需的白光光源及其接收频段,既能保证最大探测深度和高轴向分辨率,又能提高信噪比。


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