光学相关层析成像技术与宽带光源的理论和实验研究

【摘要】：光学相关层析成像(OCT. Optical coherence tomography)是近十几年发展起来的高分辨率动态无损检测活体生物组织断层或立体图像的新技术。使用宽带生物窗口频段红外光源,通过相关门和共焦结构的筛选,取得携带传输介质信息的弹道光子和最少散射次数光子作为成像信号,图像分辨率达到微米量级。还具有体积小,造价低和光纤内窥镜型适于人体内腔导入探查等优点,良好的临床应用前景使其迅速成为光学领域研究热点之一。 本文对与OCT 成像质量相关的光子传输规律及其与图像误差和噪声的关系等理论问题进行了深入分析,力求用简洁的数学语言给出定量结论。用生理解剖学和血流动力学数据说明了提取癌症病灶区血液循环和新陈代谢参数进行功能成像对癌症的特异性诊断意义,并对参数检测的具体方法进行了方案设计,论证了用形态学和循环代谢双判据分析早期诊断癌症的可行性。实验研究方面,用所建立的实验OCT 系统进行了生物组织成像,对试验中出现的同步问题和与扫速有关的噪声问题,提出了解决方案并得到了好结果。使用高渗制剂进行了提高成像深度和对比度的实验,用数字图像处理方法进行了分离空气与组织界面实验,提高了图像对比度和观测深度。最后,采用激光抽运光纤产生SRS 和其他非线性效应的方法,实验获得了超宽带光输出。 主要创新点为: 1.首次用能量守恒的矢量合成理论解释了OCT 探测中背向散射光束的叠加和散斑形成过程。指出OCT散斑不是通常意义的空间干涉幅度散斑而是不同相位散射光干涉时能量匹配引起时域能量起伏造成的能量散斑。 2.首次提出了用内窥镜ODT 技术形成组织细胞形态学和与癌症病理特征密切相关的循环代谢改变双指标判据,提高癌症早期诊断可靠性的技术方案,并对可行性进行了分析论证。 3.首次提出了用高功率激光二极管抽运的光纤受激拉曼散射频移结合其他非线性效应共同扩展入射光频带,形成小型化、低噪音的宽带OCT 光源以提高图像分辨率的方案,进行实验研究并得到超宽带输出。 4.首次将散射延时引入到多次散射光的成像误差理论,并指出“散射延时相关的定位误差”往往大于散射角度引起的定位误差,是多次散射引起像素点扩散的主要原因。 5.首次使用葡萄糖与丙三醇混合高渗制剂进行了提高OCT 成像深度和图像对比度的试验,并得到使用混合溶液较丙三醇可提高人群敏感度的初步结果。