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频域光学相干层析成像与组织散射理论研究

龚强  
【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。


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