光谱OCT内窥镜成像系统的研究

【摘要】： 传统内窥镜只能观察到发生在器官表面的病变,而无法获取人体内部器官(如胃肠道)的断层信息,不能进行病变的早期诊断。因此医用内窥镜中引入超声成像技术,利用超声波的穿透能力,获取人体内消化道表层下面的病变信息,但是超声内窥镜在成像分辨率等方面存在不足之处。光学相干层析技术(Optical coherence tomography, OCT)是近十年迅速发展起来的一种成像技术,OCT内窥镜是医用电子内窥镜与OCT技术的结合,将成像分辨率提高到微米量级,使医用电子内窥镜具备真正意义上探测人体内脏表层下微小病变的能力,从而实现早期病变诊断。 本文研究用于人体内部器官病变检测的光谱OCT成像技术,实现对人体内腔进行旋转扫描成像的实验系统。论文设计并研制出适用于光谱OCT内窥成像系统使用的前置驱动的旋转探头。在此基础上研究OCT成像技术中的干涉合成孔径显微算法,提高离焦成像区域的分辨率,解决横向分辨率和清晰成像范围之间的矛盾。 本文的主要工作有: 1.光谱OCT成像理论分析 论文阐述OCT技术基本原理、相关概念及系统组成,介绍时域OCT与频域OCT成像系统的特点。根据光谱OCT成像速度快的优势,研究光谱OCT系统中干涉信号的产生和传统图像重构方法,在此基础上推导了纵向分辨率和探测深度的计算公式,经过理论推导及仿真得到系统信噪比与干涉仪的分光比、反射率之间的关系。 2.干涉合成孔径显微算法的研究 采用干涉合成孔径显微算法(Interferometric Synthetic Aperture Microscopy, ISAM)对光谱数据进行重新采样和计算,提高了离焦区域的分辨率,使离焦成像面变得清楚,进而解决横向分辨率和清晰成像范围之间的矛盾。为了缩短ISAM的重构时间,提出近似波数域方法来实现ISAM,利用纵向波数域的相位相乘替代耗时的Stolt插值,补偿了横向聚焦的相位误差,这种近似方法既能保持足够的计算精度,又较大地节省了重构图像时间,可将一幅320 pixel×265 pixel图像的重构时间由10分钟缩短至50秒,为光谱OCT图像的三维实时重构提供了理论基础。 3.旋转扫描探头的设计 为解决目前OCT内窥镜探头无法从软管内窥镜进入人体内腔进行扫描成像的缺陷,论文设计一个旋转扫描的OCT探头对消化道内壁进行断层成像。微型电机及光学器件都封装在OCT探头的透明外壳中,光源发出的光经单模光纤,由光纤前端粘合的GRIN透镜将检测光准直出射,经反射棱镜垂直入射到人体内腔,探头前端的微型电机同时带动反射棱镜旋转,使入射光实现对人体内腔的旋转扫描。 4.光谱OCT内窥镜成像系统的设计 系统由迈克尔逊干涉仪、扫描探头和光谱采集系统组成,论文详细介绍了光谱OCT成像系统的设计方案及实现过程,具体包括以下内容: 1)利用自由空间型迈克尔逊干涉仪进行原理性实验,其具有结构简单、耦合效率高、易于调节光路等优点;但自由空间型干涉仪需依托光学平台,不能应用到内窥镜系统中,因此论文搭建了全光纤型干涉仪系统,不仅使系统的集成度提高,且便于与内窥镜系统相结合,形成OCT内窥成像系统。 2)设计适用于扫描探头的GRIN透镜,从追迹光线方程出发分析透镜矩阵方程,利用光学传递函数评价透镜的成像质量,以提高OCT系统的干涉图像质量。通过对直角棱镜进行高反射率介质膜的设计,来提高系统的能量使用率,并在分析与实验多种横向扫描方式的基础上,选用旋转扫描来实现OCT内窥成像。 3)提出一种用于检测人体胃肠道病变的光谱OCT内窥成像系统的嵌入式设计方案:利用SGM200-M作为分光平台,采用G9214-512S线阵CCD将光信号转化为电信号。在ARM9系列嵌入式微处理器S3C2443和当前流行的WinCE5.0实时多任务操作系统的基础上构建了干涉信号的光谱采集系统。 4)利用上述成像系统成功获得包括平面镜、多层盖玻片和洋葱内外表皮在内的OCT扫描图像。和自由空间型系统相比,基于嵌入式的光纤化OCT成像系统的集成度高、灵活性强、扫描图像清晰。