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扫频光学相干层析成像方法与系统研究

吴彤  
【摘要】:光学相干层析成像(Optical Coherence tomography, OCT)技术是一种无损伤、非侵入、高分辨率的成像技术,能够对生物组织内部结构和生理功能进行在体成像。扫频OCT (Swept source OCT, SS-OCT)属于傅立叶域OCT技术,与时域OCT技术相比,在系统的成像速度和灵敏度方面都有显著的提高,已成为目前OCT领域的研究热点,在生物组织成像、内窥成像等领域发挥了重要作用。本课题对扫频OCT成像方法及系统技术进行了研究,具体的研究内容及获得的创新性研究成果有: 1.建立了由扫频光源、主干涉仪和标定干涉仪组成的1300nm波段扫频OCT系统,编写了成像系统软件。搭建的扫频OCT系统轴向扫描速率由原来时域OCT系统的500Hz提高到20KHz。系统理论轴向分辨率为7.2μm,最大成像深度为8mm,最大信噪比为110dB,成功获得了人体皮肤、舌头、鱼眼以及矿石的在体实时层析成像。 2.研制了基于扫频OCT成像系统的正弦驱动谐振光纤悬臂一维扫描探头。该探头利用光纤悬臂的共振特性,通过对压电陶瓷施加接近于该共振频率的正弦驱动信号,实现光纤悬臂的一维谐振扫描。应用所研制的光纤扫描探头于搭建的扫频OCT系统,在20KHz的A-Scan速率下,成像速度达20帧/秒,横向范围1毫米,横向分辨率10μm,轴向分辨率达到8.3μm,获得了多层样品的层析图像,为内窥探头的研制奠定了基础。 3.提出并研制了单驱动正交谐振非对称光纤悬臂二维扫描探头,用于样品横断面的扫描成像。该探头利用光纤悬臂的共振特性,结合光纤悬臂的非对称结构,使光纤悬臂在正交方向具有不同的共振频率。通过对压电双晶片施加接近于上述两种共振频率的混频信号,就能同时激发光纤悬臂在两正交方向上的振动,实现非对称光纤悬臂的二维扫描。探头中的振动驱动件采用压电双晶片取代压电陶瓷管,压变系数大、驱动电压低,提高了应用安全性。混频驱动信号中双频成分幅度与频率的调整,可形成不同扫描范围和不同填充率的李萨如图形扫描轨迹。为了实现扫描图像的正确重建,在扫描探头中我们引入了二维位置敏感探测器,用于扫描轨迹的同步记录。应用所研制的探头于建立的OCT系统,获得了典型样品的横断面图像,达到了预期效果。 4.为了保证系统轴向分辨率以及信噪比,需要对干涉光谱信号进行波数(k)空间均匀化标定。基于搭建的扫频OCT系统,提出并实施了基于扫频OCT主干涉仪的预先标定方法、实施了基于马赫曾德干涉仪(MZI)强度信息的实时标定方法、提出并实施了无需光谱标定直接通过非均匀傅立叶变换重建图像的方法,提出并实施了基于MZI相位信息进行k空间直接插值的方法。并且比较了提出的方法与现有标定方法在性能上的优势,在获得波数空间均匀分布的扫频OCT成像信号的同时,减少了计算时间,重建了高质量的生物组织层析图像。 5.首次提出了基于透射式光栅型光学延迟线的全量程成像扫频OCT系统的方法,在扫频OCT系统的参考臂中引入透射式光栅型光学延迟线,基于光学延迟线中反射镜与光轴垂轴面的特定夹角,在各光谱成分中引入随光谱波数线性变化的附加位相量,实现参考光的特定群延迟。群延迟后的参考光与样品光汇合,实现干涉光谱的波数载频。对干涉光谱实施基于快速傅立叶变换的图像重建,其共轭镜像将偏离无载频时的位置,由于此偏移量远大于在各光谱成分中引入的附加光程量,确保了在干涉信号灵敏度下降最小化的前提下,有效分离直流项与共轭镜像,实现扫频光学相干层析的全量程成像。对活鱼眼前节成像的结果表明,引入k空间载频的方法实现了扫频OCT的全范围成像,复共轭抑制率高达50dB。


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