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全场光学相干层析成像研究

杨亚良  
【摘要】: 通过对生物组织进行成像来研究组织的结构特点和生理功能,可达到为医学临床诊断提供客观依据的目的。光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)技术将低相干干涉仪和共焦扫描显微术结合在一起,利用外差探测技术来获取组织的内部信息,其成像深度达mm量级,空间分辨率保持在μm量级。因此,OCT技术一经出现就迅速成为生物医学成像的研究热点,被认为是一种很有前景的高分辨无损实时成像工具。 为了减少环境干扰和样品移动导致的图像失真,快速成像一直是人们追求的目标。全场光学相干层析成像(Full-Field OCT,FF-OCT)技术基于并行探测模式进行成像,是实现上述目标的有效方法。再加上其具有:视场内所有像素点的图像保持一致、易于实现高分辨、系统控制与信号处理简单、以及机械稳定性高等特点,因而国外许多研究小组在开展这方面的研究工作,但国内还未见相关研究报道。本课题选取FF-OCT作为研究对象,具体针对FF-OCT系统中存在的光学串扰现象的消除、宽光谱无色散移相的实现等关键问题展开工作,最终建立了一套FF-OCT系统,并在此基础上开展了各项实验工作。 本课题的具体研究内容及取得的创新性研究成果有: 1.通过对光学串扰现象形成机理的深入分析,提出了基于数字微镜器件(DigitalMicromirror Device,DMD)的无串扰并行OCT成像新方法。该方法利用了空间相干光源的高功率密度特性,而相干照明并行成像时存在的串扰现象则通过在照明光路中加入一块DMD,结合巧妙的编码方式来加以解决。本方法实现了局部区域的点扫描成像,有效抑制了串扰现象的发生;同时又使全局有尽可能多的点被同时成像,保证了系统具有较高工作效率。 2.压电陶瓷驱动器(Piezoelectric Transducer,PZT)引入的移相量与波长有关,是一种有色散移相器,用于宽光谱移相时存在着移相误差。为了对这一误差对成像结果的影响有定量认识,在初始相位差为零的条件下,以Hariharan移相算法为例推导了PZT移相误差对OCT图像影响的表达式,数值计算结果表明:PZT用于高分辨OCT系统时,其移相误差对成像结果的影响较大。 3.针对OCT系统中宽光谱无色散移相的需求,提出了一种基于旋转1/2波片的无色散移相器,和实施该移相器功能的FF-OCT系统结构。该移相器能在宽光谱范围内无色散地获得8倍于1/2波片旋转角的移相量,能方便地为各种移相算法提供所需的移相量。针对实际应用中波片方位角和1/2波片旋向难于判定这一问题,对移相器结构进行了拓展,获得了8种移相器结构。针对Hariharan移相算法和三步移相算法所要求的不同移相量,在180 nm波长范围内,对移相器性能进行了数值分析。提供的实施移相器功能的FF-OCT系统结构,与现有结构相比,具有许多优点。 4.利用提出的无色散移相器,研制了一套FF-OCT实验系统,在此基础上开展了各项实验研究。给出了详细的参量选择和系统设计说明。进行了移相量实测实验,以及采用Hariharan移相算法来验证系统移相量的准确性,结果表明:提出的移相器结构正确可行。最后进行了动态调焦成像实验。 5.在关于内窥OCT成像的研究工作中,提出了一种采用光程外补偿方式的Fizeau型共路成像方法与系统,研制了一套采用光纤Michelson干涉仪进行光程外补偿的共路OCT成像系统。进行的光程补偿实验验证了本方法的可行性,振动干扰实验结果表明系统对环境干扰不敏感。因此,本方法特别适合于内窥OCT成像,并给出了把本方法扩展为内窥OCT成像系统的具体实现过程。


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