基于谱域光学相干层析术的人体皮肤三维血流成像研究

摘要

光学相干层析术(Optical Coherence Tomography，OCT)是20世纪90年代提出的一种可对生物组织活体断层成像的方法，具有分辨率高、成像速度快和对样品无损伤等优点。该技术利用生物组织的后向散射光与参考光的干涉信号来提取生物组织深度方向上的信息，在横向上则利用两个扫描振镜进行二维扫描，经过数据处理来重构样品的三维图像。该成像技术的分辨率为微米量级，在组织中的最大成像深度能够达到2 mm。
　　人体所需的营养物质和氧气都是通过血液循环输送到全身各组织，并且在毛细血管中发生物质交换。当组织发生病变时，血管的分布也会发生相应的变化。因此在临床医学中，组织中的血管分布图像可以辅助疾病诊断，如癌症，牛皮癣和酒色斑等疾病。本文首先设计并搭建了一台谱域OCT系统(Spectral Domain OCT，SDOCT)，然后主要对基于OCT的血流成像技术进行了研究。主要内容包括下面几个方面:
　　首先设计并搭建了一台SDOCT系统。为了优化系统性能，搭建了一套快速扫描延迟线系统来补偿该系统色散。为了提高色散补偿精度，提出通过测量参考臂和样品臂色散不匹配值的方法来评定色散补偿效果;同时提出基于该系统的测量透射样品色散值和折射率的方法。
　　为了抑制活体成像过程中环境抖动和系统不稳定等在相位差图像中引入的随机噪声，提出基于谱域互相关的相位分辨多普勒OCT技术来计算组织中的血流速度。该方法中，对连续两次A扫的干涉条纹信号通过互相关运算来去除噪声。在血流模拟实验中，新方法将速度信号的信噪比由53 dB提高到56 dB;在对老鼠耳朵上血流成像的实验中，该方法将速度信号的信噪比由45 dB提高到49 dB。
　　为了解决相关成像OCT方法中血流图像分辨率和血流图像信噪比之间的矛盾，提出基于体数据的相关成像OCT方法来重构血流图像，实现在不减小XZ截面内图像分辨率的情况下提高血流图像的质量。实验结果证明窗口为3×3×3像素时基于体数据的相关成像OCT方法所得血流信号的信噪比比窗口为7×7像素时传统相关成像OCT方法所得血流信号的信噪比高2 dB，并且血流图像的分辨率高了近一倍。
　　为了去除相关成像OCT方法中由呼吸和心跳等引起的抖动噪声，提出利用补零技术和图像配准技术来对结构图像进行配准，再通过计算相关系数的方法提取血流信号。为了提高提取血流信号的灵敏度，提出利用OCT图像中的虚部信号来计算相关系数。实验结果证明在人体皮肤的血流图像中，补零技术和图像配准技术能够有效地去除抖动噪声;在老鼠耳朵血流成像实验中，基于虚部相关的方法能够提取出更多的血流信号，包括传统相关成像OCT方法未能提取的小血管信号。
　　为了提高血流图像质量，提出利用多光束扫描方法来抑制血流图像中的噪声，分析了样品位于测量光束焦点之外时对多普勒相位和散斑方差的影响并通过血流模拟实验来验证了理论;最后，通过人体皮肤成像实验来证明了多光束扫描方法能够应用在相位分辨多普勒OCT，相位分辨多普勒方差OCT和散斑方差OCT方法中来提高所得血流图像的质量。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 OCT基本概念

1．1．1 TDOCT原理

1．1．2 FDOCT原理

1．2 基于OCT技术的血管造影术的应用和发展

1．2．1 基于多普勒效应的血流成像方法

1．2．2 OMAG血流成像方法

1．2．3 基于幅度统计特性的血流成像方法

1．2．4 基于相位差统计特性的血流成像方法

1．2．5 基于强度相关的血流成像方法

1．3 目前存在的主要问题和研究目的

1．4 本文的主要研究内容和结构安排

1．5 课题来源

2 光纤式SDOCT系统原理与设计

2．1 光纤式SDOCT原理

2．2 SDOCT系统设计

2．2．1 光源与光纤耦合器

2．2．2 线阵探测器

2．2．3 样品臂设计

2．2．4 探测臂设计

2．2．5 系统控制与图像采集

2．3 SDOCT系统性能研究及成像结果

2．3．1 系统轴向分辨率与成像深度

2．3．2 系统灵敏度分析

2．3．3 成像结果

2．4 本章小结

3 SDOCT系统性能分析和优化

3．1 色散不匹配对OCT系统轴向分辨率的影响

3．2 色散补偿方法

3．2．1 硬件补偿方法

3．2．2 软件补偿方法

3．3 RSOD原理

3．4 光谱仪标定

3．4．1 光谱标定时SDOCT系统结构

3．4．2 SDOCT系统光谱标定

3．4．3 SDOCT系统深度标定

3．5 利用RSOD补偿SDOCT系统色散

3．5．1 接入RSOD后的SDOCT系统结构

3．5．2 分别利用半高宽方法和色散差值方法来补偿色散

3．5．3 色散补偿结果分析与讨论

3．6 透射样品色散与折射率的测量方法

3．6．1 原理

3．6．2 数据处理方法

3．6．3 结果及讨论

3．7 本章小结

4 多普勒OCT技术成像

4．1 DOCT技术原理

4．1．1 TDOCT中基于频谱分析的DOCT技术

4．1．2 TDOCT中PRDOCT技术的实现方法

4．1．3 FDOCT中PRDOCT技术的实现方法

4．2 基于谱域互相关的DOCT技术

4．2．1 基于谱域互相关的DOCT技术原理

4．2．2 血流模拟实验结果及讨论

4．2．3 活体实验结果及讨论

4．3 本章小结

5 cmOCT技术成像

5．1 cmOCT技术的原理及实验结果

5．2 基于体数据相关的cmOCT方法

5．2．1 cube-cmOCT方法原理

5．2．2 血流模拟实验结果及讨论

5．2．3 活体实验结果及讨论

5．3 本章小结

6 去除血流图像中抖动噪声

6．1 医学图像中常用的图像配准方法

6．1．1 基于互相关的图像配准方法

6．1．2 基于差分图像熵的图像配准方法

6．1．3 基于互信息(相对熵)的图像配准方法

6．1．4 基于梯度互相关的图像配准方法

6．1．5 基于花纹强度的图像配准方法

6．1．6 基于梯度差分的图像配准方法

6．2 去除人体皮肤血流图像中的抖动噪声

6．2．1 ZPCC-cmOCT方法的原理

6．2．2 血流模拟实验结果及讨论

6．2．3 提取皮肤血流信号的数据处理方法

6．2．4 具有轻微抖动时的实验结果及讨论

6．2．5 具有较强抖动时的实验结果及讨论

6．2．6 数据处理时间分析

6．3 利用虚部信号的相关性来提取小血管的信号

6．3．1 IMcmOCT方法的原理

6．3．2 血流模拟实验结果及讨论

6．3．3 活体实验结果及讨论

6．4 本章小结

7 多光束成像方法

7．1 多光束OCT系统成像原理

7．2 多光束SSOCT系统结构

7．3 基于矩形通道的模拟实验

7．4 活体实验

7．4．1 活体实验中去除光源的相位不稳定噪声的方法

7．4．2 DOCT方法的结果及讨论

7．4．3 PRDV方法的结果及讨论

7．4．4 SVOCT方法的结果及讨论

7．4．5 非黑色素皮肤癌患者皮肤上病变区域的血流图像

7．5 本章小结

8 总结与展望

8．1 本文的工作总结

8．2 本文主要创新点

8．3 下一步研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文情况

攻读博士学位期间发表的申请专利情况

参与科研项目情况