基于频域光学相干层析成像的血流检测技术研究

摘要

在生物心脏发育的初期过程中，血流情况对其发育十分重要，异常的血流可能会导致先天性心脏缺陷等疾病，严重影响了人们的身体健康甚至导致死亡。而生物力学的力量施加于流动的血液可能会影响血管内皮细胞基因表达，基因表达的改变会影响心脏发育过程中的结构和功能，导致生物力学因素进一步的改变。在早期胚胎发育过程中，血流量和剪切力是两个关键的影响因素，但是并没有合适的工具能够精确的直接测量其具体参数。为了研究血管剪切力，需要选择合适的方法对其进行测量。光学相干层析成像技术可以在疾病早期对心脏血流进行无创检测，对于心脏疾病的早期发现预防并且研究其起源具有重要意义。 光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种基于低相干干涉理论的成像方法，它能够对生物组织等强散射介质进行深度方向的成像。作为一种有效可行的成像工具，OCT技术具有无创、高分辨率、高灵敏度等优点，是医学影像领域的一种有效补充。根据成像理论的不同，OCT可以分为两大类:时域光学相干层析成像(TD-OCT)和频域光学相干层析成像(FD-OCT)。传统的时域OCT技术在成像时参考臂需要进行机械移动，从而对应样品的不同深度，导致扫描速度较慢，限制了时域OCT的信号采集速度。为了改进上述缺陷，频域OCT技术应运而生，其在采集速度、信噪比和灵敏度等方面较时域OCT技术都有很大的提高。扫频OCT技术作为频域OCT技术的一个分支，其在光源和信号检测部分相应改进，成像速度与深度都得到了进一步的提高。 本文首先介绍了血流检测的研究意义和OCT技术的发展背景，通过对OCT基本原理的研究，设计并搭建了快速扫频OCT系统，介绍了系统的基本构造。从干涉光路出发，对系统的主要组成部分，包括干涉仪部分、扫描系统和信号采集系统进行了详细的分析和设计。详细考虑了选择光源的各方面因素，选择合适的扫频激光光源。对干涉信号进行了光谱整形、减除直流项、色散补偿等处理。 介绍了血管剪切力检测的基本理论和方法，测量了小鸡胚胎心脏的血流速度和剪切力分布。着重解决了绝对流速的测量和相位去卷绕的问题，在对鸡胚心脏血液流出道测量流速时出现会出现相位卷绕现象，从而导致错误的测量结果，提出了新的方法对于出现的相位卷绕现象进行消除。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究意义和背景

1．2 OCT技术概述

1．2．1 OCT技术的分类

1．2．2 OCT研究现状和发展动态

1．3 OCT与其他医学成像技术的比较

1．4课题研究的主要内容

1．4．1频域OCT研究中存在的主要问题

1．4．2课题研究内容

2．1引言

2．2生物组织光学成像基础

2．2．1光在生物组织中的传播

2．2．2主要光学特性参数

2．3 OCT成像理论

2．3．1低相干干涉理论

2．3．2迈克尔逊干涉仪

2．3．3干涉光谱信号

2．4频域OCT相关参数

2．4．1轴向分辨率和成像深度

2．4．2信噪比

2．4．3灵敏度

2．5光源

第3章频域OCT成像系统设计

3．1扫频OCT系统设计

3．2扫频激光光源

3．3光路扫描系统搭建

3．3．1干涉仪的设计

3．3．2样品臂的搭建

3．3．3参考臂的搭建

3．4信号采集系统搭建

3．4．1信号检测单元

3．3．2信号采集控制

3．5数据处理

3．5．1光谱整形

3．5．2减除直流项

3．5．3色散补偿

第4章扫频OCT系统的血流检测技术研究

4．1血管剪切力检测技术

4．1．1基本理论

4．1．2流速测量方法

4．1．3剪切力测量方法

4．2血管壁剪切力测量实验

4．2．1实验样品制备

4．2．2早期鸡胚心脏的剪切力测量实验

4．3图像处理

4．3．1边缘检测

4．3．2去卷绕处理

4．3．3流速分布

4．3．4剪切力分布

第5章总结与展望

5．1本文完成主要工作总结

5．2下一步研究展望

参考文献

致谢