先进眼科多模态成像技术研究

摘要

无论是在发达国家还是发展中国家，视网膜疾病都是导致失明的最主要原因之一。目前各种先进眼科成像技术已经在视网膜疾病的早期诊断中发挥了至关重要的作用。在这些成像技术中，近年来新兴的光学相干层析成像技术和光致超声成像技术以其非侵入性及高分辨率等特点，在视网膜疾病的研究及临床诊断中日趋体现出巨大的潜力。
　　光学相干层析技术(OCT)是一种基于光学相干特性的在体、实时、高分辨率的三维断层成像技术，可以协助医生作出早期的诊断，了解病理的变化过程并作出相应的疗程安排，目前这种成像技术已经成为眼科临床检验标准之一。而光致超声成像技术(PA)则是近年新兴起来的热点，基于生物组织的光学吸收特性，实现无创、高分辨率、高对比成像机制以及厘米量级的平均探测深度。本文的工作以这两种成像方式为主，结合自适应光学技术(AO)，研究新型的眼科多模态成像系统。将OCT和PA分别与AO相结合的AO-OCT和AO-PAOM系统分别提高了OCT和PA的横向分辨率;将OCT与PA相结合的OCT-PAOM系统可以同时反映生物组织的散射特性及光吸收特性，并同步获取生物组织的结构与功能成像。多模态成像系统可以对由眼底视网膜病变所带来的眼底组织结构及功能上的变化进行观测和估计，进而对视网膜疾病实现准确的早期诊断。
　　本工作可根据应用技术的不同划分为以下几个部分:
　　首先，搭建高分辨率频域OCT系统，成功实现了人眼和活体大鼠眼的在体视网膜成像。并通过频域OCT实现了小鼠全眼的快速成像，准确地计算出小鼠眼的各项结构参数指标，证实了利用频域OCT实现全眼结构参数测量可行性和优越性。
　　其二，为了提高OCT系统的横向分辨率，将AO和OCT相结合，搭建AO-OCT系统。首先通过薄膜变形镜(MMDM)和压电变形镜(PDM)这两种常用的变形镜的对比实验，分析不同种类的变形镜在实际处理像差时的有效性和可靠性。基于对比实验的结果，选择合适的变形镜和波前像差传感器，对大鼠眼的像差进行了测量和校正。对比校正前后采集到的OCT图像的差异，评估引入自适应系统后对OCT成像质量的影响。
　　其三，研究多模态光致超声成像系统。为提高PA系统的横向分辨率，将AO和PA相结合，搭建AO-PAM系统，闭环校正照明激光的波前像差，并由自制的超声传感器检测激发出的光声信号。经过像差校正之后，PAM系统的横向分辨率可以达到2.5μm以内。通过猪眼样品的体外成像，发现像差校正之后PA图像质量有明显的提高，并首次观察到视网膜色素上皮细胞的PA图像。为了弥补PA在结构成像方面的不足，将OCT与PA相结合，搭建了OCT-PAOM系统。该系统可以充分发挥OCT技术和PA技术的互补性的优势，为对视网膜更好的实现结构和功能成像提供了解决方案。
　　本文的研究成果为临床医生和患者提供了比现有眼科成像技术更为先进的多模态成像方法。在提高现有成像技术分辨率的基础上，在结构成像和功能成像方面充分发挥了两种成像技术的互补作用，进而为临床眼科疾病的早期诊断开辟出一条新路。

目录

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摘要

图片目录

表格目录

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 光学相干层析技术(OCT)

1．2．2 光致超声成像技术(PA)

1．2．3 自适应光学(AO)

1．3 课题选题意义和依据

1．3．1 自适应光学相干层析成像技术(AO-OCT)

1．3．2 自适应光致超声显微技术(AO-PAM)

1．3．3 由OCT引导的光致超声检眼技术(OCT-PAOM)

1．4 论文主要研究内容及结构

1．5 本章小结

第二章 光学相干层析技术(OCT)

2．1 OCT的基本原理

2．1．1 低相干光干涉技术

2．1．2 OCT的理论分辨率

2．1．3 重建深度信息

2．2 高分辨率频域OCT系统

2．2．1 实验系统搭建

2．2．2 光谱定位校正

2．3 OCT实际成像分辨率研究

2．3．1 影响OCT分辨率的因素

2．3．2 实验结果及讨论

2．4 OCT系统的成像结果

2．4．1 对人眼和大鼠眼的成像

2．4．2 小鼠眼参数的测量

2．4．3 小鼠眼参数测量结果与讨论

2．5 本章小结

第三章 自适应光学相干层析技术

3．1 AO的基本原理

3．1．1 利用泽尼克多项式来表征波阵面

3．1．2 AO系统的基本结构

3．2 MMDM和PDM两种变形镜的对比研究

3．2．1 MMDM和PDM的主要区别

3．2．2 MMDM和PDM的结构参数

3．2．3 实验系统搭建

3．2．4 实验结果与讨论

3．3 AO-OCT多模态成像系统

3．3．1 AO-OCT系统的基本结构

3．3．2 大鼠眼像差的测量

3．3．3 大鼠眼像差的校正

3．3．4 矫正前后大鼠视网膜OCT图像的比较

3．3．5 实验结果讨论

3．4 本章小结

第四章 多模态光致超声成像技术

4．1 PA技术的基本原理

4．2 AO-PAM多模态成像系统

4．2．1 实验系统搭建

4．2．2 系统像差的校正

4．2．3 系统横向分辨率的变化

4．2．4 猪眼睫状体的成像比较

4．2．5 猪眼视网膜色素上皮细胞成像比较

4．3 OCT-PAOM多模态成像系统

4．3．1 实验系统搭建

4．3．2 实验结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

符号与标记

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文