光学相干层析成像的实验研究与理论模拟

摘要

光学相干层析成像(OCT)技术是一种医疗影像技术，具有图像分辨率高、无接触、无损害探测、可以实现在体实时成像等优点，且操作简单、便携、易与内窥镜等技术结合，因此在眼科、皮肤科、牙科、胃肠以及心血管等生物医疗检测领域中具有巨大应用潜力。 本文结合国内外OCT 技术与理论的研究状况，以研制高性能、实用OCT系统为目的，对OCT系统光源、延迟线(参考臂)、干涉仪、样品臂四个重要技术环节进行了研究与设计，详细给出了系统控制、数据处理与图像显示的算法，利用研制的系统对多种样品进行了成像实验，实验结果说明系统设计合理、算法正确。同时，建立了OCT系统理论分析模型，对光散射模型进行了改进，通过与实验结果的比较，证明了理论模拟的正确性。 主要创新点体现在： 1．提出了以数字滤波代替电路滤波来简化OCT 系统构成的方法，省去了制作硬件电路的环节，降低了成本，便于测试、调节和维护。 2．提出了一种适用于OCT载频信号的简单易行的最值解调算法，对含载频的干涉信号分段取最大值，提取信号包络。从理论上论证了其可行性，同时进行了实验验证。 3．提出了非线性量化数据的方法来显示图像，提高了图像质量。 4．设计了OCT 系统的光源、延迟线(参考臂)、干涉仪、样品臂和整体控制程序，进行了多种样品的成像实验，结果验证了设计与算法的正确性。 5．OCT光信号的模拟过程中，提出了用双曲线法模拟入射高斯光束的新方法，理论上证实了组织界面在相对入射光束束腰不同位置处的散射函数略有不同，并实现了对曲面光散射的模拟。 6．在模拟OCT 光信号散射过程中，提出光子在散射过程中不可分割的假设，对传统的蒙特卡罗算法模拟介质散射响应函数的过程进行了改进，避免了光子可分割模型中人为选定光子吸收阈值的不确定性。

目录

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第一章绪论

1.1光学相干层析成像技术的简介

1.1.1光学相干层析成像技术原理

1.1.2光学相干层析成像与其它医学成像技术的比较

1.1.3光学相干层析成像的应用

1.2光学相干层析成像技术的研究进展

1.2.1偏振OCT

1.2.2多普勒OCT

1.2.3光谱OCT

1.2.4 OCT的理论研究进展

1.3本课题的研究目的和研究内容

第二章OCT系统光源的研究

2.1光源的选取

2.2目前常用的光源

2.3光源与纵向分辨率

2.4对不同光源的理论与实验研究

2.4.1光纤光源

2.4.2飞秒激光脉冲光源

2.4.3飞秒脉冲泵浦的光子晶体光纤光源

2.4.4比较与结论

2.5系统光源的确定

2.6小结

第三章OCT系统中快速扫描机构的原理和分析

3.1光学延迟线简介

3.1.1光学延迟线的应用领域

3.1.2光学延迟线的实现方法

3.1.3设计光学延迟线的注意事项

3.2目前常用的几种光学延迟线

3.2.1频域—扫描镜延迟线

3.2.2旋转阵列镜延迟线

3.2.3频域—多角反射棱镜延迟线

3.2.4多通腔镜延迟线

3.2.5不同光学延迟扫描方法的比较

3.3本实验室所选用的扫描振镜全反射延迟线

3.3.1扫描振镜全反射延迟线的原理

3.3.2扫描振镜全反射延迟线的建立

3.4小结

第四章OCT实验系统的建立

4.1干涉仪

4.1.1光外差探测

4.1.2平衡探测

4.1.3干涉仪的设计

4.1.4与飞秒激光自由空间OCT的比较

4.2样品臂

4.2.1光路设计

4.2.2运动控制

4.3数据的采集与处理

4.3.1同步控制

4.3.3数字滤波

4.3.2数据采集

4.3.4图像显示

4.3.4操作界面

4.4实验结果

4.4.1系统说明

4.4.2成像实验

4.4.3与飞秒激光OCT实验结果的比较

4.5小结

第五章OCT系统干涉信号的模拟分析与计算

5.1 OCT系统的理论模拟介绍

5.1.1理论模拟的发展

5.1.2典型的理论模型

5.2 OCT系统信号的模拟与分析

5.2.1光在组织中的传输

5.2.2高斯光束的模拟

5.2.3蒙特卡罗法模拟介质散射

5.2.4本理论模拟的特点

5.2.5模拟结果与实验结果的比较与分析

5.3小结

第六章总结

参考文献

致谢

其它科研工作

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果