频域偏振光学相干层析成像的理论和实验研究

摘要

光学相干层析成像(OpticalCoherenceTomography，OCT)是一门新兴的非侵入，高分辨率成像技术，主要应用在生物医学组织成像方面。其中最具前途的一种OCT技术是偏振OCT(polarizationsensitiveOCT-PSOCT)，主要是因为该技术不仅具有对组织成像能力而且可以测量组织双折射的能力。但是传统的偏振OCT是基于时域的，与现今流行的频域OCT相比，时域OCT在成像速度上，信噪比上，动态范围上都不如频域OCT。并且未来OCT正向着高速采集、实时成像的方向发展，所以摆在我们面前的一个课题就是怎样将时域偏振OCT发展成基于频域的偏振OCT。 本课题根据实验室现有设备基础，提出了基于频域的偏振光学相干层析成像(FourierDomainPolarizationSensitiveOpticalCoherenceTomography，FDPSOCT)的设想，并完成了以下主要工作： 首先，结合频域相干光学层析成像技术和传统偏振光学相干层析成像技术，提出频域偏振光学相干层析成像新理论，推导了频域偏振光学层析成像的理论公式，并将频域光学相干层析成像中的双相位技术应用到此系统中，消除了直流噪声、样品后向散射光的互相关噪声，提高了成像质量。 其次，根据频域偏振光学相干层析成像的理论，成功地搭建了FDPSOCT实验系统。实验结果表明，该系统成像纵向分辨率在13微米左右，横向分辨率在12微米左右，系统的动态范围可以达到130dB，系统的相位测量误差小于0.1弧度；利用PZT建立的双相位技术提高了图像质量，明显地消除了图像中的直流成分和互相干项成分。 再次，利用两种信息处理方式来提取样品的双折射信息：第一，提取后向散射光的斯托克斯向量(I，Q，U，V)以及从斯托克斯向量再次处理得到样品的去偏效应，第二，由两个偏振态光提取样品的相位延迟图像及快慢轴方向。 最后，利用组建的系统和信息提取方式进行了包括筋组织、软骨组织、肌肉组织、眼睛组织等组织的成像研究和分析，通过组织双折射特性的测量，获得了高质量的图像，清晰地反映了生物组织的软骨膜结构和肌肉纤维走向。 FDPSOCT的提出对PSOCT技术发展具有一定的推进作用，它的成像速度相对时域得到了大大提高。系统的动态范围由原来时域的80dB提高到频域的130dB，信噪比得到很好的改善；同时，实验证明它完全有能力测量样品的双折射特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2光学相干层析成像与其它成像技术的比较

1.2.1各种成像技术

1.2.2 OCT技术与其它成像技术比较

1.2.3 OCT技术分类

1.2.4偏振OCT及发展历史

1.3课题研究的意义和内容

1.3.1传统偏振OCT存在的问题

1.3.2本论文的主要研究内容

第二章光学相干层析成像的基础与理论阐述

2.1前言

2.2组织光学

2.3组织中的双折射

2.4 OCT光源

2.5 OCT光信号的特性

2.6 OCT的基本理论

2.6.1时域OCT的基本理论

2.6.2频域OCT的基本理论

2.7 OCT的理论探测深度

2.8 OCT成像分辨率

2.9时域和频域OCT信噪比

2.10系统敏感度

2.11本章小结

第三章频域偏振光学相干层析成像原理

3.1前言

3.2偏振OCT的矩阵光学基础

3.2.1琼斯向量和琼斯矩阵

3.2.2斯托克斯向量和缪勒矩阵

3.3频域偏振光学相干层析成像理论推导

3.3.1频域偏振OCT的基本理论

3.3.2双相位方法

3.4本章小结

第四章 FDPSOCT实验系统研究建设与分析

4.1前言

4.2实验系统元件选择

4.3实验系统

4.4光谱采集程序流程

4.5系统的频率响应

4.6系统的动态范围

4.7系统偏振测量误差

4.8数据处理方法

4.9双相位法实验结果

4.10本章小结

第五章频域偏振光学相干层析成像实验研究

5.1前言

5.2蹄筋组织的偏振OCT成像

5.3软骨组织的偏振OCT成像

5.4肌肉组织的偏振OCT成像

5.5眼睛组织的偏振OCT成像

5.6本章小结

第六章全文总结

6.1前言

6.2课题总结

6.3偏振OCT的展望与未来课题

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢