谱域光学相干层析成像技术及其眼科应用研究

摘要

光学相干层析成像技术(Optical coherence tomography，OCT)是一种极具潜力的生物医学光学成像技术，具有非侵入、无损伤、高分辨、高灵敏度等优点。谱域OCT(Spectral domain OCT，SD-OCT)是第二代OCT技术，它能实现mm量级的成像深度，μm量级的空间分辨率，以及nm甚至pm量级的高灵敏度探测，已广泛应用于生物医学的各个领域。眼科是OCT技术最早的应用领域。OCT的出现极大提升了眼科的基础研究和临床诊断水平。利用OCT技术不但能实现眼组织二维和三维的层析成像，还能精准捕捉组织的形变与微尺度运动，对眼科的形态学研究和病理分析具有重要价值。本论文的研究工作围绕SD-OCT的成像技术及其眼科应用展开。主要从成像深度拓展、相位高灵敏度探测、轴向超分辨成像等方面发展了SD-OCT技术。在此基础上，实现了人眼全眼前节和鼠眼全眼的OCT成像，并进行了眼部组织形态参数的精准测量和眼内生理脉动的实时监测。同时，针对干眼、近视眼、白内障眼、隐形眼镜植入眼(Implantable Collamer Lens，ICL)等非正常人眼展开了OCT成像应用研究。具体的研究内容以及创新成果如下:
　　1.设计搭建了基于光纤型迈克尔逊干涉仪的850nm波段的SD-OCT系统。系统轴向分辨率为4.3μm，最大成像深度为7.56mm，最大信噪比为65dB。系统的快速光谱仪基于线阵CMOS探测，能实现最快70kHz的A-scan采集速度。利用该系统可实现生物组织高分辨率实时在体成像。
　　2.提出基于分段光谱光程编码的OCT深度拓展技术。该技术利用二向色镜的分光功能构造两组干涉对，可灵活实现样品内部两段结构信息的并行探测。该方法无需在系统中引入额外的机械运动部件，且无需后期图像融合，是一种经济、稳定、快速的OCT系统成像深度拓展技术。此外，发展振镜载频消镜像技术，使系统实现全量程探测(～15.12mm)，并利用该技术获得了人眼全眼前节（包括晶状体）以及鼠眼全眼的活体OCT图像。
　　3.开展SD-OCT在眼科领域的应用研究:完成屈光介质中OCT图像重构误差的矫正，实现眼生理结构参数的准确测量;开展人眼调节机制研究，准确刻画晶体前表面中央区和旁周的曲率结构变化过程，验证了Helmholtz的调节理论;开展ICL眼的自主调节研究，揭示了自主调节过程中ICL镜片与晶状体间距的变化规律，展示了异于被动调节引起的拱高变化;对鼠眼进行全眼三维成像和全眼水化过程的研究，研究发现眼内水化功能与干眼、白内障、青光眼等眼科疾病关联密切;利用OCT技术无损、高分辨地对鼠眼近视诱导过程进行跟踪和在体评估。
　　4.发展相位敏感型SD-OCT技术。通过优化扫描协议、补偿环境扰动，在0～380Hz大动态范围下实现最小速度0.9μm/s的探测。利用该技术实现了小鼠在体眼前房脉动过程的记录和测速，并监测发现前房的脉动与眼内压的波动十分吻合，均受心跳和呼吸运动的调制。
　　5.开展OCT系统轴向超分辨技术的研究。将超分辨术与OCT固有的相干门有机结合，发展了基于光瞳滤波器的OCT轴向超分辨技术。该方法通过在OCT样品臂中设置三区纯相位型光瞳滤波器，调制系统点扩散函数的变迹，并借助相干门对点扩散函数的旁瓣信息进行抑制，使系统轴向分辨率在实际成像中得到了近21％的提高。

目录

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致谢

摘要

1．绪论

1．1 OCT技术的起源和发展

1．1．1 OCT技术概况与分类

1．1．2 傅里叶域OCT简介

1．1．3 功能型OCT简介

1．2 OCT技术的眼科应用

1．2．1 眼睛结构简介

1．2．2 眼科成像技术对比

1．2．3 OCT眼科应用概况

1．3 论文总体架构和主要创新点

1．3．1 论文总体架构

1．3．2 论文主要创新点

1．4 本章小结

参考文献

2．SD-OCT简介

2．1 SD-OCT成像原理

2．2 SD-OCT系统性能简介

2．2．1 系统分辨率

2．2．2 系统成像深度

2．2．3 系统信噪比

2．2．4 系统成像速度

2．3 本章小结

参考文献

3．SD-OCT系统研制

3．1 光源

3．2 干涉仪主体

3．3 快速光谱仪

3．4 系统控制与数据采集

3．5 系统研制成果

3．6 本章小结

参考文献

4．大量程SD-OCT技术及其眼科应用研究

4．1 基于分段光谱光程编码的大量程OCT探测方法

4．2 基于振镜载频消镜像的全量程OCT技术

4．3 正常人眼调节研究

4．3．1 研究背景

4．3．2 研究方法

4．3．3 图像矫正与测量

4．3．4 实验结果

4．4 ICL眼调节研究

4．4．1 研究背景

4．4．2 研究方法

4．4．3 研究结果

4．5 鼠眼全眼水化过程研究

4．5．1 研究背景

4．5．2 研究方法

4．5．3 研究结果

4．6 鼠眼离焦性近视模型研究

4．6．1 研究背景

4．6．2 研究方法

4．6．3 研究结果

4．7 本章小结

参考文献

5．相位敏感型SD-OCT技术及其眼科应用研究

5．1 相位敏感型OCT技术原理

5．1．1 OCT相位检测技术的发展

5．1．2 基于相位分辨的OCT技术

5．1．3 相位敏感型OCT技术

5．2 相位敏感型OCT技术眼科应用

5．2．1 研究背景

5．2．2 研究方法

5．2．3 研究结果

5．3 本章小结

参考文献

6．OCT轴向超分辨技术研究

6．1 OCT超分辨技术背景

6．2 OCT轴向响应函数

6．3 光学超分辨评价因子

6．4 光瞳滤波器设计

6．5 轴向超分辨实验验证

6．6 本章小结

参考文献

7．总结与展望

7．1 研究内容总结

7．2 研究展望

作者简介