谱域光学相干层析成像定量表征皮肤癌组织结构

皮肤癌等疾病的发生严重危害身体健康,为研究皮肤癌组织皮下结构变化与动态监测皮肤癌发生过程对皮肤结构的影响,采用谱域光学相干层析成像(spectral domain optical coherence tomography,SD-OCT)技术研究离体基底细胞癌皮肤组织,建立裸鼠背脊皮翼视窗(dorsal skin fold window chamber,DSFC)黑色素瘤模型.通过层析扫描对病变组织皮下结构进行图像重构,分别获得了皮肤样品一维扫描信号、二维层析图像和三维结构图像.对比分析发现,基底细胞癌皮肤外部形态无明显变化,内部组织存在无散射信号区域,二维层析图像中表现为椭圆形状黑色巢穴.黑色巢穴病灶区位于皮肤表皮下层区域,长度约155.972μm,宽度约150.192μm.同时,通过对DSFC黑色素瘤模型连续11 d的动态监测,发现伴随黑色素瘤细胞的分裂增殖,皮肤表面出现肿瘤状隆起,皮下毛细血管逐渐清晰.在二维OCT图像中,光学系统光束穿透能力受到限制,在肿瘤种植后不同时间节点位置的层析成像深度呈现衰减区域,而且皮肤层OCT信号增强,可能因为黑色素瘤的生长并不断向上侵袭所致.实验结果表明,离体基底细胞癌皮肤组织内部形态发生显著变化,出现无OCT信号黑色病灶区域;裸鼠在体黑色素瘤的动态发展对皮肤组织产生影响,不同的时间节点,皮肤层具有不同的OCT影像表现.该研究为基底细胞癌的诊断和治疗提供了图像和数据依据,同时动态监测黑色素瘤过程也对皮肤癌病变过程研究具有重要意义.

谱域光学相干层析成像量化技术及其在生物组织定量分析中的应用

研究了谱域光学相干层析(SDOCT)成像系统的量化技术,通过量化OCT图像来获得生物组织内部的信息特征对组织光学散射特性进行定量分析。给出并讨论了单次散射模型,具有轴向点散射函数(PSF)的单次散射模型和多次散射模型,利用平均A-scan算法和非线性最小二乘法曲线拟合,研究不同浓度IntralipidTM溶液的散射特性。实验显示,IntralipidTM溶液的散射系数与浓度在1%～10%间基本呈线性关系,验证了具有PSF的单次散射模型比较适用于本文的谱域光学相干层析成像系统。利用该模型对小鼠的新鲜肝脏进行量化研究,得到小鼠新鲜肝脏在波长λ0为1550nm时的散射系数为8.9mm-1。本文的研究为该项技术今后在临床医学上对各种疾病的诊断和治疗奠定了基础。

谱域光学相干层析成像系统的噪音分析

光学相干层析成像(OCT)系统中的噪音特性对图像将产生重要影响,通过理论和SDOCT系统中相关噪音的分析,并经过实验验证了噪音对测量结果的影响.

谱域光学相干层析成像的图像处理

光学相干层析成像(OCT)系统中的噪音特性对图像将产生重要影响,为了获取高质量的OCT图像,引入数字图像技术来处理OCT图像.相关的实验被采集,结果表明,图像质量明显改善.

谱域光学相干层析成像的图像重构

谱域光学相干层析成像是通过对样品后向散射的光谱干涉数据进行相关处理后获得重构图像的技术,因此图像重构是其重要的环节.具体介绍了信号重采样、消除寄生项、灰度图绘制等相关原理与方法,还介绍了对非理想光源的修正补偿方法,并通过实验验证了该方法的可行性.

润滑油膜厚度的光学相干层析成像测量

为了对滑动轴承的润滑油膜厚度进行精确测量,搭建了光纤结构的谱域光学相干层析成像(OCT)检测系统。该检测系统通过谱域OCT对油膜进行高分辨率成像,根据一维深度图像和二维层析图像中油膜和轴承表面的相对位置得到油膜厚度。分析了SD-OCT的检测原理,并对油膜厚度进行了测量,通过干涉光谱解耦法减小噪声对测量结果的影响。实验结果表明,该系统的测量误差小于2μm,具有良好的重复性和可靠性。该测量方法能够对油膜进行快速准确测量,有望应用于机械设备轴承运行状况的在线监测。

基于光学相干层析成像技术的薄膜厚度测量

为了对薄膜厚度进行测量,采用白光谱域光学相干层析成像的测量方法,进行了理论分析和实验验证,对以玻璃为基片的单层和多层薄膜样品进行了层析成像实验,获得了样品的2维层析图像。结果表明,该系统不仅能显示薄膜样品内部的微观结构,而且能从2维层析图像中得到单层和多层薄膜的厚度(分别为68μm和30μm),测量值与理论值相吻合,从而验证了测量理论正确性。该系统具有较高分辨率,可实现快速成像,满足实际工业测量需要。

基于复数主从光学相干层析成像相位信息的离散界面快速定位方法

鉴于谱域光学相干层析成像(spectral-domain optical coherence tomography,SD-OCT)系统通常存在非线性采样与色散失配等问题,需要额外的数据处理步骤.此外,所需要的成像区域往往是整个成像区域的一小部分,对于整个成像区域的计算带来了算力资源浪费,而且在离散界面的定位方面,有限的轴向分辨率下亚像素偏差的存在限制了界面的测量精度.针对以上问题,本文提出了一种基于复数主从(complex master slave,CMS)OCT相位信息的离散界面快速定位方法.联合谱域与深度域的相位信息,精确求解CMS-OCT的重建模板,并利用CMS-OCT的相位信息,实现高精度的光程差检测与离散界面定位.最后,通过精密光学量规和光学透镜离散界面实验验证了所提出方法能够在快速定位的同时,保持较高的分辨率和稳定性.本文所提出的方法有效地解决了SD-OCT系统的非线性采样与色散失配问题,实现了局域范围内的高精度界面快速定位,有望促进SD-OCT在光学透镜离散界面测量方面的应用.

利用光学相干层析血管造影成像对老年性黄斑病变血管密度量化研究

人体血液微循环系统包含了微小动静脉之间的血液循环。当微循环的结构与功能发生变化,人体相对应的组织结构也会产生相对应的变化或发生一定的反应。因此,通过观察人体组织微循环变化,可以为疾病的早期诊断以及预防提供参考。本文通过谱域光学相干层析成像系统获取视网膜血管造影图像,然后利用Image J软件对图像进行后续处理,对病变区域血管密度参数进行定量分析,从而查找出了病变区域血管密度相对于正常区域的差异性。不同病变区域或病变程度不同,血管密度具有相应的差异性;同时也获取了脉络膜毛细血管图像,表征了病变区域的脉络膜毛细血管的异常性。研究结果为临床诊断、随访、鉴定等方面提供具有重要参考价值的参数。

谱域光学相干层析成像中深度分辨相位误差提取及补偿

提出了一种在谱域光学相干层析成像(SDOCT)中提取随深度变化的相位误差及补偿该误差的方法。对被测样品的干涉谱作加窗傅里叶变换,得到一幅二维深度-频谱图。样品不同界面对应的干涉谱因加窗傅里叶变换的时频特性而被分离开。对各干涉谱相位分别进行多项式拟合,得到一组随深度变化的相位误差分布。将该深度相位误差分布作为补偿因子实现精确补偿。该方法不仅可完成对多个介质层构成的复杂样品的色散补偿,还可以实现对由于波数采样不均引起的随深度非线性变化的相位误差的补偿。仿真实验和对四层盖玻片样品及人体指甲盖的实验结果表明,该方法能简单精确地补偿系统随深度变化的相位误差,有效地抑制因相位误差导致的系统纵向分辨率随深度的恶化,改善成像质量。

谱域OCT成像系统在口腔组织检测中的应用

基于谱域光学相干层析术理论设计并搭建了一套便于集成化的光纤式谱域OCT系统,其纵向分辨率为7.3μm,横向分辨率为9.5μm,在空气中的成像深度为3.14 mm。该系统通过干涉光谱来获得样品的深度信息,实现数据的高速采集。利用该系统对口腔内唾液腺导管内壁的组织形态进行了研究,并将得到的OCT图像与相对应的病理切片图片进行了比较。实验结果表明,采用研制的系统可以获得腮腺导管内壁组织的层析结构。该项研究对临床医学上的口腔唾液腺疾病的无创检查和早期诊断具有指导意义。

谱域光学相干层析系统轴向分辨率提高方法

在谱域光学相干层析成像系统中,宽带光源的群速度色散会降低系统的轴向分辨率,导致成像分辨率和对比度的下降。分析了色散对谱域光学相干层析成像系统轴向分辨率的影响,提出了一种基于光谱校正的轴向分辨率提高方法,通过三步阈值迭代进行光谱坐标的二阶系数拟合,得到校正后的光谱数据并进行深度位置信息解调。以单层薄玻璃片和西红柿表皮组织为测量样品进行了谱域光学相干层析成像实验,结果表明,该方法与现有方法相比,能够有效补偿色散对系统轴向分辨率的影响,可将轴向分辨率有效提高10μm,得到分辨率更高的二维扫描层析图像,该方法对于不同测量样品具有普遍适用性。

眼轴及眼前节SS-OCT一体化成像系统

针对现有眼轴测量仪器无法同时实现大量程眼轴测量及眼前节成像的功能,设计了眼轴和眼前节同步测量的大量程扫频光学相干层析成像系统。该系统通过设计大量程扫频光源增加成像深度,并在外部设计搭建标定光路进行k域重采样以提高大量程干涉范围内的成像质量,从而在获取高精度眼轴信息的同时对眼前节成像;针对该系统OCT图像信噪比较低的问题,文中采用基于各向异性滤波的保边去噪算法对图像中的散斑噪声进行抑制以提高图像对比度。系统分别使用等比例人眼模型和离体鱼眼进行成像实验,实验结果表明:该系统成像深度可达到69 mm,在精准测量眼轴纵向五层结构的同时完成12 mm范围内的眼前节横向扫描,眼轴长度平均测量误差0.04 mm,成像时间约为0.45 s,满足临床医学应用中实时性的要求。

谱域OCT系统设计与实验研究

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种非侵入、非接触的新型光学成像技术,利用生物组织的后向散射光与参考光之间的弱相干实现结构成像,具有高灵敏度、高分辨率、成像速度快等特点。本文设计了一套基于LabVIEW软件平台下的谱域OCT成像系统,并对系统进行了测试与实验研究,验证了系统的可靠性与准确性。

超宽带光源频谱域相干层析术的光谱标定方法

基于超宽带光源频谱域相干层析术,提出一种适用于实际系统的多普勒频移标定方法。该方法先用光路模块整体运动替代传统的平面镜运动,使标定方法适用于实际情况,然后在运动中采集一系列随时间变化的光谱,最后通过傅里叶变换分析光谱分布范围。结果表明,相比于传统标定方法,所提标定方法拥有更高的精度,系统轴向分辨率提高了0.34μm,在实际生物组织成像中有更好的成像效果。

并行频域OCT图像预处理系统

鉴于传统的时域光学相干层析成像(TDOCT)扫描过程复杂以及基于计算机的数据处理系统速度低,设计了基于ADI公司的双核、高速视频处理芯片ADSP-BF561的并行频域OCT(PSDOCT)图像预处理系统,无需横向和轴向扫描直接得到二维层析图像。实验结果表明:基于实序列IFFT算法、插值查表取模算法、双核并行处理技术及流水线处理技术的软件设计提高了系统的图像处理速度。该系统对横向扫描宽度为2.5mm的1帧图像(180×512)进行处理需要的时间约为9ms,轴向分辨率和横向分辨率分别达到17.4μm、14.1μm,灰度值误差为0.205%。满足实时精确成像的要求。

基于特征谱线与约束拟合相位的绝对波数标定方法

谱域光学相干层析成像(spectral-domain optical coherence tomography,SD-OCT)系统中普遍存在波数域的非线性采样问题.为实现常规快速傅里叶变换算法下离散界面的精确定位与OCT图像的高质量重建,需要解决光谱仪中离散采样点绝对波数的精确标定问题.本文提出了一种基于精确光程差下特征谱线与约束拟合相位的绝对波数标定方法,在谱域OCT系统的样品臂中,使用具有精确厚度差异的金属量规,获得特征谱线对应的绝对相位值,进一步精确求解出特征谱线对应的相位包裹次数,克服了常规干涉光谱相位方法中普遍存在的2π歧义,结合窗口约束条件下高信噪比区域的拟合相位,实现光谱仪采样点绝对波数的精确标定.通过全面比较本文方法与传统插值重采样方法在离散界面定位、轴向分辨率以及图像重建质量等方面的差异,验证了本方法的显著优势.