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.

谱域光学相干层析系统的色散补偿技术研究

对谱域光学相干层析系统(SD-OCT)采用色散补偿方法进行优化,是提高系统成像质量的重要方式。本文提出了一种基于数值多项式拟合的色散补偿方法。该方法通过提取干涉信号的相位并解包裹,利用数值多项式对解包裹后的相位进行拟合,然后根据拟合出的高阶色散因子对干涉信号做相位补偿。本文利用SD-OCT系统测量出不同光程差位置处的轴向分辨率和信噪比,通过比较分析色散补偿前后系统的轴向分辨率及信噪比,来验证该方法的有效性和可靠性。结果表明,本文设计的色散补偿技术可以使系统具有良好的轴向分辨率,三阶多项式拟合相位的色散补偿方法在约1.5 mm的成像深度范围内有明显的优化效果。

基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像

提出了一种基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像方法,由干涉光谱计算样品相邻两点的相位差,得到样品表面相位差分图,经过积分,重建样品表面形貌的定量分布.当相邻两点相位差的绝对值小于π,不产生相位包裹,避免了目前的干涉法相位解包裹存在的问题,将干涉法相邻两点相位差绝对值的限制条件由目前的π扩大到2π,提高了干涉法表面形貌成像的适用范围.参考面和样品置于同一平台之上,消除环境干扰及系统振动的影响,噪声幅度小于0.3 nm.通过对光学分辨率片及表面粗糙度标准样板的表面形貌成像,对本方法进行了验证,系统的轴向分辨率优于1 nm.

基于谱域光学相干层析系统中光谱涨落的指纹获取

指纹因其特异性和稳定性等特点而被称为"证据之首",在案件侦破中起着极其重要的作用。多种物理学、化学和光学技术都可以用于获取现场遗留的指纹,然而这些方法存在一些缺点,如会对指纹造成破坏、潜在的毒副作用、在现场留有痕迹等。利用谱域光学相干层析(spectral domain optical coherence tomography,简记为SD-OCT)技术进行指纹探测具有非接触、对指纹无损伤和高灵敏度的优势,利用OCT系统的相位敏感性我们可以在低对比条件下再现遗留在物体表面的指纹,但处理结果受指纹所在表面高低起伏影响,使得指纹信息对比度降低,难以被分离和提取。本文提出了一种基于干涉光谱涨落的指纹获取方法,只需对OCT系统得到的干涉光谱的涨落进行处理分析,即可得到遗留在物体表面的指纹图案,不需进行相位和表面轮廓高度的求取,算法简单、处理速度快,处理结果不受样品表面高低起伏的影响。实验结果表明,在起伏表面上,使用该方法也能较好地显现遗留在物体表面的指纹图案。

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.

基于谱域光学多普勒层析技术的绝对速度测量

谱域光学多普勒层析(ODT)技术相对于传统的时域ODT技术,具有更快的成像速度和更大的测速动态范围。发展了基于谱域ODT技术的绝对速度测量方法,该方法综合运用多普勒频移和多普勒展宽信息实现多普勒夹角的确定,进而实现流体绝对速度的测量。给出了谱域ODT中计算多普勒频移和多普勒展宽的理论分析,并对毛细玻璃管内聚苯乙烯小球水溶液的流速进行了实际测量,实验结果和期望值能很好吻合。最后展示了该方法在老鼠脑部血管流速测量中的应用。

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。

基于谱域相干的细胞动态检测技术

将谱域光学相干层析技术(Spectral-domain Optical Coherence Tomography,SD-OCT)应用于细胞膜厚的动态检测,引入了光谱干涉测量方法,通过对干涉光谱信号进行离散傅里叶变换得到表示物体深度位置信息的光程差信号。搭建了一套SD-OCT测量系统并设计了专门用于细胞检测的样品平台,检测精度达到μm量级,信噪比达70 db,是一种快速、实时、非接触的细胞分子膜厚动态检测技术。

一种用于小血流速度测量的优化多普勒谱域光学相干层析术

提出一种能够有效提高组织中小血流成像质量的优化多普勒光学相干层析术(DOCT)。该方法通过利用谱域光学相干层析术(SDOCT)在同一横向位置对相邻和隔行A扫相位差求平均的方法来实现。介绍了该方法的理论原理,并且通过血管模拟实验验证了其可行性。在模拟实验中,通过改变脂肪溶液在毛细玻璃管中的流速,利用传统相位方法和本文提出的方法分别对速度进行测量,然后分别计算速度的平均标准差并进行比较。对老鼠耳朵的血流进行活体测量,再分别利用两种方法进行多普勒速度图像的重构。实验结果证明,在小血流速度测量方面,本文提出的方法能够在不增加相邻A扫时间间隔的情况下,有效地抑制由于系统相位不稳定而引起的相位噪声,从而提高血流速度图像的信噪比和测量精度。

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。

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。

视网膜脱离术后亚临床性视网膜下液的光学相干断层扫描特征

目的探讨孔源性视网膜脱离术后亚临床性视网膜下液的黄斑区光学相干断层扫描(optical coherence tomography,OCT)表现。方法对孔源性视网膜脱离巩膜扣带术后临床视网膜复位但视力恢复不佳或有视物变形症状患者19例21眼,应用3DOCT在其黄斑部行范围为6mm×6mm×1.7mm、分辨率为512×128的三维扫描检查。分析患者黄斑部的OCT表现,包括中心凹神经上皮厚度、神经上皮脱离情况、感光细胞内外节(inner segment/outer segment,IS/OS)结合部情况等。结果 3DOCT检查显示15眼存在黄斑区亚临床性视网膜下液,均为术前黄斑脱离的患者。其中14眼神经上皮的IS/OS结合部反光信号完整且增厚增强,2眼可见中心凹外色素上皮层的高反射隆起,2眼可见视网膜前膜反射信号。15眼中,7眼神经上皮断续脱离。7例患者进行了多次OCT随访,时间为术后3～12个月,神经上皮脱离最终全部消失,最佳矫正视力恢复到0.7～1.2。结论 3DOCT能发现临床视网膜复位患者的亚临床性视网膜下液并确定脱离范围,大多数患者表现为神经上皮浅脱离,IS/OS结合部反光信号完整且增厚增强。

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.

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。

基于相位敏感谱域光学相干层析术的潜指纹获取方法

本文提出一种基于相位敏感谱域光学相干层析术(spectral domain optical coherence tomography,SD-OCT)的遗留指纹获取方法,该方法具有非接触、无损、快速和高灵敏度优势.实验结果显示,即使在低对比度条件下,本方法也能较好地再现遗留指纹,证明相位敏感谱域光学相干层析术可以准确、可靠地识别潜指纹.

光学多普勒层析术在脑微循环研究中的应用

光学多普勒层析(optical Doppler tomography,简称ODT)技术为检测微米级血管的血流速度提供了一种新的手段.以颅脑开窗的大鼠为实验模型,以电刺激和药物刺激为手段,基于自行研制的ODT系统实时检测大鼠脑部感觉皮层细动脉的血流速度变化.实验结果表明,利用ODT可以观察到血流速度在刺激组和对照组之间的显著变化,因而证明了ODT用于脑微循环研究的可行性.较传统的超声多普勒技术,ODT具有更高的空间分辨率,在脑微循环研究尤其是微米级血管的血流速度观察方面,具有重要的应用前景.

无机械扫描谱域光学相干层析术研究

为提高光学相干层析术(OCT)系统成像速度,借助成像光谱仪,以钨灯为非相干光源,采用柱面镜聚焦,搭建了迈克耳孙干涉仪结构的无扫描装置谱域OCT系统。介绍了系统结构和工作原理,对待测样品进行了层析成像实验,分析了系统的成像特性,利用中值滤波的方法消除背景噪声,获得了样品的二维层析图像,与点扫描光纤型OCT的成像速度进行了比较。研究表明,无扫描装置谱域OCT系统在8mm宽度范围成像时,其数据采集速度比传统点扫描方式约快2个数量级。