用于生物成像的oct技术实验研究
: 光学相干断层成像（OCT）是一种非接触、无损伤的现代光学检测手段,可以实现微米量级的分辨率。本毕业设计研究了基于光谱仪的SD-OCT系统的系统灵敏度和光源功耗使用效率。数值模拟显示，通过将迈克耳逊干涉仪的检测和光源臂通过光纤环行器组合在一起，并选择分光比大于 1.0的分束器，在不损失系统灵敏度的前提下，可以大大降低OCT系统对光源功率的要求。 并且，参考臂中浪费的光能达到最小化。 进一步分析表明，该方法优化的OCT成像系统的信噪比高于经典的SD-OCT系统。 当光源功率为1.38 mW时，测量得到的SD-OCT的灵敏度为98.56 dB。 我们利用鸡的气管进行了相关实验研究。关键词: 光学相干断层扫描仪,仪表仪器,医学光子学
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外研究历史与现状 1
1.3 本文研究的主要内容 3
2 谱域SDOCT的实验原理 4
2.1 基本理论 4
2.2系统分辨率 6
2.3系统灵敏度 6
3 谱域SDOCT的系统的理论分析的实验方法 7
3.1系统参数的数值模拟 7
3.2 系统损耗和耦合器关系的数值模拟 10
4 谱域OCT系统实验设计 11
4.1OCT干涉仪结构 11
4.2电子控制与数据采集 14
4.3实验系统软件 15
5 谱域OCT实验结果 16
5.1 系统参数测量 16
5.2系统灵敏度实验 19
5.3生物样品实验 19
总结 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 课题背景及意义
光学生物医学成像方法主要包括传统的光学显微术、荧光成像、非线性成像、近场显微镜和基于干涉的成像方法等。传统显微镜主要通过透镜系统把微小样品放大，其空间分辨率受光的衍射极限限制，与照射光的波长有关。与上述的成像方法不同,相干域光学成像方法主要利用光的干涉获得样品的信息，可以分为两类：(1)基于干涉仪的方法，如全息和光学相干层析成像技术 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
,（2）基于光散射或者激光散斑的方法，如扩散光子密度波层析成像。全息技术利用干涉原理记录物体光波信息，在相干光照明下，参考光和被摄物体的反射或透射光发生干涉，干涉条纹记录了被摄物体反射或透射光的强度和相位。当用相干光照射全息图时，就能重现出物体的图像。而层析成像术利用光在生物组织等散射介质中传播时候的性质进行成像。当一个强度调制光源在生物组织中传输时将产生一个具有确定相位、幅值衰减的光能密度波，因此只需要对光源进行射频强度调制，通过测量出射光的光强及其与入射光之间的相移和幅度比值，就可得到相应的非均匀生物组织的光学特性参量，从而对非均匀生物组织进行成像。
近年来,生物医学光学检测技术取得了很大的发展。医学临床上常用的断层成像技术，如CT、MRI、B 型超声等，因为分辨率不够，无法对人眼的精细结构进行成像检测。OCT技术是继X 射线、CT、MRI、超声诊断之后迅速发展起来的一种新的医学成像分析手段。它集成了半导体激光、光学工程和计算机图像处理等技术，实现了对人体进行非接触、非损伤性的活体形态学检测，可获得生物组织内部微观结构的横断面图像,分辨率在5～10 微米。
1.2 研究历史与现状
1990年，麻省理工学院林肯实验室加入了OCT研究发展合作。麻省理工学院林肯实验室专门研究先进的美国国防部技术，其团队在最先进的光纤网络和卫星间光通信中运行程序。在学术研究的背景下，通信卫星需要更先进的工程和严格的设计。该团队认识到光纤的实现提供了优势，克服了与大量光学相关的校准问题，同时也使导管和内镜进入人体内部。第一个OCT图像需要几分钟来获得由100个a扫描组成的b扫描。卫星通信和光纤网络技术，可用于OCT:高灵敏度的干涉型接收机，光纤实现，和电流测量波束转向装置。利用这项技术，他们了成像速度100倍，创造了一个紧凑和稳定的光纤基础设计。这台仪器从a减少了1m2的桌子到一个19英寸宽的单位。病人接口被设计在一个裂隙灯和扫描仪旋转OCT梁,可见瞄准光束,对准进入一个大的视网膜区域(图1)。
图1.1 第一个OCT视网膜成像样机。患者接口是围绕一个小灯的生物显微镜设计的。
1993年，Swanson 等研究人员第一次获得了活体视网膜图像，其中包括Michael Hee，当时的博士生和Joseph Izatt，当时是博士后。麻省理工学院的研究使用的原型，它有一个高速扫描延迟(160毫米/秒)使快速图像采集和实时显示，包括软件校正的轴向眼球运动。图2显示了一种以840nm波长的15微米轴向分辨率的人体视网膜图像。神经纤维层和其他建筑特征可以通过比以前更高的分辨率来可视化。在前房的活体图像中，该小组，Izatt等[20] 也在不久之后展示了结果，但是最终的临床应用尚不清楚。
图1.2 第一个在体内OCT图像的正常视网膜。
1.3 本文研究的主要内容
本论文的研究对象是SDOCT成像系统及技术,主要研究内容根据研究和制作的过程，可分成以下几个章节：
：绪论(如上)。
：谱域SDOCT的实验原理。该部分介绍了谱域SDOCT的基本理论，然后是系统分辨率的介绍，谱域SDOCT的系统分辨率与其他分辨率不一样，它分为横向分辨率和轴向分辨率，并且2个分辨率大不相同。最后介绍的是系统灵敏度，这是该实验过程中较难矫正的部分，精密仪器的灵敏度都比较高，本实验中所用的光纤口径仅有3微米。
第三章：谱域SDOCT的理论分析的实验方法。这部分先进行了采样功率一定时系统参数的数值模拟，将经典的OCT系统与我们设计的OCT系统进行模拟比较，用以证明我们所设计系统的长处。其次进行了光源功率一定时系统损耗和耦合器关系的数值模拟，进一步证明我们的系统的较与经典系统的优点。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外研究历史与现状 1
1.3 本文研究的主要内容 3
2 谱域SDOCT的实验原理 4
2.1 基本理论 4
2.2系统分辨率 6
2.3系统灵敏度 6
3 谱域SDOCT的系统的理论分析的实验方法 7
3.1系统参数的数值模拟 7
3.2 系统损耗和耦合器关系的数值模拟 10
4 谱域OCT系统实验设计 11
4.1OCT干涉仪结构 11
4.2电子控制与数据采集 14
4.3实验系统软件 15
5 谱域OCT实验结果 16
5.1 系统参数测量 16
5.2系统灵敏度实验 19
5.3生物样品实验 19
总结 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 课题背景及意义
光学生物医学成像方法主要包括传统的光学显微术、荧光成像、非线性成像、近场显微镜和基于干涉的成像方法等。传统显微镜主要通过透镜系统把微小样品放大，其空间分辨率受光的衍射极限限制，与照射光的波长有关。与上述的成像方法不同,相干域光学成像方法主要利用光的干涉获得样品的信息，可以分为两类：(1)基于干涉仪的方法，如全息和光学相干层析成像技术 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
,（2）基于光散射或者激光散斑的方法，如扩散光子密度波层析成像。全息技术利用干涉原理记录物体光波信息，在相干光照明下，参考光和被摄物体的反射或透射光发生干涉，干涉条纹记录了被摄物体反射或透射光的强度和相位。当用相干光照射全息图时，就能重现出物体的图像。而层析成像术利用光在生物组织等散射介质中传播时候的性质进行成像。当一个强度调制光源在生物组织中传输时将产生一个具有确定相位、幅值衰减的光能密度波，因此只需要对光源进行射频强度调制，通过测量出射光的光强及其与入射光之间的相移和幅度比值，就可得到相应的非均匀生物组织的光学特性参量，从而对非均匀生物组织进行成像。
近年来,生物医学光学检测技术取得了很大的发展。医学临床上常用的断层成像技术，如CT、MRI、B 型超声等，因为分辨率不够，无法对人眼的精细结构进行成像检测。OCT技术是继X 射线、CT、MRI、超声诊断之后迅速发展起来的一种新的医学成像分析手段。它集成了半导体激光、光学工程和计算机图像处理等技术，实现了对人体进行非接触、非损伤性的活体形态学检测，可获得生物组织内部微观结构的横断面图像,分辨率在5～10 微米。
1.2 研究历史与现状
1990年，麻省理工学院林肯实验室加入了OCT研究发展合作。麻省理工学院林肯实验室专门研究先进的美国国防部技术，其团队在最先进的光纤网络和卫星间光通信中运行程序。在学术研究的背景下，通信卫星需要更先进的工程和严格的设计。该团队认识到光纤的实现提供了优势，克服了与大量光学相关的校准问题，同时也使导管和内镜进入人体内部。第一个OCT图像需要几分钟来获得由100个a扫描组成的b扫描。卫星通信和光纤网络技术，可用于OCT:高灵敏度的干涉型接收机，光纤实现，和电流测量波束转向装置。利用这项技术，他们了成像速度100倍，创造了一个紧凑和稳定的光纤基础设计。这台仪器从a减少了1m2的桌子到一个19英寸宽的单位。病人接口被设计在一个裂隙灯和扫描仪旋转OCT梁,可见瞄准光束,对准进入一个大的视网膜区域(图1)。
图1.1 第一个OCT视网膜成像样机。患者接口是围绕一个小灯的生物显微镜设计的。
1993年，Swanson 等研究人员第一次获得了活体视网膜图像，其中包括Michael Hee，当时的博士生和Joseph Izatt，当时是博士后。麻省理工学院的研究使用的原型，它有一个高速扫描延迟(160毫米/秒)使快速图像采集和实时显示，包括软件校正的轴向眼球运动。图2显示了一种以840nm波长的15微米轴向分辨率的人体视网膜图像。神经纤维层和其他建筑特征可以通过比以前更高的分辨率来可视化。在前房的活体图像中，该小组，Izatt等[20] 也在不久之后展示了结果，但是最终的临床应用尚不清楚。
图1.2 第一个在体内OCT图像的正常视网膜。
1.3 本文研究的主要内容
本论文的研究对象是SDOCT成像系统及技术,主要研究内容根据研究和制作的过程，可分成以下几个章节：
：绪论(如上)。
：谱域SDOCT的实验原理。该部分介绍了谱域SDOCT的基本理论，然后是系统分辨率的介绍，谱域SDOCT的系统分辨率与其他分辨率不一样，它分为横向分辨率和轴向分辨率，并且2个分辨率大不相同。最后介绍的是系统灵敏度，这是该实验过程中较难矫正的部分，精密仪器的灵敏度都比较高，本实验中所用的光纤口径仅有3微米。
第三章：谱域SDOCT的理论分析的实验方法。这部分先进行了采样功率一定时系统参数的数值模拟，将经典的OCT系统与我们设计的OCT系统进行模拟比较，用以证明我们所设计系统的长处。其次进行了光源功率一定时系统损耗和耦合器关系的数值模拟，进一步证明我们的系统的较与经典系统的优点。
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