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  本文關(guān)鍵詞：干涉光譜型OCT系統(tǒng)光電信息特性模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《天津大學(xué)》 2008年

頻域光學(xué)相干層析成像與組織散射理論研究

龔強(qiáng)  

【摘要】： 光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是上世紀(jì)九十年代初發(fā)展起來的一種新型深度成像技術(shù),它具有高分辨率、無創(chuàng)傷、非接觸測量等特點(diǎn)。該技術(shù)以邁克爾遜干涉原理為基礎(chǔ),光束聚焦射入組織后,用干涉測量法可測量到不同深度內(nèi)部微結(jié)構(gòu)所反射的光的時(shí)間延遲。時(shí)域OCT根據(jù)參考臂與樣品臂的等光程以參考臂的逐點(diǎn)移動(dòng)獲得被測樣品的深度信息。但是,它掃描速度低,不利于它的工程應(yīng)用。近年來,頻域OCT作為一種新的OCT技術(shù)正在逐漸受到研究者們的關(guān)注。它利用背向散射光與參考光的干涉成像實(shí)現(xiàn)深度信號(hào)的單線一次成像,極大提高了系統(tǒng)采集速度。但是,頻域OCT卻不能反映組織的內(nèi)部各項(xiàng)異性信息。偏振OCT利用組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的雙折射特性,不但能夠獲得組織的結(jié)構(gòu)信息,也能同時(shí)獲得組織的相位延遲與快軸信息。從而為OCT的研究開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。 本文首先簡要介紹了光與組織相互作用的基本理論與一些重要光學(xué)參數(shù),并介紹了光在生物組織中的傳播類型。隨后,詳細(xì)介紹了OCT的理論及OCT信號(hào)的特性。在此基礎(chǔ)上,對(duì)光纖頻域OCT系統(tǒng)的成像理論進(jìn)行了詳細(xì)描述。該系統(tǒng)通過使用光譜儀直接獲得背向散射光干涉光譜經(jīng)傅立葉變換獲得深度信息,無需深度掃描。但是,結(jié)果中包含有不需要的噪聲項(xiàng)。因此,使用相位偏移法對(duì)這些噪聲進(jìn)行消除。根據(jù)平均法提出了改進(jìn)的相位偏移法,并對(duì)使用相位偏移法進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)三相位以上的偏移法除具有了二相位法的功能外,還能夠消除虛像。同時(shí),三、四、五相位算法對(duì)PZT的偏移誤差的敏感程度不同,五相位偏移法具有最好的誤差承受能力。 對(duì)Mie散射理論進(jìn)行了研究與計(jì)算并對(duì)光在組織中的偏振模式進(jìn)行了蒙特卡羅仿真。Mie散射將散射過程看作是光與介質(zhì)內(nèi)的散射子相互作用的結(jié)果,每次散射在能量上需要衰減,散射后的方向由散射角和方位角決定,這個(gè)散射過程通過單次散射矩陣描述。本文通過計(jì)算與分析,發(fā)現(xiàn)散射過程以前向散射為主,自然光經(jīng)過散射后主要是部分偏振光。隨后,使用蒙特卡羅仿真對(duì)仿真組織的吸收散射特性進(jìn)行了分析,并對(duì)反映組織特性的密勒矩陣與光的偏振度進(jìn)行仿真。 研制了頻域偏振OCT系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了離體生物組織實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。頻域偏振OCT系統(tǒng)能夠完成高速掃描,屬于頻域OCT。但是它利用偏振理論與生物組織的雙折射特性,在樣品光與參考光進(jìn)行干涉后通過偏振分光鏡獲得光的水平與垂直偏振分量,根據(jù)這兩個(gè)分量獲得生物組織的相位延遲與快軸角度信息并推導(dǎo)出斯托克斯向量與偏振度信息。最后,對(duì)離體生物組織進(jìn)行了成像驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TN27
【目錄】：

摘要3-4

ABSTRACT4-9

第一章 緒論9-19

1.1 光學(xué)相干層析成像的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀9-11

1.2 OCT 與其它成像技術(shù)的比較11-12

1.3 OCT 的特點(diǎn)及分類12-14

1.4 OCT 的應(yīng)用與臨床診斷成果14-16

1.5 本課題的研究意義與內(nèi)容16-19

1.5.1 本課題的研究意義16-17

1.5.2 本課題的主要研究內(nèi)容17-19

第二章 光學(xué)相干層析成像理論19-35

2.1 引言19

2.2 生物組織光學(xué)成像基礎(chǔ)與OCT 信號(hào)特性19-24

2.2.1 光在生物組織中的傳輸理論20-22

2.2.2 光在生物組織中傳播的類型22-24

2.3 經(jīng)典時(shí)域OCT 成像數(shù)學(xué)分析與OCT 信號(hào)特性24-34

2.3.1 經(jīng)典時(shí)域OCT 結(jié)構(gòu)簡介[9]24-26

2.3.2 OCT 信號(hào)特性26-34

2.3.2.1 單次與多次散射光26-29

2.3.2.2 探測深度29-30

2.3.2.3 敏感度30-31

2.3.2.4 散斑31-32

2.3.2.5 分辨率32-34

2.4 本章小結(jié)34-35

第三章 光纖頻域相干層析成像系統(tǒng)的研究35-50

3.1 引言35

3.2 光纖頻域OCT 系統(tǒng)成像研究35-42

3.2.1 光纖頻域OCT 信號(hào)分析36-37

3.2.2 干涉信號(hào)采樣點(diǎn)的轉(zhuǎn)換37-38

3.2.3 光纖頻域OCT 系統(tǒng)的圖像重建38-42

3.3 光纖頻域OCT 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證42-48

3.3.1 光纖頻域OCT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)42-43

3.3.2 光纖頻域OCT 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證43-48

3.3.2.1 系統(tǒng)光路的調(diào)整44

3.3.2.2 系統(tǒng)的測量深度44

3.3.2.3 成像分辨率44-45

3.3.2.4 系統(tǒng)頻率響應(yīng)與動(dòng)態(tài)范圍45-46

3.3.2.5 PZT 相位偏移誤差對(duì)重建圖像質(zhì)量的影響46-48

3.4 本章小結(jié)48-50

第四章 光在組織中傳播的Mie 散射理論研究50-67

4.1 引言50

4.2 光的偏振表示方法50-54

4.2.1 斯托克斯向量——密勒矩陣表示法50-52

4.2.2 瓊斯向量——瓊斯矩陣表示法52

4.2.3 邦加球表示法52-53

4.2.4 斯托克斯向量與瓊斯向量之間的轉(zhuǎn)換53-54

4.3 Mie 散射理論54-59

4.4 Mie 散射理論的數(shù)學(xué)計(jì)算59-65

4.5 本章小結(jié)65-67

第五章 光在均勻介質(zhì)中Mie 散射的蒙特卡羅仿真67-86

5.1 引言67

5.2 單一均勻介質(zhì)中蒙特卡羅對(duì)光傳播的仿真67-75

5.2.1 坐標(biāo)系的選擇68

5.2.2 隨機(jī)變量的采樣68-70

5.2.3 光子傳播規(guī)則的定義70-75

5.2.3.1 光子的發(fā)射70-71

5.2.3.2 光子的步長及其運(yùn)動(dòng)71-72

5.2.3.3 光子在組織中的吸收與散射72-73

5.2.3.4 界面反射與透射73-75

5.2.3.5 光子行為的終止75

5.3 蒙特卡羅仿真中偏振態(tài)及新的相位函數(shù)的引入75-77

5.4 偏振態(tài)求解過程及仿真流程77-78

5.5 光的吸收與散射仿真結(jié)果分析78-83

5.5.1 單層半無限組織的蒙特卡羅仿真79-81

5.5.2 多層組織的蒙特卡羅仿真81-83

5.6 偏振模式仿真結(jié)果與分析83-84

5.7 本章小結(jié)84-86

第六章 頻域偏振OCT 系統(tǒng)的研制86-106

6.1 引言86

6.2 生物組織的雙折射特性86-87

6.3 頻域偏振OCT 的理論分析87-91

6.4 頻域偏振OCT 的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制91-93

6.5 頻域偏振OCT 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析93-104

6.5.1 肌腱組織的偏振成像實(shí)驗(yàn)93-96

6.5.2 肌肉組織的偏振成像實(shí)驗(yàn)96-99

6.5.3 軟骨細(xì)胞的偏振成像實(shí)驗(yàn)99-101

6.5.4 牙齒的偏振成像實(shí)驗(yàn)101-104

6.6 本章小結(jié)104-106

第七章 總結(jié)與展望106-110

7.1 本論文完成的主要工作106-108

7.2 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)108-109

7.3 課題的進(jìn)一步研究與展望109-110

參考文獻(xiàn)110-120

博士期間發(fā)表的論文120-121

致謝121

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9 鄭羽;提高頻域OCT性能的若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2007年

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2 張一三;紫外飛秒激光相干光場空間調(diào)制對(duì)光絲效應(yīng)影響的實(shí)驗(yàn)研究[D];華東師范大學(xué);2011年

3 賈向旭;基于ARM和Internet的家庭移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[D];北京郵電大學(xué);2012年

4 朱水泉;關(guān)于光學(xué)相干層析成像時(shí)域與頻域系統(tǒng)的研究[D];天津大學(xué);2004年

5 李琳;基于ARM的平臺(tái)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)移植[D];天津工業(yè)大學(xué);2006年

6 周巧;光學(xué)相干層析光電探測系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

7 鐘會(huì)清;光學(xué)相干層析成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[D];華南師范大學(xué);2007年

8 朱毅;光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)控制與圖像處理研究[D];暨南大學(xué);2007年

9 王立宇;OCT系統(tǒng)研究[D];長春理工大學(xué);2008年

10 劉昆;基于PXA270的藍(lán)牙視頻終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];北京郵電大學(xué);2008年

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中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 白揚(yáng)博;被動(dòng)鎖模波長可調(diào)諧光纖激光器的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D];天津大學(xué);2012年

【二級(jí)參考文獻(xiàn)】

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2 童銀洪;沈海光;;南珠的質(zhì)量評(píng)價(jià)與檢測方法[J];中國寶玉石;2001年01期

3 張桂才,楊清生;干涉式光纖陀螺的溫度特性研究[J];光電子技術(shù)與信息;2001年01期

4 張 毅,洪建中;反射式光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用及發(fā)展[J];光電子技術(shù)與信息;2002年03期

5 謝樹森，，鄭蔚，黃祿華;激光醫(yī)學(xué)中的組織光學(xué)[J];光電子·激光;1994年02期

6 王新宇,張春平,張連順,薛玲玲,張光寅;光學(xué)相干層析技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J];光機(jī)電信息;2001年09期

7 趙志華,趙宏,朱永凱;光學(xué)相干層析成像(OCT)系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的研究[J];工具技術(shù);2005年01期

8 薛平,陳澤民;光學(xué)相干斷層掃描成像新技術(shù)OCT[J];物理與工程;2001年03期

9 姜發(fā)綱,傅哲強(qiáng),張平;用于眼檢的光學(xué)相干層析成像技術(shù)研究[J];光學(xué)與光電技術(shù);2004年02期

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【相似文獻(xiàn)】

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10 佘守憲,張金維;用等效矩形波導(dǎo)分析橢圓光纖雙折射特性[J];量子電子學(xué);1990年04期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 劉艷格;王志;鄭夕寶;韓婷婷;劉波;張昊;;基于功能材料填充光子晶體光纖的可控雙折射特性及其應(yīng)用研究[A];中國光學(xué)學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)大會(huì)摘要集[C];2011年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 經(jīng)志軍;偏振頻域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)的研究[D];天津大學(xué);2007年

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