用于生物组织测量的OCT层析扫描技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.8MB 62 页 15积分
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I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.................................................................................................................1
§1.1 光学相干层析（OCT）的发展及特点 ............................................................1
§1.1.1 OCT 的发展 .............................................................................................1
§1.1.2 OCT 的特点 .............................................................................................2
§1.2 光学相干层析（OCT）的应用 ........................................................................4
§1.2.1 OCT 在医学成像与诊断中的应用 .........................................................5
§1.2.2 OCT 在生物组织测量中的其他应用 .....................................................9
§1.3 本课题研究的内容和意义.............................................................................10
第二章 光学相干层析（OCT）的基本原理 .............................................................12
§2.1 OCT 成像原理 .................................................................................................12
§2.1.1 光源信号的频谱分布...........................................................................13
§2.1.2 信号光与参考光的干涉........................................................................15
§2.2 OCT 一些重要性能参数 .................................................................................18
§2.2.1 纵向分辨率............................................................................................18
§2.2.2 横向分辨率...........................................................................................19
§2.2.3 动态范围...............................................................................................19
§2.3 OCT 中的关键器件及技术 .............................................................................20
§2.3.1 光源的选择............................................................................................20
§2.3.2 纵向扫描装置.......................................................................................25
§2.3.3 光电检测部分.......................................................................................29
§2.4 小结.................................................................................................................32
第3章光学相干层析（OCT）系统设计及实验研究 ......................................33
§3.1 系统设计.........................................................................................................33
§3.1.1 光源.......................................................................................................34
§3.1.2 光纤耦合器分束比的选择...................................................................35
§3.1.3 纵向扫描装置.......................................................................................36
§3.1.4 相位调制装置.......................................................................................37
§3.1.5 光电检测...............................................................................................40
§3.2 基于虚拟仪器的锁相放大技术的设计实现.................................................43
§3.2.1 虚拟仪器的意义.................................................................................43
II
§3.2.2 LabVIEW 语言概述...........................................................................46
§3.2.3 基于虚拟仪器的锁相放大技术...........................................................48
§3.3 干涉臂等长技术及 OCT 的成像实验的初步研究 .......................................52
§3.3.1 干涉臂等长技术简介...........................................................................52
§3.3.2 干涉臂等长的实验分析.......................................................................53
§3.3.3 OCT 的成像实验的初步研究 ...............................................................54
§3.4 小结.................................................................................................................54
第四章 结 论...............................................................................................................56
参考文献.........................................................................................................................58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................61
致 谢.............................................................................................................................62
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 光学相干层析（OCT）的发展及特点
§1.1.1 OCT 的发展
各 类 医 学 成 像 技 术 如 X 射 线 计 算 机 断 层 成 像 (X-CT, X-ray Computed
Tomography ) ,超声成像(US，Ultrasonography ) ,磁共振成像(MRI, Magnetic
Resonance Imaging)等，己在医学领域中得到了广泛的应用，成为现代医学诊断
技术的一个显著标志。不同的工作原理决定了这些技术具有不同的分辨率、探测
深度、适用范围和检测部位等。相比之下，X-CT 具有较高的成像深度和分辨率，
但高能量射线的长时间照射会损伤人体健康;超声成像具有相当的探测深度，但
分辨率较低;MRI 可达到亚毫米级的分辨率，但仪器价格过于昂贵。90 年代后，
研究者们将注意力集中到一种具有更高分辨率且对人体无辐射损伤的新型光学
成像检测技术――“光学相干层析成像[1] ” (OCT, Optical Coherence
Tomography )。
OCT 技术是第一种以相干为特性的医学成像技术，其理论基础是早期的白光
干涉测量法，起源于最初用作网络故障检测的光学相干域反射测量技术(OCDR,
Optical Coherence-Domain Reflectometry) [2]。OCDR 原本用于检测光缆的瑕疵，
但不久人们就认识到它具有探测眼睛和其它生物组织的能力。OCT 概念的首次提
出是在 1991 年，美国麻省理工大学的 D. Huang 和 J.G. Fujimoto 等采用 OCT
技术成功地对人眼视网膜的细微结构和动脉壁成像。作为在透明、轻度散射介质
和强散射介质中成像的例证，这一研究使用 830nm SLD 光源的光纤迈克尔逊干涉
仪，达到 1O
m
m
的轴向分辨率。1993 年，演示了人类视网膜的活体光学相干层
析成像。1995 年，开始眼科的临床研究。在短短十余年间，OCT 迅速发展起来，
在分辨率和性能上有了很大的提高，并由此拓展出多种的成像模式，如多普勒
OCT (ODT)、偏振敏感型 OCT (PS-OCT )、光谱 OCT、差分吸收型 OCT、与双光子
荧光或超声结合的 OCT 技术，并在同内窥镜结合的方式中实现了对内部器官的断
层成像。这些不同模式的成像为从微观上更好地观察组织结构，了解其生理功能
提供了手段[3]。
正像其他任何新技术一样，OCT 技术领域的变化非常迅速，十余年来，OCT
作为一种新的成像形式获得了突飞猛进的发展。
国际上有众多的研究机构开展了这方而的研究，除了 OCT 的先驱美国 MIT 电
子工程和计算机科学系 Fujimoto 小组[4]外，美国 A. F. Fercher 小组[5]，香港科
用于生物组织测量的 OCT 层析扫描技术研究
2
学技术大学电子工程系的 J. M. Schmitt 小组，俄国的 A. Sergeev 和美国 R.
Engelhardt 小组，美国 Case Western Reserve University 生物医学工程系的 J.
A. Izatt[6]小组等分别随后的年份中报道了他们的 OCT 系统。各研究小组纷纷在
提高 OCT 的成像速度、探测深度、图像分辨率和信噪比，发展对生物双折射结构
和速度敏感的 OCT 等方面做出了相应的贡献。
国内对 OCT 的研究起步于二十世纪九十年代后期。华中理工学院的曾绍群等
对 OCT 的成像机理和系统传递函数进行了讨论;清华大学对 OCT 进行了
Monte--Carlo 模拟和 OCT 成像实验研究，得到了心血管、植物和小鼠脑组织的
层析图像;中科院上海光机所也研制了 OCT 系统并对荷根藕断面成像;南开大学
的张春平小组用 OCT 做了测量生物组织折射率的研究和对液体中的金属棒的成
像探索。其他正在进行此项研究的主要还有浙江大学、天津大学，上海交通大学
等高校与科研院所[7,8] 。
§1.1.2 OCT 的特点
光学相干层析技术(OCT)是一种全新的成像技术，它能够对活体组织的内部
微观结构进行高分辨率的横断成像。它应用低相干度光源或超短激光脉冲，将光
学相干技术与激光扫描共焦技术相结合起来，利用了相干仪的高灵敏度外差探测
特性，及只有探测光束焦点处返回的光才有最强的干涉信号被探测到，而离开焦
点的散射光不会被探测成像这一激光共焦显微技术的结合，从而获得微米量级的
空间分辨率。OCT 集成了共焦显微的技术和白光相干(低相干干涉技术)优点，是
探测生物组织结构的有力工具，它的纵向和横向空间分辨率均只有几个微米，并
且可以探测到只有
10
10
数量级的光能量信号。
共焦显微技术可以抑制光的漫反射效果，达到清楚显示混浊的生物组织的切
片图像的目的。共焦显微技术可以抑制光的漫反射效果的机理是:来自样品内焦
平面上的光才能在探测针孔平面正确聚焦，从而穿过探测针孔而成像；焦平面以
外区域射来的光线在探测针孔处是离焦的，将被探测针孔滤除。由于排除了离焦
光线造成的图像模糊，这使得它不但能够得到焦平面上的生物组织的高对比度、
高放大率的图像，而且具有亚微米轴向分辨能力，能够实现图像的层析。OCT 是
一种很好的无损伤探测技术，具有很高的动态范围和分辨率，适合于探测各种生
物组织。避免了单一激光扫描共焦显示技术只能用于透明组织，如角膜、皮肤这
一缺点，可以用于探测食道、宫颈、肠道等器官，使医生看到 10 微米大小的组
织，无损伤地了解组织结构及成分。特别值得一提的是光纤光学的发展导致了内
窥镜的产生，它使医生能够直接观察人体内部的器官。它可以用于探测心脏、脑
等以往无法活检的器官和组织，所以，OCT 在医学上被称为“光学活检”。[9]
第一章 绪 论
3
OCT 吸引了工程技术人员和科学家在光子领域研究的原因之一可能在于，它
可能成为第一个通过光学相干原理制成的图像诊断仪器。OCT 的另一个优势在于
它的原理相对简单而且成本相对较低。
相对于其它医学成像技术，它具有探测灵敏度与分辨率高、对活体生物组织
无辐射与损伤、适合对于体内空腔浅表组织的探测、结构相对简单、硬件成本相
对低廉等诸多优点。该技术除了能对透明组织成像外，还可以对非透明组织有效
成像。由于它具有非接触性和非侵入性的特点，因此可在自然条件下进行实时在
体测量，且测试结果与被测对象的热学和机械特性无关。另外通过光学手段的借
用，还可以使成像侧重于不同的测试量，从而多层次地测定生物组织的结构和成
分。
OCT 集中低相干技术和共焦显微镜的双重优势，又辅之以超外差式信号检测
方法使其具有很多优点[10]：
1）非侵入成像：OCT 的成像类似于超声成像的回音波方式，是一种非侵入
的成像方式，OCT 使用的探测光在红外频段，生物组织吸收小，而且光源功率
很小，对生物组织没有任何伤害。
2)高分辨率：强的过滤杂散光能力和宽带光源的低相关长度，使其达到了极
高的探测灵敏度和信噪比以及很宽的动态范围，从而造就了 OCT 系统在组织深部
以超高的分辨率成像的能力; OCT 成像系统使用低相干光源使得其空间分辨率
可以达到 l0
m左右，如果利用锁模激光器可以达到 1
m量级的空间分辨率。
而X射线 CT 或超声成像的分辨率只有几百
m－1mm，核磁共振成像(MRI)的
分辨率只能达到 100
m左右，由此可见，
OCT 成像分辨率是现在常用层析成像
技术分辨率的 10 倍以上。
OCT 技术利用宽带光源的低相干特性，通过测量样品背向散射光的干涉信号
对生物组织的内部微观结构进行高分辨率层析成像。与传统的光学显微镜相比，
OCT 利用宽带光源的弱相干性来抑制背景能量，可获得比传统的超声成像高上
1～2 个数量级的分辨率(
m
m
级)，如图 1.1 所示[11]。
图 1.1 OCT 和超声图像比较
3)探测深度：共焦显微镜，相关门和共焦结构的双重筛选能力，使 OCT 较之
用于生物组织测量的 OCT 层析扫描技术研究
4
共焦显微镜有相对长的穿透深度。
4)速度快：OCT 通过扫描实现成像，最初提出时的扫描速率仅有 1.6mm /s，
经过十年来 OCT 研究者的共同努力，扫描速率己经达到了上百米/秒。以像素个
数为 256×512 的图像为例，成像速度可以达到视频速度，即 24 帧/秒，因此可
以实现以视频的方式直接观看成像结果，满足了实时成像的要求。第三代光、机、
电结合的扫描系统和第四代大数值孔径与面阵 CCD 结合的无横向扫描新技术，使
OCT 成像速度快，可实现生物组织的实时动态成像;
5)体积小：新型宽带光源(如 SLD)的应用及其光纤光学结构，使 OCT 系统可
在很小的体积内被实现，制成便携式仪器:
6)光纤光学结构便于内窥镜设计：用相对便宜的造价可制造结构组成相对简
单，直径只有 1mm 的 OCT 内窥镜。
但光在生物介质中漫散射的特性决定 OCT 不可能具有像超声或 X 线成像那样
的探测深度，它在透明组织中的成像深度被限制在 2cm 左右的范围，而在高散射
组织中更是只有 1-2mm 的成像深度。这个缺点使 OCT 的应用受到局限，好在 OCT
内窥镜的优势在一定程度上弥补了这一缺陷，使 OCT 易于在生物腔内成像，延伸
了其成像范围。
由于生物组织对光的强散射性，OCT 较为适用于体腔浅表组织的成像研究。
有实验表明，在对透明介质，如眼、蛙的胚胎成像时，探测深度可在 2cm 以上，
而对皮肤或其它一些高散射性的组织，只能达到皮下 2mm。因此，作为一种新的
成像技术，OCT 并不会取代超声或者 MRI 等传统的成像手段，而是作为对它们的
强有力补充，发挥着不可替代的作用。在目前的生物医学领域，OCT 该技术已成
为最具潜力的成像诊断技术，被称为新千年的成像形式。
OCT 是基于红外光的探测技术，它是一种高精度实时成像技术，具有无损害，
无需接触的特点，主要适用于多层结构生物组织如视网膜，皮肤组织等。它的最
小分辨率可达 10～20
m
，利用超宽带光源等技术分辨率甚至可以达到 0.5
m
。
目前 OCT 系统己经成功的应用到青光眼研究，神经外科与神经科学研究，皮肤癌
诊断，神经外科指导，癫痫病脊椎手术，提供临床牙科诊断图，牙外科，牙跟，
牙薄膜疾病诊断，密度物质研究等等很多方面。
总的来说，当前 OCT 技术整体的发展趋势是向着更高的成像分辨率、更长的
探测深度、更快的成像速度、更小巧的体积和更低廉的成本的方向，即向着更实
用化、更有竞争力的方向发展。
§1.2 光学相干层析（OCT）的应用
OCT 采用近红外光作为光源，因此不会给人体带来危害。经试验证实，OCT
摘要：

I目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.................................................................................................................1§1.1光学相干层析（OCT）的发展及特点............................................................1§1.1.1OCT的发展...........................................................................

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