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频域OCT成像技术的研究

2008-10-30 21:02阅读:
1.背景、国内外研究现状、意义、目的
1.1背景
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,简称OCT)是一种新型的成像技术,从出现至今尚不足二十年。OCT是基于一维光学相干域反射测量技术,也称为光学低相干反射测量技术(OLCR, Optical Low Coherence Reflectometry)。OLCR最早形成于七十年代,它利用低相干光干涉原理测量反射光的幅度和相对相位,从而获取传输介质的内部信息。OLCR的核心是迈克尔逊(Michelson)干涉仪或马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪,被测样品放在干涉仪的样品臂,扫描光学延迟线位于参考臂。该技术原本主要用于集成光纤器件的特征或瑕疵检测,后来人们发现它在生物组织的研究上亦能发挥显著作用。
1991年,美国的麻省理工学院的J. G.. Fujimoto和D. Huang等人成功地开发一种弹道光成像技术-光学相干层析成像,该技术结合了共焦显微术和低相干光的外差探测技术。其核心是一个采用宽带光源的迈克尔逊干涉仪。通过调整参考光的光程,可以实现参考臂的轴向扫描(又称A-Scan),获取样品的深度层析图像。横向扫描(又称B-Scan)由一系列相邻的轴向深度扫描构成。横向扫描与轴向扫描相结合就可以得到组织样品的断层图像。由此,OCT发展成一种,在一维光学低相干反射测量技术的基础上扩展而来的二维或三维成像技术。
1.2国内外研究现状
技术的完善和创新离不开理论的指导,尽管OCT已有十几年的发展历史,但迄今为止OCT仍主要局限于实验研究领域。
在理论研究方面,对OCT图像的形成机理、组织光学特性对OCT成像的影响、光子多次散射对OCT成像的影响以及共焦系统参数对OCT成像的影响等方面还有待于进一步的深入研究。到目前为止,已经发展了多种OCT数学理论模型,如1993年J. M. Schmitt等人最早提出了单次散射模型,M. Schmitt和A. Knüttle利用互相干函数建立的基于扩展惠更斯-菲涅耳原则的OCT模型,以及D. J.
Smithies等人和后来的G. Yao和L. V. Wang提出的蒙特卡罗模型。这些模型用于解释和理解OCT对高散射介质的成像机制,从而有助于优化OCT系统结构和改善数据处理算法。OCT理论模型经历了从到多次散射、从简单结构到复杂结构的发展过程。
尽管以上这些OCT的数学模型已经能够用于分析一些特殊的问题,但是与系统的实际情况还有很大的差距,相信随着研究的深入,这些数学模型会不断完善和发展。
在实验研究方面,根据成像理论的不同,经典光学相干层析成像技术分为两大类:时域光学相干层析成像(Time Domain Optical Coherence Tomography,简称TDOCT)和频域光学相干层析成像(Spectral-Domain Optical Coherence Tomography,简称SDOCT)。①时域OCT是最典型的OCT系统,对于各种不同的应用具有很强的适应性,但是它也存在两个不足之处,首先它必须实现深度扫描,其次横向扫描必须以逐点的方式进行。这两个不足之处对OCT的高速实时成像非常不利。为了解决这个问题,使用线形或二维探测阵列的并行OCT孕育而生,但是使用CCD探测阵列也存在缺陷,由于CCD传感器所固有的时间积分操作,视频采集速度非常低,基本上无法实现交流耦合技术以及锁相环外差探测;②在频域OCT中,OCT系统仅需要执行横向扫描,而深度方向(A扫描)的全部信息,则通过采集样品臂和参考臂的相干光谱并作傅立叶变换就能得,这就从根本上的提高了采集速度。由于频域OCT能够同时提高信噪比和采集速度,目前许多课题组都把研究的重点放在频域OCT上。
同时,根据OCT的不同功能还可分为:①能够测量组织双折射特性的偏振OCT;②能够对散射粒子进行流速测量的多普勒OCT;③能够测量组织吸收光谱的吸收光谱OCT;④能够对生物组织弹性进行测量的弹性OCT等。应该指出的是,功能OCT都是基于TDOCT 或SDOCT的,只是数据后处理的方法不同或对系统进行了微小的改动。
1.3研究的意义和目的
OCT作为一种全新的光学断层成像技术,是在一维光学低相干反射测量技术的基础上扩展而来的二维或三维成像技术,由于其具有良好的空间定位特性,这使得它的成像深度超过了传统的显微镜和共焦显微镜,并可获得比传统的超声成像高上1~2个数量级的深度分辨率,达到微米量级。因此OCT不但具有无损伤、非侵入的优越特性,还具有空间分辨率高、动态范围大、探测灵敏度高等其他光学层析成像技术所无法比拟的特性,这些特性使得该技术在临床医学领域具有巨大的发展潜力,特别是在眼科、牙科、心血管疾病、胃肠道检查、癌症的早期诊断以及胚胎发育生物学等研究中,都具有重要的应用价值。除此之外,OCT还可以在制药、工业测量等领域中得到应用。

2. 研究方法、创新、难点和预期目标
由于目前采集到的信号信噪比较低,还不能满足进行生物样品实验的要求,因此需要在实验室原有研究基础上,作以下方面的努力:
1) 频域OCT模型是建立在单次散射模型的基础上的,对OCT有贡献的一类散射光子并没有包含多次散射光子。但是很多研究组织都表明OCT信号仅来自单次背向散射光只是一种近似的假设,因为光子在经历有限次散射事件后还可以对OCT信号作出贡献,并描述了OCT信号是所有单次背向散射光和多次散射光的总和。尽管多次散射光能够与参考光部分相干,一阶Born近似却限制了这部分光子精确提供位置信息的能力。这就需要进一步改进频域OCT的理论基础,这是目前一项具有极大挑战性的课题。
2) 进一步完善白光频域OCT系统,白光频域OCT系统的关键是光源的问题,由于高亮发光二极管产生的光不宜准直,空间相干性差,能够参与干涉的能量较小,这些问题都是下面进一步所需要解决的问题。

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