基于扫频光学相干层析成像的光纤复合探测技术研究

发布时间：2020-05-07 21:05

【摘要】：光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种无创成像技术,用于对组织等散射介质的截面进行微米级别分辨率的成像。扫频OCT(Swept-Source OCT,SS-OCT)是由频域OCT(Frequency-Domain OCT,FD-OCT)技术演变而来。与传统的时域OCT(Time-Domain OCT,TD-OCT)相比,SS-OCT在成像的分辨率、深度和灵敏度等性能指标上具有明显优势,已成为该领域研究热点,并伴随着生物医学探针的发展使得SS-OCT技术在体内多参量探测成为可能。本论文针对SS-OCT光纤复合探测技术进行了研究,具体的研究内容与主要工作概括如下:(1)基于现有OCT技术的研究成果,以SS-OCT为理论基础,设计并搭建一套SS-OCT系统。该系统光源采用自制扫频光源,在扫频速率2 kHz下中心波长为1300 nm,扫频范围70 nm,输出光功率5.4 mW。该系统性能指标:空气中轴向分辨率为10.65μm,最大成像深度为1.58 mm,系统灵敏度85 dB。利用该系统对叠加玻片成像,且对其结果在成像分辨率、深度和灵敏度方面进行分析研究。(2)研究了SS-OCT系统中光源对成像质量的影响,提出了通过采用组合量子阱SOA(QW-SOA)和量子点SOA(QD-SOA)的方式,研制新型扫频光源的方法。对比研究不同的组合模式,采用并联QW-SOA和QD-SOA的方式能够最有效的扩宽扫频范围,研究了扫频光源在调谐滤波器不同频率的驱动信号下扫频范围,瞬时线宽,平均光功率的变化,为进一步优化扫频光源性能,提高SS-OCT复合探测系统的成像质量提供了参考意义。(3)研究了基于组合型SOA扫频光源的输出特性,由于QW-SOA与QD-SOA相同波段宽带光信号在进行并联耦合时产生的色散衰减对扫频光源的输出特性产生影响,从而降低成像过程中该波段所对应探测的图像质量。针对此问题,提出采用波分复用耦合加光纤延迟线的方法,最大限度的降低了这种衰减对扫频光源输出信号的影响,提高了光源的平坦度。与传统耦合方式对比实验得出,该方法能将耦合过程中6 dB的光信号衰减降低至2 dB。同时,光纤延迟线的使用能够提高光源信号的探测效率。对多层玻片成像实验研究表明,系统轴向分辨率为3.89μm,成像深度约为1.59 mm,系统灵敏度为105 dB。(4)传统SS-OCT技术探测功能单一,无法对体内成像过程中机体的状态实时监测,本论文提出了适合用于多参量探测的SS-OCT复合探针技术。该探针基于三芯光纤(Three Core Fiber,TCF)和光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG),对其工作原理和基本结构进行理论分析,提出了三芯光纤与单模光纤错位熔接结构的Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪,利用紫外激光器和相位掩模法在单模光纤上刻写光栅,研制出具备同时对二维方向弯曲和温度、二维方向弯曲和脉搏、折射率和温度、折射率和脉搏进行探测的复合探针。研究了将三芯光纤的偏芯纤芯和中轴线纤芯分别与单模光纤进行熔接研制出两种复合探针,进行了工作理论模型分析,将复合探针对弯曲度,温度,折射率,脉搏的传感特性进行对比实验研究。实验结果表明,利用三芯光纤的偏芯纤芯与单模光纤纤芯错位熔接研制的复合探针,其弯曲灵敏度是利用中轴线纤芯与单模光纤纤芯错位熔接的复合探针的4倍。(5)研究了探针在SS-OCT复合探测系统中的应用,设计并搭建了SS-OCT复合探测系统的完整结构并对其进行实验研究,提出基于Faraday旋转镜的探测臂增强理论与模型。对比实验表明,系统使用了增强探测臂后,其弯曲度,温度,折射率和脉搏的灵敏度提高了2倍,并且探针透射谱对比度增加约1.5倍,提高了系统的灵敏度和稳定性。进行传感探测的同时,对比研究系统在多层玻片,手指和昆虫翅膀成像,结果表明实际轴向分辨率为4.1μm,成像深度2.4 mm,实现了系统多参量的复合探测。
【图文】：

深度对比,成像技术,分辨率

1-1 几种成像技术分辨率、深度对比图，由于 OCT 受散射光衰减的限制，其成像的分辨率通常为 0.1-1 mm。超声波频率中被吸收程度最小，并能够对探测的组能够提高分辨率，但信号在生物组织中共聚焦显微镜是一种已经成熟应用的成 μm 或更高，成像通常在组织表面进行，在不必要散射光的影响，会显著地降低成像深度受到限制。在大多数生物组织有几百微米。OCT 成像技术的出现弥补[27]。OCT 成像技术的轴向分辨率为 1-2 到 100 倍。在该分辨率下，利用 OCT 成眼睛的透明度可以允许光信号进入视网术是可行的。并且目前在该领域缺乏其

原理图,原理图,参考臂,光信号

OCT（Time Domain-OCT，TD-OCT）采用光纤 Michelson 干涉仪中参考臂端配置扫描参考延迟线。光源输出宽带光，耦合器将光至参考臂和样品臂。参考臂端通过调节反射镜与透镜的距离，使品臂反射回的光信号发生干涉。在此过程中，参考臂的光学延迟透镜的调节需要有先后顺序。当样品臂的透镜调节固定后，，再利迟线进行调节会达到较好的干涉效果。利用探测器将光信号转变行采样，传输至上位机进行编码成像。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253;O439

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