频域光学相干层析成像与组织散射理论研究

发布时间：2016-12-27 10:43

本文关键词：干涉光谱型OCT系统光电信息特性模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

《天津大学》 2008年

频域光学相干层析成像与组织散射理论研究

龚强

【摘要】： 光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是上世纪九十年代初发展起来的一种新型深度成像技术,它具有高分辨率、无创伤、非接触测量等特点。该技术以迈克尔逊干涉原理为基础,光束聚焦射入组织后,用干涉测量法可测量到不同深度内部微结构所反射的光的时间延迟。时域OCT根据参考臂与样品臂的等光程以参考臂的逐点移动获得被测样品的深度信息。但是,它扫描速度低,不利于它的工程应用。近年来,频域OCT作为一种新的OCT技术正在逐渐受到研究者们的关注。它利用背向散射光与参考光的干涉成像实现深度信号的单线一次成像,极大提高了系统采集速度。但是,频域OCT却不能反映组织的内部各项异性信息。偏振OCT利用组织内部结构的双折射特性,不但能够获得组织的结构信息,也能同时获得组织的相位延迟与快轴信息。从而为OCT的研究开辟了一个新的研究领域。本文首先简要介绍了光与组织相互作用的基本理论与一些重要光学参数,并介绍了光在生物组织中的传播类型。随后,详细介绍了OCT的理论及OCT信号的特性。在此基础上,对光纤频域OCT系统的成像理论进行了详细描述。该系统通过使用光谱仪直接获得背向散射光干涉光谱经傅立叶变换获得深度信息,无需深度扫描。但是,结果中包含有不需要的噪声项。因此,使用相位偏移法对这些噪声进行消除。根据平均法提出了改进的相位偏移法,并对使用相位偏移法进行了比较,发现三相位以上的偏移法除具有了二相位法的功能外,还能够消除虚像。同时,三、四、五相位算法对PZT的偏移误差的敏感程度不同,五相位偏移法具有最好的误差承受能力。对Mie散射理论进行了研究与计算并对光在组织中的偏振模式进行了蒙特卡罗仿真。Mie散射将散射过程看作是光与介质内的散射子相互作用的结果,每次散射在能量上需要衰减,散射后的方向由散射角和方位角决定,这个散射过程通过单次散射矩阵描述。本文通过计算与分析,发现散射过程以前向散射为主,自然光经过散射后主要是部分偏振光。随后,使用蒙特卡罗仿真对仿真组织的吸收散射特性进行了分析,并对反映组织特性的密勒矩阵与光的偏振度进行仿真。研制了频域偏振OCT系统并对系统进行了离体生物组织实验验证。频域偏振OCT系统能够完成高速扫描,属于频域OCT。但是它利用偏振理论与生物组织的双折射特性,在样品光与参考光进行干涉后通过偏振分光镜获得光的水平与垂直偏振分量,根据这两个分量获得生物组织的相位延迟与快轴角度信息并推导出斯托克斯向量与偏振度信息。最后,对离体生物组织进行了成像验证。

【关键词】：
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TN27
【目录】：

摘要3-4

ABSTRACT4-9

第一章绪论9-19

1.1 光学相干层析成像的发展历史与现状9-11

1.2 OCT 与其它成像技术的比较11-12

1.3 OCT 的特点及分类12-14

1.4 OCT 的应用与临床诊断成果14-16

1.5 本课题的研究意义与内容16-19

1.5.1 本课题的研究意义16-17

1.5.2 本课题的主要研究内容17-19

第二章光学相干层析成像理论19-35

2.1 引言19

2.2 生物组织光学成像基础与OCT 信号特性19-24

2.2.1 光在生物组织中的传输理论20-22

2.2.2 光在生物组织中传播的类型22-24

2.3 经典时域OCT 成像数学分析与OCT 信号特性24-34

2.3.1 经典时域OCT 结构简介[9]24-26

2.3.2 OCT 信号特性26-34

2.3.2.1 单次与多次散射光26-29

2.3.2.2 探测深度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 本章小结34-35

第三章光纤频域相干层析成像系统的研究35-50

3.1 引言35

3.2 光纤频域OCT 系统成像研究35-42

3.2.1 光纤频域OCT 信号分析36-37

3.2.2 干涉信号采样点的转换37-38

3.2.3 光纤频域OCT 系统的图像重建38-42

3.3 光纤频域OCT 系统实验验证42-48

3.3.1 光纤频域OCT 系统结构42-43

3.3.2 光纤频域OCT 系统的实验验证43-48

3.3.2.1 系统光路的调整44

3.3.2.2 系统的测量深度44

3.3.2.3 成像分辨率44-45

3.3.2.4 系统频率响应与动态范围45-46

3.3.2.5 PZT 相位偏移误差对重建图像质量的影响46-48

3.4 本章小结48-50

第四章光在组织中传播的Mie 散射理论研究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——密勒矩阵表示法50-52

4.2.2 琼斯向量——琼斯矩阵表示法52

4.2.3 邦加球表示法52-53

4.2.4 斯托克斯向量与琼斯向量之间的转换53-54

4.3 Mie 散射理论54-59

4.4 Mie 散射理论的数学计算59-65

4.5 本章小结65-67

第五章光在均匀介质中Mie 散射的蒙特卡罗仿真67-86

5.1 引言67

5.2 单一均匀介质中蒙特卡罗对光传播的仿真67-75

5.2.1 坐标系的选择68

5.2.2 随机变量的采样68-70

5.2.3 光子传播规则的定义70-75

5.2.3.1 光子的发射70-71

5.2.3.2 光子的步长及其运动71-72

5.2.3.3 光子在组织中的吸收与散射72-73

5.2.3.4 界面反射与透射73-75

5.2.3.5 光子行为的终止75

5.3 蒙特卡罗仿真中偏振态及新的相位函数的引入75-77

5.4 偏振态求解过程及仿真流程77-78

5.5 光的吸收与散射仿真结果分析78-83

5.5.1 单层半无限组织的蒙特卡罗仿真79-81

5.5.2 多层组织的蒙特卡罗仿真81-83

5.6 偏振模式仿真结果与分析83-84

5.7 本章小结84-86

第六章频域偏振OCT 系统的研制86-106

6.1 引言86

6.2 生物组织的双折射特性86-87

6.3 频域偏振OCT 的理论分析87-91

6.4 频域偏振OCT 的实验系统的研制91-93

6.5 频域偏振OCT 系统实验分析93-104

6.5.1 肌腱组织的偏振成像实验93-96

6.5.2 肌肉组织的偏振成像实验96-99

6.5.3 软骨细胞的偏振成像实验99-101

6.5.4 牙齿的偏振成像实验101-104

6.6 本章小结104-106

第七章总结与展望106-110

7.1 本论文完成的主要工作106-108

7.2 本论文的主要创新点108-109

7.3 课题的进一步研究与展望109-110

参考文献110-120

博士期间发表的论文120-121

致谢121

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1 张福燕;李志敏;李建阳;郑金华;刘璐;刘静;;OCT定性定量糖尿病黄斑水肿[J];第三军医大学学报;2007年08期

2 余瑞兰,刘勇,王安,李保生;压电陶瓷相位调制器相移系数的测量[J];光电子技术与信息;2004年06期

3 安源,姚建铨,王鹏,何洪;OCT图像散斑的形成机理和消除方法[J];光电子·激光;2003年03期

4 陈思蓉,李刚,相韶华;光相干层析成像中的散斑[J];国外医学.生物医学工程分册;2000年03期

5 王清华;李振华;来建成;贺安之;;随机介质背散射二维Mueller矩阵的数值模拟与分析[J];光学与光电技术;2007年02期

6 来建成;李振华;王清华;贺安之;;生物组织光传输的系统模型及应用[J];光子学报;2007年07期

7 黎永前,朱名铨;相位偏移干涉测量中移相误差补偿技术研究[J];航空学报;2002年04期

8 王志立;董应丽;孔众;郭希让;;OCT对高度近视眼继发黄斑劈裂的诊断价值[J];医药论坛杂志;2007年11期

9 杨莉松,王桂英,徐至展;光学层析成像技术的发展现状[J];激光与光电子学进展;1997年08期

10 丁志华,任洪武,陈忠平,吴兰;位相分辨偏振灵敏光学相干层析术:组织双折射特性的成像与定量分析(英文)[J];激光生物学报;2003年03期

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1 王峰;洪津;杨伟峰;乔延利;;复合线阵推扫偏振成像技术研究及方案设计[J];半导体光电;2006年04期

2 王春林,陈檬,李港,刘晔;钛宝石自锁模激光器谐振腔特性分析[J];北京工业大学学报;2000年02期

3 魏新国;晨晓;宋镜明;;一种新颖的微型化收发一体模块[J];北京航空航天大学学报;2010年08期

4 王江平;苏洋;李玉权;;Faraday效应的磁场传感器光偏振态的演化[J];北京邮电大学学报;2007年05期

5 满丰全;矩阵在光学中的应用[J];滨州师专学报;1997年02期

6 甘桂蓉;罗开基;;界面处反射电磁波与入射电磁波的相位关系[J];江西师范大学学报(自然科学版);2006年06期

7 季光明,胡灿,李雪琴;矩阵光学中变换矩阵的推导[J];成都理工大学学报(自然科学版);2003年01期

8 ;重庆大学教师入选中国资源综合利用协会理事会[J];重庆大学学报(社会科学版);1995年02期

9 岳春敏;韩福利;李志宏;顾国璋;杨进华;;基于面反射偏振解析的物体表面形状测定[J];长春理工大学学报(自然科学版);2007年04期

10 顾国璋;岳春敏;李志宏;杨进华;;透明物体三维重现技术研究[J];长春理工大学学报(自然科学版);2008年01期

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1 吕鑫;蒋卓勤;李迎春;;偏振态的高速实时测量方法的研究[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年

2 缪凯;刘波;林炜;郭澎;王炜男;;光纤干涉仪消光比特性研究[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年

3 陈伟力;王霞;金伟其;;基于偏振双向分布反射函数的红外偏振特性分析[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年

4 徐俊娇;董小鹏;;一种新的光纤电压传感测量方案的分析与实验[A];全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集[C];2007年

5 孙萍;尤秉信;;光学双稳与混沌实验[A];第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集（下册）[C];2010年

6 鲍丙豪;张金卫;肖颖;赵洪利;;Bi_4Ge_3O_(12)晶体光纤磁场传感器的研究[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集（1）[C];2008年

7 周木春;陈延如;赵琦;袁兴起;王昀;;激光制导中偏振态动态检测技术研究[A];第七届青年学术会议论文集[C];2005年

8 程敏熙;何振江;黄佐华;;偏振光斯托克斯参量的测量和应用[A];2006年全国光电技术学术交流会会议文集（B 光学系统设计与制造技术专题）[C];2006年

9 柳继勇;张聘义;肖仁鑫;胡海双;周立钢;;一种偏振红外图像的像素级融合算法[A];2007年光电探测与制导技术的发展与应用研讨会论文集[C];2007年

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2 张勇;布里渊光纤陀螺有源腔关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

3 陈世同;高精度光纤陀螺建模及信号处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

4 孙晶华;提高水下激光成像衬度的方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

5 马丽珍;自由空间量子通信中偏振光子传输和操控的理论与模拟研究[D];中国海洋大学;2010年

6 孙鸣捷;微型投影显示系统中混合光源照明技术和激光散斑消除技术的研究[D];浙江大学;2010年

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8 黄翀;航空场景模拟器的设计与研究[D];华中科技大学;2011年

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6 范圣法;偶氮光敏材料的光学性质及潜在应用[D];华东理工大学;2011年

7 魏祥淦;基于FPGA的高速扰偏器设计[D];北京交通大学;2011年

8 邢鑫鑫;光学相干层析成像系统研究[D];北京交通大学;2011年

9 蔡守东;眼前节时域OCT系统的设计调试与应用[D];福建师范大学;2010年

10 兰宝林;基于电光晶体的光纤偏振态控制系统[D];浙江大学;2011年

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1 吉永星,俎栋林,包尚联;CT机和核磁共振成像(MRI)机之间的比较研究[J];CT理论与应用研究;2000年03期

2 骆清铭,张益哲,曾绍群,吴继东,张伟;光学弱相干层析成像进展[J];CT理论与应用研究;2000年04期

3 郭永康;姚欣;;从迈克耳孙干涉仪到光学相干层析术[J];大学物理;2007年01期

4 安雨飞;林军;山其君;姚益武;徐萍萍;;一种基于偏振原理和FPGA的调光系统设计[J];电子技术应用;2011年01期

5 曾绍群，骆清铭，刘贤德，徐海峰，李再光;OCT纵向图像形成分析[J];电子学报;1996年10期

6 王新宇,张春平,张连顺,薛玲玲,田建国;生物组织折射率测量的一种简便方法[J];光电子·激光;2002年09期

7 代祥松;曾楠;何永红;马辉;;频域偏振敏感光学相干层析系统的研制及应用研究[J];光电子.激光;2008年11期

8 沈彬,张春平,李加,李宁,张光寅;新的生物医学成像技术—光学相干显微术及其应用[J];光电子·激光;1998年02期

9 邵明明;吕乐然;闫大鹏;;基于Cortex-M4内核微处理器的新型智能小车设计与实现[J];硅谷;2012年09期

10 杨姣兰,罗添;傅里叶变换红外光谱分析技术在预防医学领域的应用[J];光谱学与光谱分析;2002年04期

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1 高峰;光学相干层析成像系统的研制[D];四川大学;2005年

2 许棠;生物组织中的光传输及生物组织光学特性参数测量的研究[D];南开大学;2004年

3 张连顺;光与生物组织的相互作用及生物组织光学特性参数测量[D];南开大学;2003年

4 吴开杰;复谱频域OCT快速成像的若干关键技术研究[D];天津大学;2005年

5 王玲;光学相干层析视网膜成像系统研究[D];浙江大学;2008年

6 杨亚良;全场光学相干层析成像研究[D];浙江大学;2008年

7 马振鹤;光谱光学相干层析成像理论与实验研究[D];天津大学;2007年

8 张泰石;频域OCT高速成像若干关键技术的研究[D];天津大学;2007年

9 郑羽;提高频域OCT性能的若干关键技术研究[D];天津大学;2007年

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2 张一三;紫外飞秒激光相干光场空间调制对光丝效应影响的实验研究[D];华东师范大学;2011年

3 贾向旭;基于ARM和Internet的家庭移动视频监控系统[D];北京邮电大学;2012年

4 朱水泉;关于光学相干层析成像时域与频域系统的研究[D];天津大学;2004年

5 李琳;基于ARM的平台设计和系统移植[D];天津工业大学;2006年

6 周巧;光学相干层析光电探测系统研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

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8 朱毅;光学相干层析成像系统控制与图像处理研究[D];暨南大学;2007年

9 王立宇;OCT系统研究[D];长春理工大学;2008年

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1 白扬博;向望华;祖鹏;师晓宙;张贵忠;;基于体光栅的可调谐线型腔双波长掺镱光纤激光器[J];中国激光;2011年11期

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1 李世迎,王一,阴正勤,孟晓红;高度近视眼黄斑视网膜神经上皮层厚度的OCT测量[J];第三军医大学学报;2004年05期

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3 张桂才,杨清生;干涉式光纤陀螺的温度特性研究[J];光电子技术与信息;2001年01期

4 张毅,洪建中;反射式光强调制型光纤传感器的应用及发展[J];光电子技术与信息;2002年03期

5 谢树森，，郑蔚，黄禄华;激光医学中的组织光学[J];光电子·激光;1994年02期

6 王新宇,张春平,张连顺,薛玲玲,张光寅;光学相干层析技术及其在生物医学中的应用[J];光机电信息;2001年09期

7 赵志华,赵宏,朱永凯;光学相干层析成像(OCT)系统调制技术的研究[J];工具技术;2005年01期

8 薛平,陈泽民;光学相干断层扫描成像新技术OCT[J];物理与工程;2001年03期

9 姜发纲,傅哲强,张平;用于眼检的光学相干层析成像技术研究[J];光学与光电技术;2004年02期

10 高峰,牛憨笨;光学CT中的图像重建算法[J];光学学报;1996年04期

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7 李晓璐;黄勇林;;有中心缺陷孔的矩形点阵PCF双折射特性研究[J];光通信研究;2012年03期

8 余守宪,张金维;双包层椭圆光纤和边隧光纤的双折射特性分析:等效矩形芯波导法[J];量子电子学;1993年04期

9 赵恩铭;苑立波;田凤军;杨元元;;熔嵌式多芯中空光纤制备方法及其双折射特性[J];光学学报;2013年02期

10 佘守宪,张金维;用等效矩形波导分析椭圆光纤双折射特性[J];量子电子学;1990年04期

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1 刘艳格;王志;郑夕宝;韩婷婷;刘波;张昊;;基于功能材料填充光子晶体光纤的可控双折射特性及其应用研究[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年

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