OCT光纤探头的研制与成像应用
发布时间：2021-02-06 22:56
光学相干层析（optical coherence tomography,OCT）是一种无损伤、能获得活体组织和器官的三维结构和/或功能信息的成像手段。与内窥技术结合,OCT能获得人体内部组织和器官的高分辨率断层图像,对生物医学研究有重要意义。OCT探头是内窥OCT系统的核心,但探头的主要光学性能如:横向分辨率、焦深、工作距互相矛盾,在微型探头中尤其突出。本文研究和利用光波在阶跃折射率光纤中的模式干涉,研制适用于OCT的光束优化的光纤探头。本文尝试研究可用于临床应用的小型化、易弯曲、传输效率高、成像质量好的光纤探头,并初步探索其成像应用。此外,本文还研究超声-OCT联合探头,通过探索两种成像模式结合以突破光学成像系统的穿透深度的限制。主要研究内容和创新成果如下:1.研制高传输效率的无透镜光纤探头。在现有的“基于拉锥结构的全光纤OCT探头”的基础上,首次利用大纤芯光纤的基模和高阶模实现无透镜探头的光束调控。推导拉锥段的临界拉锥角,以获得较短的硬端长度同时保持高传输效率。研究拉锥角一定时,拉锥段的长度对大纤芯光纤中模式的调控能力。研究存在两个光纤模式时,拉锥段和大纤芯光纤的长度对输出光束的调...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１低相干干涉仪示意图
于表面轮廓仪／白光??干涉仪，ＴＤ－ＯＣＴ主要对活体生物组织进行断层成像，因此穿透深度和灵敏度至关重要。??在穿透深度方面，ＯＣＴ使用对生物组织更友好的近红外光；在灵敏度方面，ＯＣＴ使用亮??度高、空间相干性好的ＳＬＤ等作为宽带光源。??使用光谱干涉仪探测干涉光谱，无需参考臂扫描也能实现轴向分辨的光回波检测。图??１．２显示的一种基于迈克尔逊干涉仪和光谱仪的示意图。宽带光源原本的光谱是光滑的，??但经过干涉仪后受到正弦调制而呈现为一种沟状光谱（ｃｈａｎｎｅｌｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍ），如图１．２的左??下角所示。该正弦调制正比于／？ｃｏｓ＾Ａ／），其中Ａ为波数，Ａ／和穴分别为光程差和??反射率。由于Ａ／是光谱的调制频率，探测臂的光谱经傅里叶分析就可得到样品臂中不同??位置的反射率。??参考ｆ??宽带光源—????？??分束器ｕ口口??栅??图１．２光谱干涉仪。??基于光谱干涉仪的ＯＣＴ又称ＳＤ－ＯＣＴ。??除了使用光栅等分光元件，获得干涉光谱的另一种方式是使用啁啾光源，其示意图如??图１．３所示。对于啁啾光源，如果我们把它的一个正向扫频周期划分成很多个小区间，那??么它在每个小区间内都可以看成一个时间相干性很好的、但中心频率不同的准单色光源。??如果扫频速率足够慢或两臂的光程差较小，两臂的光程延迟引起的中心频率变化近似为０。??因此通过分时记录一个正向扫频周期内的干涉光强，就能得到完整的干涉光谱。在扫频速??率较快且两臂的光程差较大时，探测臂中双光束的频率差为Ａｖ。因此准确地说，探测器??４??
?１绪论???得到是拍频信号。通过对拍频信号做傅里叶分析同样可以得到位置信息和反射率信息。??参考臂??￣｛１？??Ｉ丨?分束器??啁啾光源?ｕ??ｈ??探测器０?ｍＩＬ??ｋ??图１．３频率扫描干涉仪。??基于频率扫描干涉仪的ＯＣＴ又称为ＳＳ－ＯＣＴ。ＳＤ－ＯＣＴ和ＳＳ－ＯＣＴ被统称为ＦＤ－ＯＣＴ。??ＯＣＴ使用ＬＣ１或光谱干涉仪测量光回波，并结合横向扫描机制获得断层图像和体层??图像。其图像的形成机制如图１．４所示。沿用超声成像的习惯用语，仅由参考镜的轴向扫??描引起的幅度（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）变化信号被称为Ａ－ｓｃａｎ或Ａ－ｌｉｎｅ信号，反映组织局部一线的??信息；在此基础上，按一定轨迹对样本实施横向扫描而获得的二维亮度（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）图被??称为Ｂ－ｓｃａｎ图像，反映组织的剖面信息；在此基础上，利用多幅Ｂ－ｓｃａｎ图像和投影算法??获得的三维图像，反映组织更为直观的立体信息。此外，对相同角度、相同位置的重复扫??描被称为Ｍ－ｓｃａｎ，反映组织中散射体的位移或运动（ｍｏｔｉｏｎ）信息。??１Ｄ?２Ｄ?３Ｄ??Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ?（Ｘ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ＸＹ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ?Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?Ｊ?ｊ?ｊ?ｊ?Ｊ?ｊ?Ｊ?Ｊ?ｊ?????图１．４０ＣＴ形成图像的示意图［１２］。??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]《中国心血管病报告2018》概要[J]. 胡盛寿,高润霖,刘力生,朱曼璐,王文,王拥军,吴兆苏,李惠君,顾东风,杨跃进,郑哲,陈伟伟. 中国循环杂志. 2019(03)
[2]基于拉锥结构的全光纤型内窥光学相干层析成像探针研究[J]. 严雪过,沈毅,潘聪,李鹏,丁志华. 物理学报. 2016(02)
本文编号：3021225
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１低相干干涉仪示意图
于表面轮廓仪／白光??干涉仪，ＴＤ－ＯＣＴ主要对活体生物组织进行断层成像，因此穿透深度和灵敏度至关重要。??在穿透深度方面，ＯＣＴ使用对生物组织更友好的近红外光；在灵敏度方面，ＯＣＴ使用亮??度高、空间相干性好的ＳＬＤ等作为宽带光源。??使用光谱干涉仪探测干涉光谱，无需参考臂扫描也能实现轴向分辨的光回波检测。图??１．２显示的一种基于迈克尔逊干涉仪和光谱仪的示意图。宽带光源原本的光谱是光滑的，??但经过干涉仪后受到正弦调制而呈现为一种沟状光谱（ｃｈａｎｎｅｌｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍ），如图１．２的左??下角所示。该正弦调制正比于／？ｃｏｓ＾Ａ／），其中Ａ为波数，Ａ／和穴分别为光程差和??反射率。由于Ａ／是光谱的调制频率，探测臂的光谱经傅里叶分析就可得到样品臂中不同??位置的反射率。??参考ｆ??宽带光源—????？??分束器ｕ口口??栅??图１．２光谱干涉仪。??基于光谱干涉仪的ＯＣＴ又称ＳＤ－ＯＣＴ。??除了使用光栅等分光元件，获得干涉光谱的另一种方式是使用啁啾光源，其示意图如??图１．３所示。对于啁啾光源，如果我们把它的一个正向扫频周期划分成很多个小区间，那??么它在每个小区间内都可以看成一个时间相干性很好的、但中心频率不同的准单色光源。??如果扫频速率足够慢或两臂的光程差较小，两臂的光程延迟引起的中心频率变化近似为０。??因此通过分时记录一个正向扫频周期内的干涉光强，就能得到完整的干涉光谱。在扫频速??率较快且两臂的光程差较大时，探测臂中双光束的频率差为Ａｖ。因此准确地说，探测器??４??
?１绪论???得到是拍频信号。通过对拍频信号做傅里叶分析同样可以得到位置信息和反射率信息。??参考臂??￣｛１？??Ｉ丨?分束器??啁啾光源?ｕ??ｈ??探测器０?ｍＩＬ??ｋ??图１．３频率扫描干涉仪。??基于频率扫描干涉仪的ＯＣＴ又称为ＳＳ－ＯＣＴ。ＳＤ－ＯＣＴ和ＳＳ－ＯＣＴ被统称为ＦＤ－ＯＣＴ。??ＯＣＴ使用ＬＣ１或光谱干涉仪测量光回波，并结合横向扫描机制获得断层图像和体层??图像。其图像的形成机制如图１．４所示。沿用超声成像的习惯用语，仅由参考镜的轴向扫??描引起的幅度（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）变化信号被称为Ａ－ｓｃａｎ或Ａ－ｌｉｎｅ信号，反映组织局部一线的??信息；在此基础上，按一定轨迹对样本实施横向扫描而获得的二维亮度（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）图被??称为Ｂ－ｓｃａｎ图像，反映组织的剖面信息；在此基础上，利用多幅Ｂ－ｓｃａｎ图像和投影算法??获得的三维图像，反映组织更为直观的立体信息。此外，对相同角度、相同位置的重复扫??描被称为Ｍ－ｓｃａｎ，反映组织中散射体的位移或运动（ｍｏｔｉｏｎ）信息。??１Ｄ?２Ｄ?３Ｄ??Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ?（Ｘ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ＸＹ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ?Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?Ｊ?ｊ?ｊ?ｊ?Ｊ?ｊ?Ｊ?Ｊ?ｊ?????图１．４０ＣＴ形成图像的示意图［１２］。??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]《中国心血管病报告2018》概要[J]. 胡盛寿,高润霖,刘力生,朱曼璐,王文,王拥军,吴兆苏,李惠君,顾东风,杨跃进,郑哲,陈伟伟. 中国循环杂志. 2019(03)
[2]基于拉锥结构的全光纤型内窥光学相干层析成像探针研究[J]. 严雪过,沈毅,潘聪,李鹏,丁志华. 物理学报. 2016(02)
本文编号：3021225
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