基于OCT的人工皮肤在线监测与量化分析研究
发布时间：2021-11-15 01:52
光学相干层析（Optical Coherence Tomography,OCT）技术的非侵入性、高分辨纵深成像等优势使其广泛应用于人工皮肤的可视化监测。3D打印人工皮肤三维特征的无损定量监测分析,对其生产制备的全过程质量评估至关重要,是研究人工皮肤制备和诱导培养技术须解决的关键问题。本研究对量化人工皮肤三维结构参数进行了研究,主要研究内容及创新点如下:1、本文解析了低相干干涉测距的基本原理,提出基于OCT强度信号量化分析人工皮肤结构参数的方法。通过分析人工皮肤横断面、组织学切片以及强度信号之间的特征关系,提出自适应峰值检测算法标定皮肤强度信号特征峰位置。基于OCT强度信号的自适应峰值检测算法量化皮肤三维厚度分布和粗糙度变化,通过计算不同位置的皮肤整体厚度及其波动定量可视化皮肤的空间分辨结构特征。2、通过对比OCT监测结果与H&E切片染色检测结果,验证了OCT监测人工皮肤的可行性。利用OCT持续监测不同培养阶段甲醛固定前后的厚度变化,并对比分析了组织学监测结果,量化甲醛固定和脱水染色处理引起的组织膨胀和收缩程度。两者实测皮肤整体厚度差异最大为3.87μm,实验表明OCT可作为一种...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人工皮肤移植超声成像
杭州电子科技大学（硕士）学位论文5皮层不同位置的致密基质中（图1.2C），在真皮层的较深位置还观察到致密的细胞外基质和成纤维细胞（图1.2D）。因此，透射电子显微成像技术广泛应用于光学显微成像不能分辨的超微结构。图1.2使用透射电子显微镜观察人工皮肤微观结构1.2OCT技术在人工皮肤检测中的应用1.2.1OCT技术OCT技术基于低相干干涉原理，通过测量光的反向散射来提供生物组织内部微结构成像。传统时域OCT（TD-OCT）通过参考臂机械扫描改变光程，使用单点探测器获得组织不同深度的干涉信号，成像速度取决于机械扫描的变化周期，所以速度较慢。而傅里叶域OCT（FD-OCT）根据不同波长的相干程度实现单次扫描获取深度域的干涉信号，在进行傅里叶变换得到组织内部的结构信息，成像速度极大提高。得益于OCT系统高分辨率、无损、快速成像的优势，目前频域OCT已广泛应用于人工皮肤监测领域。谱域OCT系统结构如图1.3所示，宽带光源发出的光经过耦合器后被分成的两路入射光，分别进入参考臂和样品臂，由参考臂平面镜反射回的参考光和由样品臂反射回的后向散射光在耦合器中发生干涉。干涉光在进入光谱仪后，干涉信号被光栅分光、聚焦后打在线阵CCD上，CCD的每一个像素都接收某波长的干涉光谱，由于受到光程差的调制，CCD上会接收到明暗相间的振荡信号，振荡频率取决于样品与参考臂的光程差。传输带计算机后对该信号做逆傅里叶变换后即可恢复出样品深度方向的强度信号，同理通过样品臂的横向扫描获得组织横断面图像。
杭州电子科技大学（硕士）学位论文6图1.3谱域OCT系统结构图1.2.2OCT技术相比其他技术的优势在药理学和毒理学等研究中需要持续监测药物对人工皮肤的影响。尽管有损检测存在固有的缺陷，但目前仍使用破坏性检查方法（如组织学和免疫荧光成像）进行此评估，因此，只能通过在连续阶段并行研究不同样本来实现对时间相关响应动力学的监视。OCT从单个样本中无损收集时间序列的能力提供了优于常规诊断工具的两个关键优势：（1）成本大大降低，OCT生成了时间序列数据集，从而使少量组织样本具有统计学意义；（2）由于消除了并行使用不同的活体样本而导致的可变性，从而提高了数据质量。标准超声频率的声波在生物组织中的吸收最小，可以实现对体内深处的结构进行成像。共聚焦显微镜成像具有0.2μm高分辨率，其分辨率由光的衍射确定。因为无效散射光会大大降低图像信号和对比度，生物组织中的其成像深度受到限制，在大多数生物组织中，可以实现的成像深度只有几百微米。OCT是一种基于低相干干涉测量技术，能够通过测量光的反向散射来提供生物组织内部微结构的高分辨率二维和三维图像，可以实现原位，非侵入性的实时高分辨率成像。理论上，该技术类似于超声B型成像，其主要区别在于系统中使用的是光而不是声波。可以实现1–15μm的图像分辨率，这比常规超声波要高一到两个数量级[44]。相比其他的光学显微技术，如FM、CLSM，以及EM，OCT能提供1-5mm的成像深度。由于人工皮肤的厚度普遍在此范围内，OCT弥补了超声和所列举的其他显微镜技术的缺陷，更加适合作为人工皮肤检测的有利工具。在之前的研究中，尽管使用OCT可以看到人工皮肤各层，例如表皮和真皮，以及血管，但其他较小的特征，例如表皮-真皮结合和细胞特征等，目前尚无法观察到[45]。目前，有
【参考文献】：
期刊论文
[1]体外构建3D人工皮肤[J]. 刘钰,沈冲,孟琴. 中国组织工程研究. 2016(46)
[2]高频超声皮肤成像技术的研究[J]. 杨军,计建军,李跃杰,王延群,刘亚伟,纪运红,宋学东. 中国医疗器械杂志. 2013(06)
[3]扁平苔藓的共聚焦激光扫描显微镜特征表现[J]. 梁淑静,徐丽敏,孙兆伟. 临床皮肤科杂志. 2011 (03)
[4]基于光学相干层析成像技术的小鼠表皮厚度的无损测量及分析[J]. 肖郑颖,吴淑莲,李晖. 激光生物学报. 2009(06)
硕士论文
[1]面向皮肤组织工程的水凝胶与细胞打印研究[D]. 谷龙.浙江大学 2017
[2]毛囊器官培养模型的应用研究及含毛囊人工皮肤的研制[D]. 吴贤杰.浙江大学 2004
本文编号：3495788
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人工皮肤移植超声成像
杭州电子科技大学（硕士）学位论文5皮层不同位置的致密基质中（图1.2C），在真皮层的较深位置还观察到致密的细胞外基质和成纤维细胞（图1.2D）。因此，透射电子显微成像技术广泛应用于光学显微成像不能分辨的超微结构。图1.2使用透射电子显微镜观察人工皮肤微观结构1.2OCT技术在人工皮肤检测中的应用1.2.1OCT技术OCT技术基于低相干干涉原理，通过测量光的反向散射来提供生物组织内部微结构成像。传统时域OCT（TD-OCT）通过参考臂机械扫描改变光程，使用单点探测器获得组织不同深度的干涉信号，成像速度取决于机械扫描的变化周期，所以速度较慢。而傅里叶域OCT（FD-OCT）根据不同波长的相干程度实现单次扫描获取深度域的干涉信号，在进行傅里叶变换得到组织内部的结构信息，成像速度极大提高。得益于OCT系统高分辨率、无损、快速成像的优势，目前频域OCT已广泛应用于人工皮肤监测领域。谱域OCT系统结构如图1.3所示，宽带光源发出的光经过耦合器后被分成的两路入射光，分别进入参考臂和样品臂，由参考臂平面镜反射回的参考光和由样品臂反射回的后向散射光在耦合器中发生干涉。干涉光在进入光谱仪后，干涉信号被光栅分光、聚焦后打在线阵CCD上，CCD的每一个像素都接收某波长的干涉光谱，由于受到光程差的调制，CCD上会接收到明暗相间的振荡信号，振荡频率取决于样品与参考臂的光程差。传输带计算机后对该信号做逆傅里叶变换后即可恢复出样品深度方向的强度信号，同理通过样品臂的横向扫描获得组织横断面图像。
杭州电子科技大学（硕士）学位论文6图1.3谱域OCT系统结构图1.2.2OCT技术相比其他技术的优势在药理学和毒理学等研究中需要持续监测药物对人工皮肤的影响。尽管有损检测存在固有的缺陷，但目前仍使用破坏性检查方法（如组织学和免疫荧光成像）进行此评估，因此，只能通过在连续阶段并行研究不同样本来实现对时间相关响应动力学的监视。OCT从单个样本中无损收集时间序列的能力提供了优于常规诊断工具的两个关键优势：（1）成本大大降低，OCT生成了时间序列数据集，从而使少量组织样本具有统计学意义；（2）由于消除了并行使用不同的活体样本而导致的可变性，从而提高了数据质量。标准超声频率的声波在生物组织中的吸收最小，可以实现对体内深处的结构进行成像。共聚焦显微镜成像具有0.2μm高分辨率，其分辨率由光的衍射确定。因为无效散射光会大大降低图像信号和对比度，生物组织中的其成像深度受到限制，在大多数生物组织中，可以实现的成像深度只有几百微米。OCT是一种基于低相干干涉测量技术，能够通过测量光的反向散射来提供生物组织内部微结构的高分辨率二维和三维图像，可以实现原位，非侵入性的实时高分辨率成像。理论上，该技术类似于超声B型成像，其主要区别在于系统中使用的是光而不是声波。可以实现1–15μm的图像分辨率，这比常规超声波要高一到两个数量级[44]。相比其他的光学显微技术，如FM、CLSM，以及EM，OCT能提供1-5mm的成像深度。由于人工皮肤的厚度普遍在此范围内，OCT弥补了超声和所列举的其他显微镜技术的缺陷，更加适合作为人工皮肤检测的有利工具。在之前的研究中，尽管使用OCT可以看到人工皮肤各层，例如表皮和真皮，以及血管，但其他较小的特征，例如表皮-真皮结合和细胞特征等，目前尚无法观察到[45]。目前，有
【参考文献】：
期刊论文
[1]体外构建3D人工皮肤[J]. 刘钰,沈冲,孟琴. 中国组织工程研究. 2016(46)
[2]高频超声皮肤成像技术的研究[J]. 杨军,计建军,李跃杰,王延群,刘亚伟,纪运红,宋学东. 中国医疗器械杂志. 2013(06)
[3]扁平苔藓的共聚焦激光扫描显微镜特征表现[J]. 梁淑静,徐丽敏,孙兆伟. 临床皮肤科杂志. 2011 (03)
[4]基于光学相干层析成像技术的小鼠表皮厚度的无损测量及分析[J]. 肖郑颖,吴淑莲,李晖. 激光生物学报. 2009(06)
硕士论文
[1]面向皮肤组织工程的水凝胶与细胞打印研究[D]. 谷龙.浙江大学 2017
[2]毛囊器官培养模型的应用研究及含毛囊人工皮肤的研制[D]. 吴贤杰.浙江大学 2004
本文编号：3495788
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