（测试计量技术及仪器专业论文）基于时域和频域的光学相干层析成像系统的研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho no p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h ys y s t e m b yt i m ed o m a i n a n d s p e c t r a ld o m a i n a 砀e s i si n c o m p u t e rm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o le n g i n e e r i n g b y z o uh e n g a d v i s e d b y z h uy o n g k m s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e c e m b e r , 2 0 0 9 lri， 1 承诺书 r il li if li f f l l l l1l l l l l l l frllf y 18115 i l i l l i 6 l j a i a 4 j l a l l 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：，盘! 隍 日 期：型悼 【p 、 】1， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 光学相干层析术( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o u r ) 是上世纪9 0 年代提出的一种新型 成像技术，它具有非侵入特性、探测灵敏度高以及轴向分辨率高等特点，能对活体生物组织内 部微结构进行扫描成像。目前，o c t 技术的研究正沿着高空间分辨率、高信噪比、高灵敏度、 快速扫描以及高清成像等方向发展。 本文简要介绍了光学相干层析技术的发展、应用现状，国内外研究背景，在分析研究了光 学相干层析技术的基本原理及系统结构基础上，构建了时域和频域两套o c t 成像系统。 时域光学相干层析系统基于放大自激辐射光源( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ，a s e ) ， 系统纵向分辨率可达1 4 j l i i l ，构建步进电机微位移平台实现三维扫描，设计光电探测器模块实 现干涉信号采集。基于v i s u a lc + + 软件编程实现了通过串口对步进电机运动的控制和用数据采 集卡p c i 9 1 1 2 采集干涉信号，针对a s e 光源产生的旁瓣效应提出了一种基于信号幅值变换的算 法实现旁瓣消除，并验证了该方法能准确识别区分主瓣和旁瓣，保留具有幅值变化特征效果的 主瓣。最后实现了对样品的三维成像及图像去噪处理。 频域光学相干层析系统基于超辐射发光二极管光源( s u p e r l u m i n e s c e n td i o d e ，s l d ) ，设计 并构建光学振镜扫描系统以及光谱信号分析系统。基于l a b v i e w 软件编程实现了数据采集卡 d a q 2 0 1 0 输出信号驱动光学振镜光路扫描，同时通过u s b 接口对探测模块中线阵c c d 接收的 光谱信号进行采集显示，接着用m a t l a b 对光谱信号进行分析研究，最后实现了样品成像。 关键词：光学相干层析，时域，频域，信号处理，扫描成像，图像处理 tl、 i|【 基于时域和频域的光学相干层析成像系统的研究 a b s t r a c t o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ( o c t ) ，an o v e li m a g i n gt e c h n i q u e ，w a sp r o p o s e di n1 9 9 0 s i th a s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hd e t e c t i n gs e n s i t i v i t y , n o n - i n v a s i v e n e s s ，h i g ha x i a lr e s o l u t i o nf o rt h e i m a g i n go fl i v i n gb i o l o g i c a lt i s s u ea n dt h eh i 曲r e s o h t i o na n dt o m o g r a p h yi m a g i n ga b i l i t y a tp r e s e n t ， t h er e s e a r c ho fo c ti s g o i n go nh i g h e rs p a t i a lr e s o h t i o n ，h i g h e rs i g n a lt o n o i s er a t i o ，h i g h e r s e n s i t i v i t y , f a s t e rs p e e do fs c a n n i n ga n dd a t aa c q u i s i t i o n ，a n dd e e p e rt h ed e t e c t i o nd e p t he t e t h ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n db a c k g r o u n do fo c ta l ei n t r o d u c e df i r s t l y b a s e do na n a l y z i n g t h ec o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e so fo c t , t h et i m e - d o m a i ni m a g i n gs y s t e ma n ds p e c t r a l d o m a i no c ti m a g i n gs y s t e ma r ec o n s t r u c t e d t i m e - d o m a i no c t 、 ，i t ha s es o u r c 圮h a sc o h e r e n c el e n g t hu pt o1 4 # m b u i l ds t e p p e rm o t o r p l a t f o r mi su s e dt o t h r e ed i m e n s i o n a ls c a n n i n g ，d e s i g np h o t o e l e c t r i cd e t e c t o rm o d u l ec a r r yo u t i n t e r f e r e n c es i g n a l b a s eo nv i s u a lc + + p r o g r a m m e df o rs e r i a li n t e r f a c em o t i o nc o n t r o lo fs t e p p e r m o t o r , p c d l1 2d a t aa c q u i s i t i o nc a r dt oa c h i e v et h er i g h td e t e c t i o nc i r c u i tc o l l e c t i o n b e c a u s eo ft h e a s el i g h ts o u r c ep r o d u c e db ys i d el o b ee f f e c t s ，t h i sp a p e rp r e s e n t saa l g o r i t h mb a s e do ns i g n a l a m p l i t u d et r a n s f o r m a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mc a nr e d u c et h ei n f l u e n c eo fs i d e l o b e s i g n a l ，r e m a i nm o s to ft h em a i n l o b es i g n a l f i n a l l y , at h r e e - d i m e n s i o n a li m a g er e c o n s t r u c t i o na n d i m a g ep r o c e s s i n gi sa c h i e v e d s p e c t r a l - d o m a i no c tw i t l ls l ds o u r c e ，d e s i g n e da n dc o n s t r u c t e do p t i c a lv i b r a t i o nm i r r o r s c a n n i n g m o d e ls y s t e ma n ds p e c t r u ms i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m b a s e d o nl a b v i e wt o o l s p r o g r a m m i n gt or e a l i z ed a q 2 0 1 0a n a l o gs i g n a lo u t p u tw h i c hc o n t r o lo p t i c a lg a l v a n o m e t e ra n dt h e s c a nt h r o u g hu s bo nt h ec e n t e rl i n ea r r a yc c dg r a t i n gs p e c t r o m e t e rr e c e i v e st h es p e c t r a ls i g n a l a c q u i s i t i o nd i s p l a y k e y w o r d ：o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ；t i m e - d o m a i ns p e c t r a l - d o m a i n ；s i g n a lp r o c e s s i n g ； s c a n n i n gi m a g i n g ；i m a g ep r o c e s s i n g i i l - 一 ， l) - h 气 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究的背景1 1 2 光学相干层析技术的发展2 1 3 光学相干层析技术的应用4 1 3 1 在眼科方面的应用4 1 3 2 在皮肤科方面的应用5 1 3 3 在心血管系统的应用6 1 3 4 在其他方面的应用6 1 4 课题研究的目的及意义6 1 5 本论文的研究内容和论文的安排。7 第二章光学相干层析技术9 2 1 光学相干层析技术的原理9 2 1 1 低相干干涉1 1 2 1 2 光学外差探测1 2 2 1 3 共焦显微术1 3 2 2o c t 扫描模块技术研究。1 4 2 2 1 步进电机实现轴向扫描1 5 2 2 2 压电陶瓷实现轴向扫描1 5 2 2 3 光学延迟线实现轴向扫描1 5 2 2 4 光学振镜实现扫描1 6 2 3 本章总结1 7 第三章时域光学相干层析系统搭建分析与研究1 8 3 1 时域光学相干层析系统的结构分析1 8 3 2 时域光学相干层析系统的主要硬件模块1 8 3 2 1 光源模块1 9 3 1 2 2 耦合器模块1 9 3 - 2 3 光路扫描模块2 0 3 2 4 探测信号模块2 2 i i i 峰卜、 基于时域和频域的光学相干层析成像系统的研究 3 3 时域光学相干层析成像系统2 3 3 3 1 串口通讯控制2 3 3 3 2 扫描采集时序2 4 3 3 3 信号处理2 5 3 3 4 时域光学相干层析成像系统软件实现控制2 8 3 4 实验结论及优化处理3 0 3 5 图像处理与优化3 1 3 5 1 图像随机噪声3 2 3 5 2 时域相干层析样品成像图像处理3 4 3 6 本章总结3 5 第四章频域光学相干层析系统搭建分析与研究3 6 4 1 频域光学相干层析系统的结构分析3 6 4 1 1 频域o c t 基本原理3 6 4 1 2 频域o c t 系统结构一3 7 4 2 频域光学相干层析系统的主要硬件模块3 8 4 2 1 光源模块3 8 4 2 2 耦合器模块3 9 4 2 3 光路扫描模块4 0 4 2 4 探测信号模块4 2 4 3 频域光学相干层析成像系统4 5 4 3 1 扫描采集时序4 5 4 3 2 频域干涉信号的信号处理4 5 4 3 3 频域光学相干层析成像系统软件控制4 8 4 4 实验结论及优化处理，。5l 4 5 本章总结5 3 第五章总结与展望。5 5 5 1 工作总结5 5 5 2 展望5 6 参考文献5 7 致 射6 3 在学期间的研究成果及发表的学术论文。6 4 一 ， -一， 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图2 1o c t 的系统原理图9 图2 2m i c h e l s o n 干涉仪原理。1 1 图2 3 相干信号随着参考镜位移的变化1 1 图2 4 共焦显微术原理图1 4 图2 5 频域快速延迟线结构图1 6 图2 6 光学振镜扫描原理图1 6 图3 1光纤型o c t 系统图1 8 图3 2 时域光学相干层析样品臂2 1 图3 3 时域光学相干层析参考臂2 1 图3 4 探测电路组成原理框图2 2 图3 5 逐行逐点扫描2 4 图3 6 类蛇形逐点扫描2 4 图3 7 扫描采集流程图。2 5 图3 8a s e 光源的干涉信号2 6 图3 9 原始干涉信号图2 7 图3 10 带通滤波后的干涉信号图2 7 图3 11 阈值后的信号图2 7 图3 12 第一部分一次比较后信号图2 7 图3 1 3 第二部分一次比较信号后信号图2 8 图3 1 4 旁瓣消除后的信号图2 8 图3 15 时域光学相干层析v i s u a lc + + 软件控制界面2 9 图3 16b 样品图3 0 图3 17a 样品的层析样品图3 0 图3 1 8b 样品的层析成像图3 0 图3 19b 样品的层析成像图3 l 图3 2 0 图像融合的过程3 2 图3 2 1 时域系统样品成像图3 3 图3 2 23 x 3 中值滤波后的图3 5 v 即、 基于时域和频域的光学相干层析成像系统的研究 v i 图3 2 35 x 5 中值滤波后的图3 5 图4 1 频域o c t 系统的结构图3 8 图4 2s l d 光源的光谱图3 9 图4 3s l d 光源的频谱图3 9 图4 4 光学振镜的镜片部分4 0 图4 5 扫描模块实物图4 l 图4 6 光栅光谱仪结构示意图4 2 图4 7 衍射光栅示意图4 3 图4 8 线阵c c d 图像传感器结构图4 4 图4 9 两层盖玻片光栅光谱图4 7 图4 10 两层盖玻片频谱图4 7 图4 11 前面板。4 9 图4 1 2 框图4 9 图4 。13 线阵c c d 采集部分前面板。5 0 图4 1 4 线阵c c d 采集部分框图5 0 图4 1 5 扫描模块示意图5 l 图4 16 光谱信号图5 2 图4 1 7 光谱频谱图5 2 图4 18 干涉理论分析图5 2 图4 1 9 光谱频谱图5 3 图4 2 0 频域o c t 成像图5 3 一 ， l 南京航空航天大学硕士学位论文 表清单 表1 时域o c t 耦合器参数表2 0 表2 电动平移台的控制器控制协议及指令2 3 表3 频域o c t 耦合器参数表3 9 表4 振镜电气与机械特性4 1 表5 衍射光栅主要参数。4 3 表6 驱动信号、振镜摆角、偏移距离之间关系5 1 v l i 基于时域和频域的光学相干层析成像系统的研究 v i l l 注释表 e i h输入电场强度 e o 酊 输出电场强度 e r参考臂电场强度e s样品臂电场强度 i r 参考臂光信号强度 ls 样品臂光信号强度 v 干涉条纹衬比度 d 光栅常数 ，竹 光谱级次 彳 光栅分辨本领 n 光栅总刻划数 g , o ，( 缈) 输出光谱密度函数 s ( c o ) 光谱频谱 k可见度 c 真空光速 z 光程差 九 光源中心波长v ( o参考镜移动的速度 尺 参考镜反射比s 样品镜反射比 r ( f ) 光谱分布自相关函数 y ( f ) 复相干度 c o o 宽带光源的中心频率 l c 宽带光源的相干长度 y 宽带光源的半高全宽 兄 宽带光源功率谱的波长宽度 一 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 科学技术的不断发展，使得现代社会正带着越来越强烈的信息色彩，人类始终在不断的使 用各种手段来实现对世界的探索，从宏观领域到微观领域的探索，从而完善着人类对自然界中 各个领域的认识。科学的创新及高速发展，学科的交叉融合，诞生了许多新的研究领域，生物 医学工程就是其中之一。生物医学工程( b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g ，b m e ) 是综合生物学、医学 和工程学的理论和方法而发展起来的新兴学科，其主要研究是运用工程技术手段，研究和解决 生物学和医学中的有关问题。多学科的交叉，使它不同于那些经典的学科，也有别于生物医学 或纯粹的工程学科。而今，生物医学工程在疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面起着巨大作 用。 生物医学工程学的研究以应用基础性研究为主，其领域十分广泛，并在不断扩展，医学成 像及其图像处理是现阶段它所涉及的研究领域之一。医学成像作为疾病诊断的重要手段，已经 成为生物医学发展的标志之一。随着生物学、医学、物理学、信息学、电子学、控制科学以及 计算机图像处理等学科的交叉发展、诞生了各种各样的成像手段，各种成像手段由于原理不同， 各有其特点，可以互相补充，完整地反映人体的功能状态，使疾病的诊断更准确，治疗方法更 完善，对病人的损害最小【l 埘。 真正意义上的生物医学成像研究是从1 8 9 5 年伦琴( r o e n t g e n ) 发现x 射线开始。2 0 世界 5 0 年代核医学和超声技术的出现标示着生物医学成像领域有了一场革命性纪元。2 0 世纪6 0 年 代激光器的成功研制促进了光学在生物医学领域的应用，激光开始成为医疗诊断的有力工具。 1 9 7 2 年计算层析成像( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) 技术的问世，标志着生物医学成像进入了 用计算机重建图像的新阶段p 羽。近年来诞生的各种成像手段，如核磁共振成像( m a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 超声波成像( u l t r a s o n o g r a p h y ，u s ) 、x 射线计算机断层成像( x - r a y c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，x - c t ) 、正电子发射层析成像( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 等，已在医学领域中得到了广泛的应用，成为现代医学诊断技术的一个显著标志。 这些成像技术由于原理不同，各有其特点，也各有其自身的研究应用领域，且在其中发挥 着重要作用，但是都不可避免的存在着各自的局限。c t 使用的x 射线密度接近的不同器官和 组织的图像则因其对比度不高而很难分辨，而且x 射线断层扫描属于高能量粒子辐射，一些特 殊人群( 如孕妇) 仍然不适合作过多的检查。此外，x 射线断层扫描成像的分辨率受射线宽度、 基于时域和频域的光学相干层析成像系统的研究 射线间距以及图像重建过滤器等因素影响，通常只能达到l m m 左右。超声波成像空间分辨率不 高，图像信噪比较差，是一种皮肤接触性检查，并且超声波成像检测无法提供组织化学成分的 分析。核磁共振成像设备高昂的价格和检查费用限制了它的推广，复杂的图像重建也不利于实 时成像，再加上由于核磁共振成像设备具有强大的磁场，不适用于体内带有金属异物的病人， 一般的核磁共振成像机房内不能使用监护和抢救设备，不适于对急诊和危重病人进行检查。声 波的发射和接收都是通过与组织接触的探头实现的，给检查带来了很大不便。 相对于前面提到的几种技术，光学方法具有安全、无损、简单及快速的特点，并且能够实 时地得到高反差的组织体图像，从而方便医生对病人的诊断和治疗。在此背景下，光学相干层 析技术( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) ，这种新的断层扫描成像技术诞生并在生物医学 等众多领域产生了重要的影响。概括而言，o c t 技术拥有几个突出的特点： ( 1 ) 高分辨率；相对于x 射线、超声等成像手段比较，o c t 成像技术的最大纵向分辨率 能达到l # m 、若利用超宽带光源等技术，o c t 技术的分辨率更可以达到0 5 p m 。高分辨率意味 着可以更早、更清楚的发现和分析深度信息，可以使得诊断更精确，更客观。 ( 2 ) 非接触，无创伤；相对于超声成像技术手段来说，o c t 是一种非接触，无创伤的， 非侵入性的检测技术，可以防止对被测组织的损坏、交叉感染等接触性探测带来的问题，无需 使用润滑剂等，检测方便快捷。 ( 3 ) 快速性； ( 4 ) 活体实时性； 1 2 光学相干层析技术的发展 光学相干层析( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) 是上个世纪九十年代初由美国麻省 理工学院的f u j i m o t o 和d a v i dh u a n g 研究小组首次提出的，并经过众多研究人员逐步完善而发 展起来的一种新型光学成像手斟们。光学相干层析成像是一种高分辨率、非接触、非侵入的层 析成像方法，是一种能对透明和半透明介质，如生物组织、聚合材料、涂料等进行非侵入三维 高分辨层析成像的新型技术。o c t 技术建立在低相干干涉的基础之上，并且得益于光学低相干 反射仪( o p d e a ll o w c o h e r e n c er e f l e c t o m e t r y ，o l c r ) 7 - 9 ，o l c r 是一种光学测试技术，最初 主要用于光纤和集成波导器件的检测，不久就发现也可以用于生物组织，如眼轴长度和角膜厚 度的测量【1 0 1 。h u a n g 等人在o l c r 的基础上加上了探测光束相对于样品的横向扫描，发展出了 二维或三维成像模式，即o c t 成像模式。 1 9 9 3 年，演示了人类视网膜的活体光学相干层析成像【l l 】。 1 9 9 5 年，在眼科方面也有了临床研究。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 9 9 9 年，光学相干层析扫描检查在黄斑疾病中得到临床运用。 2 0 0 6 年，频域o c t 用于临床，诞生了新的o c t 检测仪。 随着光子学和激光技术的发展，在近2 0 年间，o c t 技术得到了迅猛的发展，主要表现在 以下两个方面： 一方面朝着更高分辨率、实时性方向发展。普通的o c t 采用超辐射光源( s l d ) 等宽带光 源来实现相干门，获得高的分辨率，因而常见的o c t 分辨率在1 0 # m 左右。在十几年里，通过 在晶体中掺杂的方法，人们研制出了许多新的激光晶体，它们的问世带动了固体激光器的发展， 通过锁模的方法，一些超快飞秒激光器被引入到o c t 领域中，比如中心波长为8 0 0 n m 的t i ：a 1 2 0 3 激光器，可以激发出 1 0 f s 的脉冲；以及中心波长在红外波段的c r 4 + ：m 9 2 s i 0 4 飞秒激光，通过 锁模其激光脉宽度可以控制在2 5 f s 左右。虽然t i ：a 1 2 0 3 激光可以达到非常理想的分辨能力 ( 1 肛m ) ，但是由于可见光波段在生物组织中的吸收作用比较强，所以探测深度比较小，在o c t 领域人们更乐意采用红外波段的激光器。除了飞秒激光等超快光源，通过采用宽光谱的连续光 源也可以达到获得高分辨率能力的效果，如c h e n 小组采用掺杂的光子晶体光纤可以实现中心 波长在l # m ，理想分辨率为2 1 # m 的超高分辨率o c t ：b o p p a r t 小组利用超高数值孔径的g e 0 2 光纤的非线性效应，将普通的t i ：a 1 2 0 3 激光器出射的2 0 n m 的频谱展宽得到了近2 0 0 n m 的宽带， 可以获得l # m 左右的o c t 图像。通过各种各样的方法获得宽光谱的光源有助于提高o c t 系统 的分辨率，获得更加理想的成像质量【1 2 1 6 。 另一方面朝着功能化和信息特异性方向发展。为了获得组织中人们感兴趣的一些参数，各 种功能的o c t 技术相继问世，如多普勒o c t ，偏振o c t ，光谱o c t 等等。多普勒o c t 将多 普勒技术与o c t 技术相结合，可提供生物组织内部高分辨血管分布和速度分布图像。c h e n 小 组基于位相分离技术，成功地将多普勒o c t 应用于鲜红斑痣的激光治疗，药物对血流的影响， 大脑血流分布，以及微流体芯片中流体动态测量等诸多研究中。偏振o c t 利用光的矢量特性来 探测生物组织内部的双折射分布信息。最早开展偏振o c t 研究的是f u j i m o t o 小组，首次建立 了基于自由光学元件的偏振o c t 系统。为克服自由空间系统的应用局限性，j o h a n n e sd eb o e r 小组开创了基于单模光纤的偏振o c t 研究。光谱o c t 是根据组织不同成份对光谱吸收与散射 特性的差异来构筑图像，光谱o c t 研究的先驱是f u j i m o t o 小组。o c t 分子成像研究是国际o c t 领域的热点方向，探索中的o c t 分子成像方法主要分为吸收性、散射性和相干辐射型三大类， 它们都能将现有的o c t 技术扩展为具有特异性分子识别功斛1 7 捌】。 目前，国外主要有下面几所大学研究比较突出：美国麻省理工大学的f u j i m o t o 研究小组、 美国加州大学欧文分校b e c k m a n 实验室的c h e n 研究小组和n e l s o n 研究小组、美国伊利诺斯大 学的b o p p a r t 研究小组、西澳大利亚大学的s a m p s o n 研究小组、美国西储大学的i z a t t 研究小组、 3 基于时域和频域的光学相干层析成像系统的研究 维也纳大学的f e r c h e r 研究小组、英国k e e l e 大学的r u i k a n gw a n g 研究小组及香港科技大学的 s c h m i t t 研究小组等科研机构在这方面做了相当多的工作。 国内也从九十年代中期开始关注o c t 技术： 1 9 9 4 年清华大学物理系就开始研究o c t 技术，研制成功我国第一台o c t 装置。并且对兔 眼、植物组织、血管等样品做了实验，取得了成功，掌握了o c t 的关键技术，并且进行了理论 分析。华中科技大学、清华大学、天津大学、上海光机所都先后开展了o c t 的实验研究。在眼 科领域，华中科技大学和清华大学分别展开研究，清华大学后与深圳莫廷影像技术有限公司合 作，将其研究成果转化为产品，但成像性能( 如几个关键参数，成像速度、成像分辨率等) 与 国际还存在较大差距；华中科技大学后来中断眼科成像研究，开展了o c t 在脑科学研究中的探 索。目前浙江大学、南开大学、南京航空航天大学、南京理工大学等也在推动o c t 研究工作的 开剧3 6 3 9 - 4 0 1 。2 0 0 5 年，深圳市莫廷影像技术有限公司与清华大学、华南师范大学等多家高校 和科研单位进行紧密合作和技术交流而后，成为中国第一家专业研制o c t 仪器的企业从而填补 了国内空白。 清华大学单原子测控实验室进行了激光c t 光散射模拟计算以及实验系统研究与图像处理 研究 2 2 - 2 4 j ；华中科技大学o c t 实验室对o c t 轴向图像的形成机理及传递函数进行了剖析2 ”1 1 ； 中国科学院上海光学精密机械研究所在共焦扫描成像理论研究的基础上对o c t 进行了实验研 究 3 2 - 3 3 1 ；南开大学光电子中心对1 3 0 0 n m 的光学层析成像与生物组织折射率进行了研究 3 7 - 3 8 , 4 2 ； 天津大学建立了o c t 系统，利用蒙特卡罗方法进行了模拟o c t 图像方面的研究，在提高成像 质量方面，在图像形成之前，采用了偏振合成法、空间合成法及频率合成法等方法口”8 】；南京 理工大学在图像后处理中，采取盲解卷积、去卷积等图像恢复算法，对图像进行去噪、平滑等 处理【4 1 1 。 虽然国内的研究刚刚起步，还处在理论分析和试验研究阶段，在实时成像，高分辨率及高 信噪比方面与国外的先进水平尚存一定的差距。但随着国内研究该技术的机构不断增加，师资 力量以及研究人员不断增强，o c t 技术及其在相关领域的应用会得到更快、更新的发展。 1 3 光学相干层析技术的应用 o c t 成像技术自从运用于人类视网膜断层析结构成功以后，就迅速的发展起来，其应用范 围也在不断的扩大。不但由对透明生物组织的轴向探测发展到对高散射非透明组织的成像，还 从对生物组织的探测扩展到对生物材料的检测应用。 1 3 1 在眼科方面的应用 o c t 技术的第一个临床应用领域就是眼科学。由于利用了宽带光源的低相干性，o c t 具有 4 ， 1 q 南京航空航天大学硕士学位论文 出色的光学切片能力，能够实现对次表面高分辨率的层析成像，其探测深度远超过传统的共焦 显微镜，尤其适合眼组织的成像研究，能够提供传统眼科无损诊断技术无法提供的视网膜断层 结构图像，不仅能清晰地显示出视网膜的细微结构及病理改变，同时还可以进行观察并做出定 量分析，其在眼科诊断方面的研究是o c t 生物医学应用发展的重点方向之一，对眼科疾病诊断 做出重大贡献，目前已成为视网膜疾病和青光眼强有力的诊断工具。 随着o c t 性能的提高，可以预测o c t 对眼科将产生更加深远的影响，从而可以提高疾病 早期诊断的灵敏度和特异性，改变监测疾病进展的能力。o c t 对于理解视网膜的结构和功能， 解释视网膜疾病的发病机理，确定新型治疗方案，监测疾病治疗效果等方面起着越来越重要的 作用。目前在临床上o c t 主要用于青光眼、黄斑病变、玻璃体视网膜疾病、视网膜下新生血管 的早期诊断及术后随诊。 o c t 在青光眼中的应用，主要是测量视网膜神经纤维层厚度，尤其是下部视网膜厚度变薄， 可以作为早期青光眼诊断的依据【4 3 1 。传统的视网膜厚度仪不能识别出n f l 弥漫性萎缩，而现在 的商用的o c t 系统通过计算机软件可以得到平均视网膜及n f l 厚度，并且可以高精度重复测 量每个象限甚至某一点的n f l 厚度，具有明显的优势】。 o c t 可以活体观察黄斑部解剖和病理改变，玻璃体黄斑牵引状态，清楚区分黄斑病变，判 断病变的程度，应用o c t 检测视网膜黄斑区有助于深入了解视网膜黄斑异常状态，检测黄斑裂 孔进展及其他黄斑病变【4 5 1 。 o c t 已广泛用于玻璃体一视网膜疾病的检测。o c t 不仅可以检测出年龄相关性正常眼玻璃 体分离症状【4 酊，还可诊断出玻璃体后的粘连。玻璃体后粘连会导致黄斑裂孔、黄斑水肿，因而 准确揭示玻璃体后粘连的程度和脱离情况可以预防黄斑裂孔的形成 4 7 1 。 o c t 还能直观地观察到视网膜下新生血管及与视网膜色素上皮、神经上皮等的关系。因此 可用于视网膜下新生血管的检测，对视网膜下新生血管的深度和层次进行准确定位【4 9 1 。在年 龄相关性黄斑变性和中心性渗出性脉络视网膜病变中，o c t 可以对视网膜下新生血管的深度和 层次进行定位等等1 5 0 1 。 o c t 也可以用于评价视网膜脉络膜病变的治疗疗效及疾病复发率 5 1 4 3 1 。药理学治疗方案， 包裹玻璃体内药物注射时眼科o c t 联合成像近来研究热点之一【5 5 1 。这些研究都表明：o c t 与现有眼科影像技术如血管造影术在临床研究的联合应用呈持续上升趋势，主要是因为o c t 能够准确显示视网膜疾病治疗后的微小( j 【m 级) 变化。 1 3 2 在皮肤科方面的应用 随着现代科技的发展，o c t 技术已经达到人体皮肤成像的目的。高分辨率的o c t 能检测 5 基于时域和频域的光学相干层析成像系统的研究 到人体健康皮肤的表皮层、真皮层、附属器和血管【5 6 1 。w e l z e l 等实现了o c t 系统的人体皮肤 成像，成像系统中波长为8 3 0 n m ，深度分辨率为1 5 # m ，探测深度为0 5 1 5 m m ，成像时间为 1 0 。4 0 s f 5 7 1 。w a n g 等还可以描绘出轴向分辨率 1 0 # m 的在体小鼠皮肤和人体胃肠道的o c t 成像， 将甘油和丙二醇涂于小鼠皮肤表面o c t 成像，可见表皮、表皮基底层，真皮乳头层、真皮网络 层，皮下组织，筋膜，肌肉和毛囊【5 8 】。 o c t 可以用于损伤修复监测。y e h 等用o c t 、多光子显微镜( m u l t i p h o t o nm i c r o s c o p e ， m p m ) 在皮肤组织仿真模型中监测激光热损伤和随后的损伤修复【5 9 1 。离体的皮肤组织仿真模型 由含有1 型胶原蛋白、纤维细胞的真皮和不同角蛋白酶的表皮组成。非侵入性光成像技术被用 作随时间变化的基质损伤和修复的系列测量，并与组织病理学检查结果对比。 o c t 还可以应用于皮肤科中的其他检测，如o c t 在探测活动性炎症、坏死和角化过度、 角化不全、真皮内空洞形成等方面拥有着极大的优势【删。w e l z e l 等用o c t 可鉴别表皮层和真 皮层疱疹的定位、恶性黑素瘤诊断、手湿疹成像，疥螨和螨下面皮肤的孔成像等；还可以用于 检测性皮炎和牛皮癣的检测【6 l 】。 1 3 3 在心血管系统的应用 o c t 作为非侵入性检测技术用于活体血液成像，在生物医学研究和临床诊断中具有很大的 价值。光学多普勒层析成像 o p t i c a ld o p p l