（物理电子学专业论文）linnik显微结构的全场白光psoct设计.pdf

中文摘要 光学相干层析技术( o c t ) 是一门新兴的生物成像技术，集成了共焦显微术 和低相干干涉技术的优点，非侵入地从生物组织中提取出高精度的二维图像的图 像。o c t 在临床检查，外科手术微结构成像领域，表现出巨大的潜能，但是这些 领域对o c t 图像有更高的要求，至今o c t 还有许多不完善的地方，如，穿透深度， 精度，实时性，图像对比度，多方位多层面成像方面。只有那些参数满足足够高 的要求，才能进行精确的测量，避免检查带来灾难后果，减少医生的失误。 为了满足临床检查，外科手术微结构成像的需要，本文力求一种更完善o c t 的系统。 这论文概述了光学相干层析成像技术的发展历程，分析了当前光学相干层析 成像技术优缺点，用m o n t ec a r l o 模拟方法分析数值孔径、焦深、时间门与o c t 图像质量的关系，针对传统o c t 的缺点，提出l i n n i k 显微结构的全场白光光源 p s o c t 系统。 本论文对l i n n i k 显微结构的全场白光光源p s o c t 的系统和原理，分别从 三维物体的共焦成像角度和如何利用c c d 探测到的信号提取生物组织信号角度 进行了详细分析。l i n n i k 显微结构的全场白光光源p s o c t 利用相位调制技术， 通过对相干信号的包络和生物组织切片的相位分析，得到生物组织的切片信号和 双折射性质( b i r e f r i n g e n c e ) 信息。 关键词：光学相干层析技术( o c t ) ，白光相干，共焦显微技术，m o n t ec a r l o 模拟，面场c c d ，双折射 a b s t r a c t o p t i c a l c o h e r e n c et o m o g r a p h y ( o c t ) c o m b i n e st h e a d v a n t a g e s o fc o n f o c a l m i c r o s c o p ya n dl o w - c o h e r e n c ei n t e r f e r o m e t r yt op r o d u c e n o n i n v a s i v eh i g h - r e s o l u t i o n c r o s s s e c t i o n a li m a g e so fi n t e r n a lm i c r o s t r u c t u r eo f l i v i n gt i s s u e o c td e m o n s t r a t e s i t sg r e a tp o t e n t i a li nc l i n i cb i o p s ya n dm i c r o s u r g i c a l ，w h e r eo c t i m a g e s a i es e v e r e l y i m p o r t a n t b u t s t i l lt h e r ea r e m a n yl i m i t a t i o n s o fo c t ，s u c ha sl i m i t a t i o ni n p e n e t r a t i o n ，r e s o l u t i o n ，a c q u i s i t i o nr a t e ，i m a g ec o n t r a s t ，2 dd i g i t a li m a g e s i n f a c u l t a t i v e a n g l e a n d s t r a t u m o n l y w h e nt h e s e p a r a m e t e r s a r e e x t r a o r d i n a r i l y s a t i s f a c t o r yf o rb i o p s y c a ni tp r e v e n tc a t a s t r o p h i cc o n s e q u e n c e sa n dr e d u c ei a t r o g e n i c i n j u r y t h i sp a p e rm a n a g e st os e tu pam o r ec o m p l e t e do c t s y s t e mt h a tc a ns a t i s f yt h e n e e do fc l i n i cb i o p s ya n dm i c r o s u r g i c a l t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eb a s i ct e c h n o l o g ya n dt h ee v o l u t i o no fo p t i c a l c o h e r e n c e t o m o g r a p h y ( o c t ) ，a n a l y s e s o c ta d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s ， i n v e s t i g a t e st h ee f f e c t so f n u m e r i c a la p e r t u r eo f i m a g i n gl e n s ( n a ) a n dt i m eg a t eo n t h eo c t i m a g i n g ，a n db r i n g sf o r w a r df u l l f i e l dw h i t e l i g h tp s - o c tw i t hal i n n i k m i c r o s c o p et oa d v a n c eo c tc a p a b i l i t y t h i ss y s t e ma n dp r i n c i p l eb a s e do nc o n f o c a lm i c r o s c o p ya r ea d e q u a t e l ys t u d i e d a n dt e l lh o wt o p i c k u p i n f o r m a t i o no fb i o t i s s u ef r o mc c ds i g n a l f u l l f i e l d w h i t e l i g h tp s - o c t w i t hal i n n i km i c r o s c o p ec a ns t u d yt h ee n v e l o p eo fc c d s i g n a l a n dp h a s es i g n a lf r o ms a m p l ea r mt of i n di n f o r m a t i o no ft i s s u e t o p o g r a p h ya n d b i r e f r i n g e n c eu s i n gp h a s e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e k e y w o r d s ：o p t i c a l c o h e r e n c e t o m o g r a p h y , c o n f o c a l m i c r o s c o p y , l o w c o h e r e n c ei n t e r f e r o m e t r y , m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，a r e a c c d ，b i r e f r i n g e n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名茹r 睁膛p 签字日期：如号 年，上月上r 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：镧奇峰 签字日期： 年r 】月工r 日 铷躲砌嵌纷 签字日期：，) 吗年f 足月 日 天津人学硕士学位论文l i n n i k 显微结构的全场白光p s o c t 设计 第一章绪论 随着信息社会的到来，微观世界的探索显得越来越重要。从以前的人类探索 的微米世界到现在探索的纳米世界，都为人类从感性到理性的知识飞跃提供了巨 大的帮助，比如纳米材料结构分析，超大规模集成电路( v l s i ) 芯片和微电子机 械系统( m e m s ) 的检测，生物组织研究，生物医学工程的开拓和i 缶床医学的应用。 在这些领域，分辨率和精度非常重要。这些微观世界重现的重担集中在显微镜和 层析技术的身上。 光学相干层析技术( o c t ) 是一门新兴的生物成像技术，它是基于麦克尔逊 干涉仪的一种测量仪器，利用近红外的低相干宽带光源，非侵入地从生物组织中 提取出高精度的二维图像的图像。 由于o c t 被用于临床检查和外科手术微结构成像o h ，它除了高精度之外， 还需要成像实时性、高对比度、高清晰度和多方位多层面性。这样才能减少医生 的失误。1 ，避免检查失误带来灾难性后果，对于脑部，冠动脉检查显得更为重要。 用普通检查手段，某些疾病在可治愈的初期很难被检查出来，比如子宫癌，食道 癌，腺癌”。而用0 c t 能做到早期发现。 这就需要有一整套的更优化的系统：频带更宽、功率更大的光源；更先进的 仪器结构；快速扫描装置：更优化的三维成像再现算法。 1 1 光学相干层析成像技术的发展历史 光学相干层析技术( o c t ) 是基于光纤的麦克尔逊干涉仪的一种测量仪器， 利用近红外宽带的激光做光源，非侵入地从生物组织中提取出高精度的二维图像 的图像。这技术集成了白光相干技术和共焦显微技术的优点。 1 1 1 o c t 技术基础 光学技术在医学和生物学的应用已经有很长一段历史了。o c t 技术的出现归 功于激光与光纤光学的发展。 在1 5 9 0 年光学显微镜就开始被人i l j n 用。从那时显微镜就成为生物学家必 不可少的工具。 随着1 9 6 1 年激光的发明，医学界又多了一种用于外科的仪器。众所周知， 激光相干性是其最基本的最重要的性质，但是现在多数利用激光的仪器只能归属 于非相干系统中，因为这些聚焦的激光光束主要是作为照明光源或集中热源。 光纤光学的发展导致内窥镜的产生，它帮助我们从外面直接观察到人体内 部各组织器官的情况。在现代医学实验室里，新的光学技术有助于对组织样本的 化学分析、计算和对血细胞的排序。 尽管这些已经改进和提高，但如今用于医学界的光学仪器很少有能够充分 利用光的相干特性的。也许光学相干层析成像技术最能吸引工程师和科学家注意 力的原因之一，就是它是第一个完美利用激光相干性的医学图像诊断技术。 1 1 2 显微术发展的历程 1 6 世纪中叶，斯泰卢蒂( f r a n c e s c os t e l l u t i ) 用5 倍和1 0 倍的单式显微镜( 即 通常所称的放大镜) 详细地描绘出了蜜峰各部分的图形，由意大利猞猁学院 ( a c a d e m yo fl y n xe y e ) 出版，这是有关显微镜研究的第一部著作。约在1 5 9 0 年 左右，荷兰的两位眼镜制造商詹森兄弟( h a n sj a n s s e na n dz a c h r i a sj a n s s e n ) 制造了第一台复式显微镜( 即通常所称的显微镜，因此多数人认为他们就是显微 镜的真正发明者。此后，光学显微镜经过了几百年的发展，其基本原理并没有变， 但是经过不断改进与发展，精度越来越高，而且为了满足特定用途，出现了成套 系的特种显微镜，这就是第一代显微观测技术。 一百多年前德国的物理学家e r n s ta b e e 得出结论：任何依靠透镜使光线或 其他射线聚焦的显微镜，都受衍射现象的限制，分辨率不小于半个射线的波长， 这就是著名的阿贝准则。因为普通光学显微镜的放大倍数受到限制，所以人们纷 纷寻求采用其他工作机理的显微观测技术来代替普通光学显微技术，后来出现了 电子显微镜( e l e c t r o nm i c r o s c o p e ) ，扫描隧道显微镜，光予扫描隧道显微镜。 生物医学工程技术作研究对生命科学甚至其它相干领域都至关重要，为适应 生物医学工程的研究需要，人们发展了各种相应的检测与诊断技术。 无破坏性是光学仪器的最大的优点，是保证它不断前进的根本动力。 1 9 5 3 年z e r n i k e 对光学显微镜的结构进行改善，并将光学显微镜应用于实践， 生物医学领域从此发生翻天覆地的变化，z e r n i k e 因此也获得诺贝尔奖”1 。 1 9 5 5 年n o m a r s k i 提出差分干涉对比技术( d i f f e r e n t i a l i n t e r f e r e n c e c o n t r a s tt e c h n i q u e ) ，为以后干涉显微技术奠定了基础”1 。 自从这以后光学显微镜似乎停滞不前，没有多大的进展。 激光的出现引起了光学仪器的革命，也引发了激光共焦扫描显微镜的出现 ( 1 a s e rc o n f o c a ls c a n n i n g m i c r o s c o p e s ，l s c m ) 。1 9 7 7 年k o m p f n e r 和s h e p p a r d 提出了现代激光共焦扫描显微镜的设计。从而激光在生物医学上的应用进入实用 的阶段”3 。 现代激光共焦扫描显微镜的出现是继普通光学显微镜之后的第二次革命，也 带给光学显微技术的复兴。 早在1 9 6 1 年，m i n s k y 就认为，普通光学显微技术的最大弱点是没有深层切 片能力”1 。现代激光共焦扫描显微镜正是应时而出，它的优点就是具有深层切片 能力。这正好弥* b t 普通光学显微技术没有深层切片能力的弱点。现代激光共焦 扫描显微镜可以将一个厚的组织进行非侵入切片，然后在计算机的帮助下，实现 生物组织的三维重构。 相干门( c o h e r e n c eg a t i n g ) 与高数值孔径的光学技术的结合产生了光学相 干显微技术( o p t i c a lc o h e r e n c em i c r o s c o p y ) 。1 9 9 1 年d h u a n g 等人提出光学 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 ) “1 。这项技术可以抑制光的漫 反射效果，达到清楚显示混浊的生物组织的切片图像的目的。 层析技术现在主要分为两大类：计算计层析技术( x c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ，x c t ) 和光学相干层析技术( 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 ) 。 将它们做一个简单比较：x c t 的优点是，探测深度大，缺点是，x 射线对人有损 伤，精度低，仪器造价大：o c t 的优点是，精度高，无创伤检测，造价便宜，缺 点是，探测深度小。但是许多癌症的早期诊断深度较小，o c t 可以满足检查要求。 1 - 2o c t 的特点 光学相干层析技术( o c t ) 集成了共焦显微的技术和白光相干( 低相干干涉 技术) 优点，是探测生物组织结构的有力工具，它的纵向和横向空间分辨率均只 有几个微米，并且可以探测到只有1 0 1 0 数量级的光能量信号。 共焦显微技术可以抑制光的漫反射效果，达到清楚显示混浊的生物组织的切 片图像的目的。共焦显微技术可以抑制光的漫反射效果的机理是：来自样品内焦 平面上的光才能在探测针孔平面正确聚焦，从而穿过探测针孑l 而成像；焦平面以 外区域射来的光线在探测针孔处是离焦的，将被探测针孔滤除。由于排除了离焦 光线造成的图像模糊，这使得它不但能够得到焦平面上的生物组织的高对比度、 高放大率的图像，而且具有亚微米轴向分辨能力，能够实现图像的层析。 低相干干涉技术是在七十年代就提出的新型光学检测技术，它利用低相干光 源可精确测出反射光或背景光的幅值和相对相位，有效的减小散斑对图像的影 响。 1 3 光学相干层析成像技术的现状 从上述提到的，研究光学相干层析技术( o c t ) 的成像特性，完善o c t 成 像系统结构，改进系统成像质量的方法，有着理论意义和应用价值。 为了使光学相干层析成像( o c t ) 真正成为生物医学工程和i 晦床检测的工 具，还有几个关键问题有待改善。 ( a ) 光源 理论和实验都证明，选取光源的条件：近红外，频带宽，亮度大。近红外 可以提高光的穿透深度；频带宽可以提高精度，提高共焦效果，减小散斑的影响， 达到改善图像质量的目的：因为光在生物组织中的衰减比较厉害，选取光源的时 候要适当提高光源的亮度。 ( b ) 穿透深度 o c t 应用在高散射的生物组织当中，穿透深度不够。在不同组织中，光的穿 透能力是不样的，现在o c t 在混浊媒质当中的穿透深度一般都在2 - 3 m m “。如 果光源的波长1 5 0 0 1 7 5 0 n m 的红外波长“，在利用生物组织相容试剂，那么它的 成像深度也就是4 - 5 m m 。 ( c ) 成像精度 利用飞秒激光做光源“，o c t 纵向精度达到l u m ，基于o c t 技术的内窥镜纵 向精度是3 u m 。这样的精度要看清一些大细胞的大致结构还可以，但是如果要看 清细胞的有丝分裂，病理细胞结构，那是远远不够的。 ( d ) 采样速度 当前最大的采样速度是l o 帧每秒。在参考臂加入光学群延时( o d t i c a l g r o u pd e l a y ) 处理手段，可以取得视频的速度。影响这个速度的关键参数有， 调制速率，探测器感应速度和读取速度。 ( e ) 三位图像重构 o c t 纵向精度与横向精度不匹配，这是一个直接影响图像质量的原因。那么 要在这个基础上利用这些切片进行三维图像重构，重构的图像质量肯定就有问 题，在分析一些病理的时候，可信度自然降低。 1 4 本论文主要工作和创新点 本论文研究课题是在追求一种无侵入损害、高精度、高采样速度o c t 的背景 下展开的。论文的核心内容将围绕这些关键问题进行系统的研究和讨论。 为了使光学相干层析成像( o c t ) 真正成为生物医学工程和临床检测的工具， 还有上述的问题有待改善。这篇文章提出了l i n n i k 显微结构的全场白光 p s o c t ( f u l l f i e l dw h i t e l i g h tp o l a r i z a t i o n s e n s i t i v eo p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r p h yw i t hal i n n i km i c r o s c o p e ，l f p s o c t ) ，发展面场采样的、快速 的、高精度的、散斑影响小的成像技术。 1 4 1 本论文所做的工作 1 、分析当前光学相干层析成像( o c t ) 优缺点。 2 、建立光在生物组织中传播的模型，用m o n t ec a r l o 技术分析生物组织图 像与生物光学特性的关系，并研究o c t 图像对比度与显微物镜数值孔径、焦距深 度、时间门参数的关系指导o c t 结构的完善和创新。 3 、 从共焦显微技术角度分析，凭借数理方程和傅立叶光学的方法，从透镜 透过率函数，空间传播函数，三维相干成像函数入手，定性地分析这个系统对生 物组织成像的性能。 4 、 设计出基于l i n n i k 显微结构的全场白光p s o c t ，并根据这套系统，提 出一种分析生物组织双折射性质( b i r e f r i n g e n c e ) 的方法。这个系统能够对生 物组织进行全场采样，大大提高了系统的采样速度，能够实现图像三个方向的精 度都达到u 加量级。并给出了在白光照明下，从探测器c c d 探测到的信号中提取 生物组织双折射性质的方法。 5 、给出这系统的详细设计方案和挑选器件的理由，并分析精度，采样速度， 成像深度。 1 4 2 本论文的创新点和取得的成果 1 、建立光在生物组织中传播的微元等分模型，通过在传统m o n t ec a r l 0 模 拟程序机除上加入一些透镜透过率函数和光学传递函数，弥补了以往程序只能模 拟光在生物组织中传播行为的缺点。分析生物组织图像与生物光学特性的关系， 并研究o c t 图像对比度与显微物镜数值孔径、焦距深度、时间门参数的关系，指 导o c t 结构的完善和创新。 模拟结果表明：在构建o c t 时，参考臂与样品臂的这两个显微物镜的数值 孔径越大；生物组织的采样深度越浅；处理信号的时间门宽度越小( 但时间门宽 度不能小于激光脉冲时间) ，混浊生物组织图像对比度越好。 2 、 从共焦显微技术角度分析，凭借数理方程和傅立叶光学的方法，从透镜 透过率函数，空间传播函数，三维相干成像函数入手，分析o c t 成像性质，指 导o c t 结构的完善和创新。 3 、首次将臼光点光源、l i n n i k 显微结构用于o c t ，并设计出l i n n i k 显微结 构的全场白光p s o c t ，并根据这套系统，提出一种分析生物组织双折射性质 ( b i r e f r i n g e n c e ) 的方法。这个系统能够对生物组织进行全场采样，大大提高 了系统的采样速度，能够实现图像三个方向的精度都达到_ 口量级。给出了在白 光照明下，从探测器c c d 探测到的信号中提取生物组织双折射性质的方法。 1 5 本论文分析思路及章节安排 本文章分析思路见流程图1 1 。 光学相干层析成像( o c t ) 技术基础 n 光学仪器和o c t 的发展历史 ! j 之j r o c t 当前有待改善的问题 u 从i n o n t ec a r l o 模拟入手，分析上述f - 3 题与那些参数有关 u 从共焦显微技术角度 分析o c t 成像一陛质 。 从m o n t ec a r l o 模拟得出的结论， 提出l i n n i k 显微结构的全场自光p s o c t 设计方案 一 l 根据设计山的方案， 给出提取生物组织双折射性质的方法 j l 根据前面分析，给出详细的设计方案和 器件选择方案 u 总体评价分析这系统的各项参数 图1 1 本文章分析思路的流程图 本文章的章节安排： 第一章绪论。主要讲光学相干层析成像( o c t ) 技术基础，光学仪器和o c t 的发展历史，并分析o c t 当前有待改善的问题。 第二章用m o n t ec a r l o 模拟技术指导o c t 系统设计。从m o n t ec a r l o 模拟 入手，分析上述问题与那些参数有关。 第三章l i n n i k 显微结构的全场白光p s o c t 共焦成像分析。从共焦显微技 术角度分析o c t 成像性质。 第四章l i n n i k 显微结构的全场白光光源p s o c t 可行性分析。从m o n t e c a r l o 模拟得出的结论，提出l i n n i k 显微结构的全场自光p s o c t 设计方案，根 据设计出的方案，给出提取生物组织双折射性质的方法。 第五章l i n n i k 显微结构的全场白光光源p s o c t 的总体方案。根据前面分 析，给出详细的设计方案和器件选择方案，总体评价分析这系统的各项参数。 第六章结论与进一步的工作。分析仪器的缺点和进一步改善的地方。 天沣人学硕十学位论文 4 5 6 7 8 9 1 0 l l l i n n i k 显微结构的全场向光p s o c t 设计 参考文献 d h u a n g ，e a s a w a n s o n ，c e l i n ，j s s c h u m a n ，w g s t i n s o n ，w c h a n g ，m r h e e ，一f l o r e ， k g r e g o r y , c a p u l i a f l t o ，a n dj g f u j i m o t o ，“o p t i c a l c o h e r e n c e t o m o g r a p h 5 s c i e n c e ，v 0 1 2 5 4 ，p p l l 7 8 一1 1 8 l ，1 9 9 1 m e b r e z i n s k ia n dj g f u j i m o t o “o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ：h i g h r e s o l u t i o ni m a g i n g i nn o n t r a n s p a r e n tt i s s u e ，”i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e dt o p i ci nq u a n t u me l e c t r o n i c s ，v 0 1 5 n o 4 ， j u l y a u g e s t1 9 9 9 m e b r e z i n s k i ，g j t 色a r n e y ，b e b o u m a ，j a 1 z a t t ，m r ，h e e ，e a s w a n s o n ，jf s o u t h e m ， j g f u j i m o t o ，“o p t i c a l c o h e r e n c e t o m o g r a p h y f o r o p t i c a lb i o p s y ：p r o p e r t i e s a n d d e m o n s t r a t i o no f v a s c u l a rp a t h o l o g y , ”c i r c u l a t i o n ，v 0 1 9 3 ，p p 1 2 0 6 1 3 ，1 9 9 6 m e b r e z i n s k i ，g j t e a r n e y 。s a b o p p a r t e a s w a n s o n ，j f s o u t h e m ，j g f u j i m o t o ，“o p t i c a l b i o p s yw i t ho p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y , f o a s i b i l i t yf o rs u r g i c a ld i a g n o s t i c s ，”j s u r g r e s ， v 0 1 7 1 ，p p 3 2 - 3 8 ，l9 9 7 r w p h l l i p sa n dr k w o n g “b a r t e r se s o p h a g u s ：n a t u r a lh i s t o r y , i n c i d e n c ee t i o l o g y , a n d c o m p l i c a t i o n s ，”g a s t r o c l i n i c sn o r t h a m e t ，v 0 1 2 0 ，p p 7 9 1 8 1 5 ，1 9 9 l fz e m i k e ，“d a sp h a s e n k o n t r a s t v e f f a h r e nb e id e rm i c r o s c o p i s c h eb e o b a c h t u n g ，”z t e c h p h y s 1 6 ，4 5 4 1 9 3 5 gn o m a r s k i ，“m i c r o i n t e r f e r o m e t r i cd i f f e r e n t i a la i o n d e sp o l a r i s e e s ，”j r a d i a t p h y s 1 6 ， 9 - 1 3 5 1 9 5 5 r k o m p f e ra n dc j r s h e p p a r d “a p p l i c a t i o n so fq u a n t u me l e c t r o n i c s p a r tl _ t h e s c a n n i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ，”r e p 1 1 8 3 y 7 7 , - - o x f o r du n i v e r s i t ye n g i n e e r i n gl i b r a r y , u n i v e r s i t yo f o x f o r d o x f o r d 1 9 7 7 m m i n s k y , “m i c r o s c o p ya p p a r a t u s ，”u s p a t e n t3 ，0 1 3 ，4 6 7 - 1 9d e c e m b e r1 9 6 1 j gf u j i m o t o ，m e ，b r e z i n s k i ，g j t e a m e y , s a b o p p a r t , b e b o u m a ，mr h e e ，j f s o u t h e r n ，a n de a s w a n s o n ，“o p t i c a lb i o p s ya n di m a g i n gu s i n go p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r a p h y , ”n a t u r em e d ，v 0 1 1 , p p 9 7 0 - 9 7 2 ，1 9 9 5 b e b o u m a ，l e n e l s o ，gj t e a m e y , d j j o n e s ，m e b r e z i n s k i ，a n dj gf u i i m o t o “o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h i ci m a g i n go fh u m a n t i s s u ea t1 5 5 a n d1 8 1 口mu s i n g e r - a n dt m - d o p e df i b e rs o u r c e s , j b i o m e d o p t ，v 0 1 3 ，p p 7 6 - 7 9 ，1 9 9 8 b e b o u m a , gj t e a r n e y , s a b o p p a r t ，m r h e e ，m e b r e z i n s k i ，a n dj qf u j i m o t o ， “h i g h r e s o l u t i o no p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h i ci m a g i n gu s i n gam o d e - l o c k e dt i ：a 1 2 0 3 l a s e rs o u r c e ，”o p t l e t t ，v 0 1 2 0 ，p p 1 4 8 6 - 1 4 8 8 ，1 9 9 5 7 + 天津大学硕十学位论文 l i n n i k 显微结构的全场白光p s o c t 设计 第二章用m o n t ec a r l o 模拟技术指导o c t 系统设计 m o n t ec a r l o 模拟的方法，对分析问题具有非常强的针对性。这一方法已应用 到物理学的许多领域，如航空航天，系统工程、科学管理、生物遗传、社会科学 等学科领域。m o n t ec a r l o 模拟具有很大的灵活性和准确性，在许多领域充分体现 了它的独特功能和优越性。 在用m o n t ec a r l o 模拟方法模拟光在生物组织当中传输研究方面做得比较好 的有许多专家和课题组，如r u i k a n gkw a n g ，l i h o n gw a n g ，v ，v t u c h i n 等【1 1 _ 1 【3 j ， 他们探索了许多方法和准则来优化m o n t ec a r l o 模拟光子在组织中传输的过程。 文章这章节分析了光是怎样在生物组织当中传输的，并建立一个在样品臂中 的生物组织m o n t ec a r l o 模型，修改l i h o n gw a n g 博士所提供的程序，加入了 一些透镜透过率函数和光学传递函数，分析数值孔径、焦深、时间门与o c t 图 像对比度的关系。 2 1 生物组织光学特性参数 光在每一层生物组织中传输都受如下几个参量影响：空间量( g 变，体积量 和微元量) 和组织光学特性参数( 折射率，吸收系数p - 。( 1 ，c m ) ，漫反射系数 几( 1 c m ) 和组织各向异性参数g ) a 整体衰减系数卢，是吸收系数以( i c m ) ，漫反 射系数麒( 1 c m ) 之和。平均自由程( m f p l ) 由整体衰减系数，决定： m f p l ：1 a t 一 图2 1 朗伯一贝尔( l a m b e r t - b e e r ) 法则 ( 2 1 ) 在均匀的生物体中，入射光强，0 的单色平行光，n a n 点的n n x 上的光强 度，由朗伯一贝尔( l a m b e r t b e e r ) 法则( 如图2 1 所示) 可以得到如下表达式： i = i qe x p ( 一p 。x ) 但是，由于生物组织对光是很强的散射体，因此生物体内的光衰减，不仅 由于吸收，也有散射的影响。从而在不能忽略散射的条件下，上式便转化为 1 = i oe x p ( 一r x ) ( 2 2 ) 如果考虑生物组织表面的光反射( 菲涅耳反射) 的场合，其反射率为r ，在 方程式( 2 2 ) 的右边应该乘以( 1 _ r ) ，即 ，= i o ( 1 一r ) e x p ( 一u r x )( 2 3 ) 为研究散射光的性质，见图2 2 。由单一微粒所引起的光在所有方向上都是前 图2 2 散射光的特性 向散射。当散射角度小于9 0 0 时称为前向散射，大于9 0 0 时称为后向散射。 生物体的主要成要成分是水，皮肤、肌肉和内脏等。软组织( s o f tt i s s u e ) 图2 3 软组织中的各种物质的吸收系数与波长的变化关系 内的水分约为7 0 ，此外生物体还有蛋白质、脂肪和无机物等成分。水对红外光 线有着很强的吸收带。在生物体中不仅有水是光的吸收体，还有血液中的血红蛋 白。图2 3 给出了组织中一些物质对光谱的吸收系数。 2 2 建立组织分析模型 从图2 4 可以很明显看出，在样品 臂中只有那些返回到光纤的光线才有 可能对o c t 信号起作用。所以第3 类光 线可以被忽略。在组织中传播的光子 要么被吸收，要么继续传播。其中背 向散射回来的信号光可以分为两类： 第l 类和第2 类( 图2 4 ) 。第1 类光来自 特定的分析层，它中心深度与参考臂 光程相等，厚度d ? 可以由幼4 7 气。决 定5 ，乙是光源的相干长度。第2 类因 为不是从特定分析层回来的光，所以 它不是所希望的信号。 4 z 图 图2 5 是特定漫反射层和微元结构的原理图。初始光被归一化均匀的照射在 样品上。图2 。5 。a 描述了在生物组织中整个光束。所要分析的微元( v o l u m e e l e m e n t s ) 是图2 5 b o e 粗实线包围着的那个部分，厚度是4 z ，距离表面层的 距离为z 。微元( v o l u m ee l e m e n t s ) 划分方法可见图2 5 c ，整个圆被分成n 个具有完全宽度的同心圆环，由里到外为1 ，2 ，3 - - n 而且第j 个圆环又被分为2 卜l 等分每一等份的面积与中心圆的面积相等。为了使最初光子束权重相等，则定 义每一个同心圆环宽度为4r = r n = 4z 乏。2 n 。 在组织中的光束简化为一个锥形，如图2 5 a 所示，可以得到： m dl，l r = r o + l h z t a n ( a r c s i n 竺) ，( h 一形。s = h + 。) ( 2 4 ) 其中n a 为光纤的数值孔径，盎为焦点距离生物组织表面的深度，z 为特定漫 a bc 图2 5 特定漫反射层和微元( v o l u m ee l e m e n t s ) 结构的原理图 反射层中，t l , 距离生物组织表面的深度，为焦点的半径，n 为生物组织的折射率。 2 3m o n t ec a r l o 模拟的过程 m o n t ec a r l o 模拟的详细步骤可见l i h o n gw a n g 博士文章“1 。l i h o n gw a n g 博 士所提供的程序只能模拟简单的多层组织中光传输状态，为了研究光在光学相干 层析技术( o c t ) 的样品臂的组织中的传输状态，研究数值孔径、焦深、时间门与 o c t 图像对比度的关系，对程序做了一些修改，加入了透镜透过率函数和光学传 递函数，弥补 l i h o n gw a n g 博士所提供的程序不能模拟光学器件( 如显微物镜， 时间朽) 对o c t 图像有何影响的缺点。 光子被归一化处理，按照一定的权重被分为一序列的光子束，然后追踪光子 束所传播过的长度。 在这模拟当中，没有进入到光纤的光子束被舍去( 如图2 4 所示) ，只有那 些返回到光纤的光子束才能对o c t 信号产生作用。 2 4m o n t ec a r l o 模拟的步骤 图2 6 所示的流程图描述t m o n t ec a r l o 模拟的步骤【6 l 。m o n t ec a r l o 模拟可以 分如下几个步骤。 a 光子的初始化 按照入射条件确定起始跟踪点和初始光子( 权重，方向，位置) 。一个用来 改进m o n t ec a r l o 模拟速度的方法是光子束，即使在某个方向上传播许多光子， 这光子束光子的多少就是权重。定初始化光子权重为1 。光子每经历一个步长， 就要被衰减一部分，光子的权重变为彤= ，r 。+ f ，j 。 b 产生光子传播的步长a s 要确定光子下一次碰撞位置，就首先要确定光子传播的步长4 s 。光子传播 的步长s 受平均自由程( m f p l ) 限制1 7 】： s 2 ，p “2 f 佗5 、 但是步长a s 也不能选的太小，如果太小，不仅光子在传播时很难与组织相 互作用，而且也耗费大量m o n t ec a r l o 模拟时间。一个选取步长d 研艮有效的方法 是利用b e e r - l a m b e r t 法则： p r = c x p ( 一“s )( 2 6 ) 其中p ，是穿透率，0 p r 1 ，我们知道p 提在 o ，1 1 均匀分布，那么 a s ：一上l n n “ ( 2 7 ) c 光子的迁移 一个光子的传播状态要用五个变量才能完全确定 8 】：三个空间量用来确定光 传播一个步长，传播的方向余弦( 以，以，以) ，戽+ ；+ 正= 1 ，穿过一个步 长a s 后，它的漫反射角度为( 目，妒) ，光子新的位置为( x ，y ，弓) 方向余弦 为( 儿，卢w ，以，) ，那么可以算得到如下表达式： 训摊引 b ， d 选取适当的散射相位函数 出于吸收会导致的权重衰减，选取适当的散射相位函数确定光子的传输状态 是非常关键的。由于散射而导敏的万向改受 h e n y e y - g r e e n s t e i n 相位函数来确定漫反射角度： 12 尸( c o s o ) 。丽百c l - - 虿, g 研 从上式可以推导出更适用的方程， c 。s 牡- 坝去gv l + 9 2 - ( 而1 ：- 烈g - 。，) i e 光子束的结束 传输状态也随着变化。用 f 2 1 0 1 ( 2 1 1 ) 怎样结束跟踪的光子呢? 如果从极限角度考虑，光子永远不可能达到零。但 是光子束权重达到一定时，它产生的信号就非常小，这时就可将其忽略不计了。 选取一个光子权重阈值，如果光子权重小于这个值，或者离开研究的区域，则结 束对该光子的跟踪，然而开始对下个光子束的跟踪，否则重复以上步骤，直至跟 踪完所有设定的光子束完毕。 2 5m o n t ec a r l o 模拟的结果 这模拟所用的光是中心波长为8 2 0n m ，带宽( f u l l w i d t h a t h a l f - m a x i m u m ( f w h m ) ) 为2 5n l n 的s l d ，它的相干长度厶= 2 6 9 u m 。光学参数是：样品臂的光 纤直径d =