（物理电子学专业论文）偏振频域光学相干层析成像系统的研究.pdf

中文摘要 光学相干层析成像技术( o p t i c a lc o h e r e n tt o m o g r a p h y ，o c t ) 在生物组织 的微观结构成像的研究中起着重要的作用，它是一种非接触的、无损伤的和高性 能的成像技术。和传统的时域o c t ( t i m ed o m a i n o c t ) 相比，频域o c t ( f o u r i e r d o m a i n o c t ) 能够提供了更高的分辨率，更高的动态范围，以及更高速的成像 速度，被广泛的应用在了生物组织医学成像等方面。但不可否认的是，对于像跟 腱，角膜，视网膜，骨头，牙齿，神经，肌肉等具有双折射特性的生物组织，f d - o c t 没有足够的能力来描述这些它们的分层结构和双折射的对比度。偏振o c t ( p o l a r i z a t i o ns e n s i t i v e o c t ) 的基础正是由于样品组织对于偏振光的敏感性而建 立的。因此，p s o c t 是描述具有双折射特性组织的强有力的工具。 本文主要研究频域o c t 的基础理论，结合偏振的相关理论，在国内外o c t 系统的基础之上，创新的搭建了偏振频域o c t ( p o l a r i z a t i o n s e n s i t i v e f o u r i e r - d o m a i no p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，p s f d o c t ) 实验平台，并基于实 验平台，开展一系列的研究工作。 p s f d o c t 用来研究生物组织的后向反射光，从而无损伤的得到高分辨率 的斯托克斯向量图像。p s f d o c t 系统同时具备了偏振o c t 和频域o c t 两种 系统的优点。通过分析来自生物组织内部的后向反射光的垂直偏振和水平偏振的 复杂信号，重构了生物组织的斯托克斯向量图像( i ，q ，u ，v ) 和相位延迟图 像( 6 ) 。同时，应用了双相位的方法来消除由于光学系统中反射引起的直流噪声 项和相关噪声项。 最后，应用自行研制的p s f d o c t 系统对猪跟腱组织，兔子眼睛和其它具 有双折射特性的生物组织进行成像，结果表明p s f d o c t 技术对具有双折射特 性的生物组织的研究有着很大的潜力。因此，该技术将对医学影像的应用有着非 常重要的促进作用。 关键词：频域偏振光学相干层析成像，双折射，频域，生物医学成像，双相 位方法， 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 ) h a sa l li m p o r t a n tr o l et oi n v e s t i g a t et h e m o r p h o l o g i c a lm i c r o s t r u c t u r e si nb i o l o g i c a lt i s s u e i ti sa ne m e r g i n g ，n o n i n v a s i v e ， p o w e r f u lt e c h n i q u et oi m a g eb i o l o g i c a lt i s s u e s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lt i m e d o m a i no c t ( t d o c t ) ，f o u r i e r - d o m a i no c t ( f d - o c t ) o f f e r sh i g hs e n s i t i v i t y , h i g h d y n a m i cr a n ga n dh i g hi m a g i n gs p e e d t h em o s tp r o m i n e n ta p p l i c a t i o no fo c t i si n i a t r o l o g yw h e r ei th a sp r o v e dt ob eau s e f u lt o o l f o ri m a g i n gb i o l o g i c a lt i s s u e s a d m i t t e d l y , t h e r ee x i s t sb i r e f r i n g e n c ei nt e n d o n ，c o r n e a , r e t i n a , b o n e ，t e e t h ，n e r v e s ， m u s c l ea n ds oo n h o w e v e r , i ti sab l e m i s ht h a tf d - o c th a sn ot h ea b i l i t yt o d i s c r i m i n a t es u c h b i r e f r i n g e n c e c o n t r a s t t h i s p r o b l e m c a nb es o l v e d b y p o l a r i z a t i o n - s e n s i t i v eo c t ( p s - o c t ) i t ss e n s a t i o nt ob i r e f r i n g e n c ei sd u et ot h o s e s p e c i m e n s s e n s a t i o nt op o l a r i z e di n c i d e n c el i g h t i th a sb e e nd e m o n s t r a t e dap o w e r f u l t e c h n o l o g yi nd i s c e r n i n gb i r e f r i n g e n c ec o n t r a s to f m a n yt i s s u e s ap o l a r i z a t i o ns e n s i t i v ef o u r i e rd o m a i n 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 ( p s - f d o c t ) s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dt on o n i n v a s i v e l ym a pd e p t h r e s o l v e d i m a g e so fs t o k e sp a r a m e t e r so fl i g h tb a c k r e f l e c t e d t h ep s - f d - o c ts y s t e mi sd e v e l o p e dt oc o m b i n et h ep o l a r i z a t i o n - s e n s i t i v e c o n f i g u r a t i o nb a s e do nt h ei n i t i a lf d o c t s oa st oi m a g ei nb i o l o g i c a lt i s s u e t h e nt h e s t o k e sv e c t o ri m a g e s ( i ，q ，ua n d a n dt h ep h a s er e t a r d a t i o ni m a g e ( 6 ) w e r e o b t a i n e db yp r o c e s s i n gt h ea n a l y t i c a lc o m p l e xf r i n g es i g n a l sf r o mt w op o l a r i z a t i o n c h a n n e l si nb i o l o g i c a lt i s s u e m o r e o v e r , at w o - p h a s es h i f t i n gm e t h o di si n t r o d u c e dt o e l i m i n a t et h ea u t o - c o r r e l a t i o na n dz e r o - p h a s en o i s e sc a u s e db yt h er e f l e c t i o n sf r o m v a r i o u so p t i c a li n t e r f a c e si nt h et i s s u e t ov e r i f yt h ea d v a n t a g ea n de f f e c t i v e n e s so fo u rs y s t e m ，p o r c i n et e n d o n ，r a b b i t e y e sa n do t h e rb i o l o g i c a lt i s s u ee x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e d i th a sb e e nd e m o n s t r a t e d t h a tt h i ss y s t e mm a k e sg r e a ts e n s ei nb i r e f r i n g e n c eb i o l o g i c a lt i s s u ea n di nc l i n i c a l a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：p o l a r i z a t i o ns e n s i t i v ef o u r i e rd o m a i no p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r a p h y , b i r e f r i n g e n c e ，f o u r i e rd o m a i n ，m e d i c a la n db i o l o g i c a li m a g i n g ， t w o - p h a s es h i f t i n gm e t h o d ， 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鲎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：至王之莓签字日期：3 口。7年f 月矸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂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i y 习$ d 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： 乡互南军 导师签名：互伪氯 签字日期：矽97 年7 月冲f i 签字日期：加7 年月力垆日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 从18 世纪开始，显微镜就成为生物学家必不可少的工具。光学显微技术是观 测物质精细结构，进行活体细胞、细菌、微生物的显微观察的最古老形式，直到 目前，由于它结构简单，使用方便，价格便宜，即增加了人的视见能力，又不会 损伤样品，各种类型的光学显微镜仍然广泛应用于医学、生物学、金属、采矿、 地质、环保等各个领域。 随着2 0 世纪6 0 年代激光的发明，又为医学增添了一种新的外科手术设备。激 光与传统光相比较具有突出的单色性、方向性、相干性等特点，光学相干显微术 就正是利用了激光相干性好的这一特性，使其成为9 0 年代光学显微术取得的最为 重要的科技新近展。 光学相干层析成像技术( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，简称o c t ) 1 1j 是一种 新型的成像技术，已经在微观生物组织成像的研究中发挥了重要的作用。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图像。 1 1 光学相干层析成像技术的发展和现状 1 1 1 光学相干层析成像技术的发展 显微成像技术已经发展了很长时间了。为了观察生物组织、微生物组织和了 解材料的结构，人们发展了多种成像技术，例如：x 光技术及层析技术、核磁共 振技术、超声、正电子辐射层析技术及光学层析成像技术o t ( o p t i c a it o m o g r a p h y ) 等。在o t 技术中的光源主要采取红外或近红外光( 7 0 0 - - - 1 3 0 0 r i m ) ，该波段光较 容易透过某种生物类混沌介质，对生物活体无辐射伤害，而且通过分析光谱还可 以获得组织的新城代谢功能等信息。因此o t 技术正在生物医学界得到广泛的研 究和应用。根据原理o t 技术可以分为两类：散斑光学层析成像技术d o t ( d i f f u s e o p t i c a lt o m o g r a p h y ) ，和光学衍射层析成像技术o d t ( o p t i c a ld i f f r a c t i o n t o m o g r a p h y ) 。 o 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 ) 技术是在o d t 技术的技术之上发展起 来的【2 】1 3 】。1 9 9 1 年哈佛大学医学院的d a v i dh u a n g 博士等人在s c i e n c e 上发表了 第一章绪论 o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ! l 】一文，o c 丁i 光学相干层析成像技术宣布了他们的 实验结果。他们利用一种类似麦克尔逊干涉仪的装置，加上横向纵向扫描，成功 的实现了眼底和眼前室的活体动态层析成像。由于o c t 系统具有结构简单、设备 造价低廉，并可以实现高精度的组织成像，一经提出，立刻引起了广大研究者的 浓厚兴趣。1 0 多年来在国际一流期刊上已经发表了有关o c t 研究的文章数千篇。 o c t 主要适用于多层结构生物组织如视网膜，皮肤组织等。通常，它的最小分辨 率可达1 0 到2 0 微米【l 】。目前o c t 系统己经成功的应用到青光眼研究，神经外科与 神经科学研究，皮肤癌诊断，神经外科指导，癫痈脊椎手术，提供临床牙科诊断 图，牙外科，牙跟，牙勃膜疾病诊断，密度物质研究等等很多方面隅儿9 1 。 1 1 2 光学相干层析技术的现状 近年来有关o c t 的理论发展很快，已经经越来越清晰，理论的发展导致了 新技术的产生，并使o c t 系统的性能不断提高o 现在o c t 系统的主要研究方向 是：光源的改进，更好的穿透深度，更高的成像精度，更快的采样速度，更逼真 的图像重构和更快捷的临床应用等方面。 o c t 在医学领域处于特殊重要的地位，它不仅安全可靠，而且可以实现非 接触测量，并可以进行多方位多层面、高速度和无损伤的成像。由于可以获得层 析成像达微米量级的空间分辨率，能给出动态时间分辨图像，这种技术被广泛用 于临床检查和外科手术微结构成像。当前o c t 主要被应用在三个光学成像领域： 通过肉眼或借助低倍放大镜可见的物质结构的成像；通过精密显微镜放大可见的 物质的成像和内窥镜成像口1 。 o c t 成像的纵向分辨率由光源的相干长度决定。通常宽带光源如超辐射激 光二极管的相干长度很短，一般为i o 一3 0i im ，它的使用使o c t 成像具有较高 的纵向分辨率。同时，介质内光束的横向尺寸决定了其横向分辨率。在o c t 系 统的信号检测中，信号在埋在大量的背景噪声中，为了抑制噪声通常采用外差检 测的方法，如锁相放大技术对微弱信号进行处理，这样的o c t 系统在较大的动 态范围内具有较好的检测精度【1 1 1 4 1 引。 尽管分辨率很高，但由于散射光子的强烈衰减，o c t 对生物组织的成像深 度仅有几个毫米，如人的皮肤，成像深度仅为2 - 3 m m ，但许多临床上的应用处 于这个成像深度范围内。o c t 除了应用于眼科疾病的诊断外。另外，它还有以 下几方面的应用： ( 1 ) 用于组织折射率的检测1 6 儿7 j ( 2 ) 角膜或眼底厚度的测量i s j l 卅 天津大学硕士学位论文 ( 3 ) 组织衰减系数的测量f 1 o 】【1 1 】【1 2 】【1 3 】 ( 4 ) 血流速度和粒子运动测量1 1 4 】【1 5 】 ( 5 ) 组织双折射的测量，用于烧伤组织的检测【1 6 j 【1 - i 1 ( 6 ) 组织或材料成像f 1 叨 1 2 光学相干层析系统的分类 将一束光打到组织表面，光波进入组织，在传播的过程中一些光波被不同深 度的组织结构反射，在表面接受反射回来的光波，通过检测这些反射光在组织中 传播用的时间延迟或者说是光程差，就可以得到相应组织结构在组织中的不同深 度返回的光信号，而这些光则反映了反射界面两面介质的某些信息，通过收集不 同深度反射光提取该深度的信息，就可以得到组织对某些光学参数的不同层的图 样，达到层析成像的目的。这些反射光的测量和筛选是解决问题的关键，低相干 干涉仪则可以解决这个问题。通过低相干干涉仪可以得到组织在各个深度上一维 扫描图样，这样的干涉仪最早被用在检测光学零件上叫o c d r ( o p t i c a lc o h e r e n c e d o m a mr e f l e c t o m e t r y ) ，而o c t 则是在o c d r 的基础上加入了对组织表面的二 维扫描。选定一个扫描深度，一次二维上的扫描就可以得到一个断层的图样，通 过选定不同的二维扫描深度，最终达到层析成像的目的。由于低相干干涉仪使用 的宽带光源的相干长度很短，使得o c t 能够后得到很高的纵向分辨率，一般1 0 至2 0 微米，远远超过一般的超声波、c t 、核磁共振等层析成像方法。 根据光学相干层析成像技术的原理，当前o c t 系统可以分为：时域o c t 系 统( t d o c t ) 2 0 - - 2 3 1 ，频域o c t 系统( f d o c t ) 哗】。t d o c t 是主要基于随着 参考臂光学延迟线移动，样品臂和参照臂的等光程点进行深度扫描的威像方法。 与t d o c t 相比，f d o c t 取消了深度扫描装置，不需要通过移动反光镜来获得 光程差，它可以得到高速的，高分辨率的成像效果，这是由于它在纵向方向有高 速的成像速度1 2 5 j 1 2 6 】。此外，根据o c t 系统的实现功能上可分为：偏振o c t ，多 普勒o c t 。吸收o c t ，弹性o c t ，量子o c t 等。 o c t 探测深度超过传统的高亮场显微镜和共焦显微镜，有研究报道称在透 明组织中如：眼睛，青蛙胚胎等组织中探测深度可以达到2 厘米，在如皮肤，血 管壁等高散射组织中也可达2 毫米。而且相对于另外一些复杂昂贵的断层扫描仪 器，搭建一个o c t 系统相对来的简单而又便宜。 第一章绪论 1 3 本论文研究的主要内容和意义 本论文主要在原有的o c t 系统基础之上，创新的发展了一种新的o c t 成像 系统，这种系统将偏振o c t ( p s o c t ) 和频域o c t ( f d o c t ) 很好的结合起来， 设计出了偏振频域o c t 系统( p o l a r i z a t i o n s e n s i t i v ef o u r i e r - d o m a i no p t i c a l c o h e r e n c et o m o g r a p h y ，p s - f d - o c t ) ，并成功地搭建了p s - f d - o c t 系统装置， 用此装置成功地做出了系列的生物组织图像。 1 3 1 本论文研究的意义 对于传统的时域o c t 系统( t d o c t ) ，虽然有前面提到的很多优势，但是 由于系统原理上的限制，必须进行参考臂的深度扫描，即通过扫描参考臂来获得 不同的参考臂光程，从而获得层析图像。这样必然会影响层析图像的成像速度， 同时也会增大系统的相关噪声。另外，对于t d o c t 的信号接受是通过光电转 换二极管作为信号接收装置的( p h o t o d e t e c t o r ) 逐点采集数据的方式，这样会影 响层析成像的质量和速度，也会降低信噪比。而后来发展起来的频域o c t 系统 ( f d o c t ) 在原理和结构上改善了这些缺陷，有效的提高了成像速度和质量， 提高了信噪比。但是，在实际应用当中，跟腱，角膜，视网膜，骨头，牙齿，神 经，肌肉等大部分的生物组织具有双折射特性，实际的分辨率会受到生物组织的 散射和双折射特性的限制，使实际分辨率达不到理论值，f d o c t 对于具有双折 射特性的生物组织的层析成像的分辨率和对比度的提高受到了限制。偏振o c t 系统( p s o c t ) 对于双折射特性的敏感性是由于样品组织对于偏振光的敏感性。 它利用偏振光对生物组织探测，有效地提高了双折射生物组织探测的实际分辨率 和对比度，但是目前发展的p s o c t 系统主要的是基于时域的，因此不可避免的 具有时域o c t 系统同样的缺陷。 本论文总结和分析了国内外已有的各种o c t 系统，在此基础之上，创新的 设计了偏振频域o c t 系统( p o l a r i z a t i o n s e n s i t i v ef o u r i e r - d o m a i no p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r a p h y ，p s f d - o c t ) ，使f d o c t 和p s o c t 很好的结合起来，融合了两 套系统的优点，成功的搭建了p s f d o c t 系统。这样使f d o c t 的高速，高质 量，高分辨率的优势与p s o c t 的对具有双折射特性的生物组织的分层结构的探 测的优势很好的结合起来。并且使用这套系统成功的对具有双折射特性的猪的跟 腱，兔子的眼睛和其他生物组织进行了层析成像试验，验证了系统的正确性，作 出了高质量的偏振图像，图像与实际解剖图完全吻合。另外，系统还结合了本研 究室已经成熟的双相位的技术( t w o p h a s es h i f t i n gm e t h o d ) 来去除图像中的直 天津大学硕士学位论文 流噪声和相关噪声，提高成像效果。 。 研究结果表明，偏振频域o c t 系统的研究对于医学影像方面，特别是针对 具有偏振效应的生物组织成像有着重要意义，同时对于现代新型o c t 系统的发 展起到了重要作用。 文章的展望部分还提出了一套带制冷的光栅光谱仪的设计方案，作为系统今 后的重要改进内容，这样可以大大提高光谱仪接收干涉条纹的速度和质量，并可 以有效地降低暗电流信号对成像质量的影响，其中的制冷系统可以有效地提高信 号的信噪比。这样可以使p s f d o c t 系统更加完善。 1 3 2 本论文的主要研究内容 1 光学相干层析成像技术的综述，分析当前o c t 系统的特点和分类。 2 叙述传统o c t 的理论背景：惠更斯- 菲涅耳( h u y g e n s f r e s n e l ) 理论和 关于光子的微粒散斑。 3 针对p s f d o c t 系统介绍生物组织胶原质的双折射的理论、双折射的类 型和生物组织的偏振；然后，针对我们所设计的系统介绍偏振光分解和 表示法，并对系统光路推导、系统理论和图像重建理论所要用到的琼斯 ( j o n e s ) 矩阵、米勒( m u e l l e r ) 矩阵和斯托克斯( s t o k e s )向量理论 作出阐述。 4 详细分析频域o c t 和偏振o c t 的原理，特点。并分析偏振频域o c t 系 统( p s f d o c t ) 的理论基础，成像光路推导，以及p s f d o c t 系统的 原理。并在系统中使用了双相位方法( t w o p h a s es h i f t i n gm e t h o d ) 【27 j 的 理论分析。 5 基于我们设计出的p s f d o c t 系统，进行一系列的生物组织图像的分 析，来验证系统的效果和正确性，并检验利用双相位方法成像的效果。 6 总结全文，并对p s f d o c t 系统进行展望。 第二章传统光学相干层析成像技术的理论基础 第二章传统光学相干层析成像技术的理论基础 绪论中，主要讨论了光学相干层析成像技术的历史和现状，光学相干层析成 像系统的分类，以及本论文的意义和创新点。在这一章中，主要介绍传统光学相 干层析成像系统( o c t ) 的主要理论基础。 2 1 惠更斯菲涅耳( h u y g e n s f r e s n e l ) 理论 光子在混浊的介质中传播，主要遵守着衍射的原则。为了分析处理方便， 通常把生物组织作为均匀的介质来分析。惠更斯一菲涅耳原理能够很好的解释在 均匀介质中的传播发生的衍射现象，也是处理这种衍射问题的基本原理睇引。 其主要思想是，任一时刻波前的每一点都可看成是新的子波波源，下一时 刻的波前则是这些子波的公切面或包络面，所以可以用作图的方法很方便的找出 波传播的方向。同时，考虑到来自同一波前，它们必定是相干的，因此求出各子 波的干涉效应，也就得到了新波前的强度分布了。 图2 - 1 惠更斯一菲涅耳( h u y g e n s - f r e s n e l ) 原理几何 图2 - 1 所示，设d s 为q 点处开孔的小面积元，入射长u ( q ) 在q 点d s 上 激发起次波场，其强度可认为与u ( q ) d s 成正比。此时，从d s 上出发的球面次 波在p 点引起的振动为 叱( 力= 七( p ) u ( 护) t 华 ( 2 - 1 ) 式中r = q p 代表从q 到q 的距离，e - i k r 则代表从q 点发出的球面波传到p 点 ， 时的振幅和相位的变化。倾斜因子k ( 0 ) 在正入射时可表示成 足( 汐) = 寺( 础) ( 2 2 ) 天津大学硕士学位论文 把上式代入( 2 1 ) 有次波的叠加效果，( 2 2 ) 并对这个开孔面积求积分就是入射光经 过开孔后在p 点处所即p 点复振幅为： u ( p ) = 寺【，( 口) 竿( 础) 以 ( 2 - 3 ) 对于以上讨论只适用于均匀介质，而生物组织是一种相对不均匀的介质，所 以惠更斯一菲涅耳原理不能简单的应用于光在生物组织中的传播处理。 l u t o m i r s t i 和y u r a 等人把惠更斯一菲涅耳原理正是根据光在均匀介质和不均匀介 质中传播的相似之处与不同的地方把惠更斯一菲涅耳原理扩展到了光在生物组 织中的传播处理。这个原理的推导应有了格林定理和基尔霍夫近似。l u t o m i r s t i 和y u r a 等人认为在观察点r 的光场u ( r ) 是由于光源p 处的光场uq ) 而产生的。 所以可以表示为： u ( ，) = g ( ) u ( p 烤 ( 2 - 4 ) 上式中p 和r 是在输入平面和输出平面处对于光轴的横向二维矢量。此外， g ( p ，r ) 在介质中从光源p 点到r 点的球面波的传播的扩展h u y g e n s - f r e s n e l 格林 函数。可以表示如下： g ( p ，) ：七心) 竺匹剑a r c s i n 秒 ( 2 5 ) 其中的s = i p - r i 是r 和p 之间的几何距离，y ( p ，) 是由于p 处球面波的发 散在r 处产生的扰动。k ( z ) = 音( 1 + c o s z ) 是一个倾斜因子，并且在很小的散射 角时，它可以为一万1 = 一尝。( p ，) 描述了异质介质对球面波的传播的影响， 它可以表达为： ( p ，) = e x p 矿( p ，) ( 2 6 ) g o ( p ，) 是在异质介质种波从p 到r 传播的h u y g e n s - f r e s n e l 格林函数。 o o ( p ，) ：七( z ) 竺掣 ( 2 - 7 ) 在近轴相似的情况下，上式中s = z + 去( p - ，) 2 可以表达为s = z 。所以扩展 的h u y g e n s f r e s n e l 原理在这里可以写成： u ( ，) = g o ( p ，) ( p ，) u ( p 烤 ( 2 - 8 ) 格林函数g d ( p ，) 给定为： g o ( p 一一差唧( 蛳x p i 芝( 烨) 2l ( 2 - ” 等式( 2 9 ) 表明了如果知道球面波在异质介质中，当在等式( 2 6 ) 中提到的扰 动y ( 办，) 可以知道的情况下，由于一些任意复杂的扰动的场也是可以被计算的。 第二章传统光学相干层析成像技术的理论基础 2 2 关于光子的微粒散斑 光学相干层析成像系统在进行探测的过程中，干涉仪需要利用组织方向散射 光波的空间时间相干性，然而这种相干又会引起散斑。这些散斑会降低o c t 图 像的质量。散斑噪声降低了对比度，并且在难辨认组织高散射结构之间产生界限。 然而o c t 是电子散斑形式的干涉成像f 3 0 】，如果移走组织图像中的全部散斑，那 么图像也就没有了。 从组织结构表面反射回来的光束形成了亮斑和暗斑，它们和组织结构表面无 明显联系，只要表面轻微的移动就会使它们改变。早期的学者从任意相干回波的 干涉中发现了这种现象，并称之为激光散斑。几十年过去了，人们发现散斑的重 要性，它是所有窄带探测系统，如雷达、超声、无线电信号和图像的基本特性除 了光学特性和物体的移动，光源的尺寸、时间相干性，传播光束的漫反射和相位 偏移，探测器的尺寸等均会影响散斑。所有这些因素都有助于发现活体组织o c t 图像中散斑的特性。下面就简要的介绍下散斑的产生及其减少的方法。 在光学相干层析成像中，样品放在干涉仪其中一臂会聚透镜的焦点处，扫描 过程中单干涉仪另一臂的光路发生变化时，干涉仪输出端的光接收器会有电流产 生。光电流与参考光电压u ，以及从样品反射回来的光电压u 。，的乘积程正比： o cr ( u f ) ( 2 - 1 0 ) ) 表示时间和空间平均。若光源为准单色的，根据两臂之间光路差异z ，光电 流可以表示为： ( f ) = k i g ( f ) l c o s l2 万f + 矽( f ) i ( 2 11 ) k 是和光的电变量相关的比例常数，i g ( f ) l 和p ) 分别是( 2 一l o ) 式中乘积 的振幅和相位。k ( f ) l = 以( ，) u o + f ) ) 描述了时域相关。 从等式( 2 1 1 ) 可以看出屯( f 1 与散射和参考光域乘积的相位和振幅均有关。 光电流对相位非常敏感，因此使得o c t 很容易受散斑影响。理想情祝下，在样 品臂的透镜交点处放置一相当平的反射镜，光源复杂的自相关函数决定了等式 ( 2 1 1 ) 中( f ) 的相位大小。然而，若样品为一高散射组织，则矿( f 1 不再是确 定性变量，因为经过漫反射，样品光束不再相关。 照在组织上的会聚光束通过组织传播到样品，再反射回来，接着又一次通过 组织到达镜头，这一过程光束发生一系列的变化，两个主要的过程影响回波的空 间相关性：一，样品内的漫反射：二，前向传播的任意延时和前面漫反射的回波。 天津大学硕士学位论文 虽然前者是硬表面图像散斑的主要来源，但在像o c t 这样用贯穿波的相关图像 系统中后者也不容忽视。两个过程的共同特点是它们会改变回波前的形状，产生 局部结构性和破坏性的干扰，于是形成了o c t 图像中的散斑。尽管o c t 中用的 光源时间相干性很短，但仍会产生漫反射。两个以上的样品的反射体，反射到达 探测某点相位之差小于光源相干时间间隔的光波，这样便形成了散斑。假设距离 不超过光源在介质中的相干长度，则从任意相隔半波长奇数倍光学距离的点反射 体反射的光波均会产生散斑。从单个粒子不同侧面反射的波以一种相似的方式产 生散斑【3 l 】【3 2 1 3 3 。 实验和仿真结果都表明应进一步强调o c t 散斑形成过程中漫反射的重要 性，因为它减弱了o c t 图像中散射体当地密度和强度变化的关系，所以可以认 为这种散斑是噪声。如果所有从样品方向散射的光波均形成干涉，那么o c t 图 像中特征对比度将会显著提高。然而若完全去掉散斑，则会产生另一个基本问题。 现在可以讨论散斑的两种类型：信号载体散斑和降低信号散斑。光相干层析 成像中信息量最多的地方为散射光区域的单反向散射部分，因为它的空问频率受 成像镜片的衍射限制。可是要形成单反向散射，光束通过上覆组织时必须没有散 射，在焦平面内一个粒子( 且只有一个) 反射，然后同样没有散射的通过上覆组 织回到探测器。当探测较深组织时，只有这种在时间相干间隔内的反射可能降至 很小。在o c t 中信号载体散斑产生于成像镜片聚焦区的样品，且投射的平均点 尺寸最大。信号降低散斑区由小散斑组成，这些小散斑产生于焦点之外，由于经 过多次散射恰好在干涉仪两臂光路不同所引起的延时内返回而形成。掺杂很多小 散斑的光学区产生平均幅值接近零的干涉信号，且随干涉仪两臂扫描光路而波动 很小。因此在o c t 中大角度散射产生的散斑相对容易抑制。 在o c t 图象中减少斑点的方法包括如下几类：偏振的方法，频域的方法， 空间域的方法和图像后处理。这些方法中绝大多数是靠降低分辨率来换取斑点对 比度的下降。有效地减少斑点的方法是使o c t 系统的光学频率和空间频率的带 宽分别增宽，这两方面又分别被对应的光源带宽和物镜的数值孔径所限制。下面 就这几种已被采用或可行的减少散斑的方法作一个概述。 ( 一) 偏振合成法 用非偏振光照亮样品和用非偏振参考光束的反向散射光的干涉，就偏振合成 法。用非偏振保护单模式光纤自动完成一种偏振合成的干涉仪是大多数o c t 扫 描仪的基础。然而大多数光纤不可能完全独立偏振，所以不能假设相对的偏振状 态为相等的光混合。独立偏振干涉仪的结构基于光纤反射，光纤反射和生物组织 的光相干层析成像工作同样好【3 4 】。偏振合成法的局限性在于它的信噪比最多只能 是完全形成散斑的2 倍。因为载偏振信号散斑的偏振性比大角度散射信号散斑 第二章传统光学相干层析成像技术的理论基础 要好，所以o c t 中实际增加的信噪比会小一些。 ( - - ) 空间合成法 在空间合成法中，信号的绝对幅值从同样的样品或略微偏移的样品中得到， 这些新信号的散斑噪声要小很多。加在基础幅值上的信号是很重要的，因为从不 同的噪声中得到的增加的信号幅值，不会增加信噪比，这种方法的有效性取决于 信号的平均数量以及它们的相干。 一种实现空间合成的方法叫角度合成，它是近期才应用在o c t 上的t 3 5 。一 组探测器放置在物镜傅立叶平面的背面，在不同的角度接受从样品反射回来的 光，每一个探测器接受到的调制光电流的绝对幅值加上得到的减少了的散斑种类 合成信号。这种方法的优点是探测器的数目可因信号载体散斑和信号降低散斑的 最佳分离而改变。为了实现最佳性能，当提供为了达到期望的探测深度的工作距 离时，镜头的n a 应尽可能的大，以此来增加每个探测器收集到的光的角度。 在比检波器的时间常数短的时间间隔内，通过在探测器平面来回扫描参考光 束，可以实现只用一个探测器的空间合成法。这种方法在用声一光技术的激光雷 达中用到过，但是在o c t 中的应用要复杂一些，因为在声一光扫描仪中光散射 必须做修正，光源的频带要宽。光纤o c t 成像系统的简单而低廉的空间合成技 术还未出现有人使用的报道。 ( 三) 频率合成法 频率合成法利用了不同的光学频带中散斑图像关系的减少。为了保证图像有 效平均的充分去相关，频带的重叠应尽可能小。假设o c t 扫描仪光源带宽为从， 其中最大发送峰值波长为泞1 3 u r n ，并被均分为n 个不重叠的波段，因为非重叠 光源完全形成的散斑相位是不相关的，不相干图像的增加会导致散斑对比度减小 为原来的毒倍。然而，决定于光源时间相关长度的轴向分辨率相应的降为原来 qn 的1 n 。在o c t 中，分辨率的减小极为不利。一个典型的激光发光二极管，最 大发送峰值波长为扣1 3 u m ，半峰值的全宽( f w h m ) 带宽为3 0 r i m ，该二极管在 组织内的相干长度约为1g u m 。因此对应于典型光源，应用非叠加频率合成，等 分散斑会使轴向分辨率从1 9 u m 降低到7 2 u r n 。对于大多数o c t 的生物应用，如 此低的分辨率是无法满足要求的。 m e l t o n 和m a g n i n 指出在两个等宽的中心频率为f s 的高斯频带形成的完全形 成散斑模式的相关系数大约为： 厂，2 岛= e x p l 惫l ( 2 - 1 2 ) l 二d j b 是每个波段的带宽。相关系数可以用f w m h 宽度来表示，光源发散光谱 的波长单元，波长差k ： 天津大学硕士学位论文 岛一陲 ( 2 1 3 ) 根据等式，即使相对大的波长差，相关系数也会很高。比如说，2 = a k 2 ， 对应于5 0 的带宽重叠，9 。y = 0 8 8 。但是在o c t 中，由于重叠产生的样品光束相 位和幅值的偏差将导致比前面指出的更快的散斑去相关。依赖相关波长取决于平 均散射角和散射次数影响散射尺寸的相同因子，这样频率合成法提供了一种 区别信号载体散斑和信号降低散斑的方法。 ( 四) 数字信号处理方法 在相干图像系统中己经有很多种降低噪声的方法，而且还在继续研究新方 法。大多数方法适用于图像形成之后，且主要指图像的后出来方法。遗留的方法 为在记录图像之前，直接应用于复杂的干涉信号，这就是这部分后面要谈及的复 杂范围处理方法。 目前为止，通过数字图象处理来减少斑点的方法用得比较少。x i a n g 等人尝 试了通过小波变换再加自动阐值提取的方法来减少高频斑点噪声，同时不影响图 象边缘。y u n g 等的研究表明由于相干噪声引入的层变形，可通过在复数域处理 干涉信号而进行校正。但这方法仅适用于样本中散射体很少的情况。k u l k a m i 等人和s c h m i t t 等人为减小旁瓣干涉效应而提出的反卷积的方法，对减少相干噪 声也有一定的作用。 最常用的图像后处理降低噪声方法为中值滤波【3 6 】，同态滤波1 3 7 1 ，多分辨率 小波分析【3 8 1 ，和自适应平滑f 3 9 】等。所有这些方法并入明确的或是隐含的目标和 背景强度的空间频率光谱的统计模式中。在第一台o c t 扫描仪问世时仅有的被 重点报道的减小散斑的图像后处理方法是小波滤波器，它利用非线性域值。报道 的结果显示若正确选择频带和域值，小波滤波器可以提高散斑高散射特性的噪声 对比度。传统的频率范围是基于小波滤波器的通带的最佳形状，可从集合平均的 空间频率的光谱得到。该光谱为一组和探测到的组织具有相同微观结构的有机组 织。然而，就信号载体散斑和信号降低散斑重叠功率谱而言，损失些有用的信 息是不可避免的。根据在重要区域中心的窗内测得的当地平均或标准偏差，通过 调整通带，可以减轻由于高频信息损失导致的多散射区边缘的模糊。 在复杂范围内，处理o c t 干涉信号的潜在优点是信号相位或幅值的变化可 用来从信号降低散斑中区分出信号载体散斑。复杂范围内的一种降低噪声方法为 零幅值技术( z a p ) h e a l e y t 4 0 l 首先将它应用于医学超声，y u n g e ta l 最近将它应用 于光学相干层析成像【3 5 1 。z a p 取决于复杂平面中干涉信号零点的定位，以发现 由于破坏性干涉造成的信号断裂。零点定位以后，它们的位置会发生旋转以填补 断裂。应用于o c t ，这一技术在减小散斑对比度方面是十分有效的，但是容易 第二章传统光学相干层析成像技术的理论基础 导致特征边界的模糊1 3 5 。 应该说上述对散斑的分类和它们的产生的理解是不完全的。需要进一步的去 解释组织的微观发散性质和o c t 图像中散斑的统计性质间的关系。此外，作为 相关噪声的基本表现形式，散斑是干涉测量系统中有限空间频率带宽的自然结 果。为了使o c t 中散斑的影响能得到有效控制，必须发展光源和通光孔径带宽 同步增宽的技术。 2 3 本章小结 本章主要简述了传统光学相干层析成像技术所涉及的基本理论。首先，光学 相干层析成像技术主要的应用在生物组织探测的研究上，对于大部分生物组织都 是混浊组织，光子在组织内传播时就遵循了衍射原则，惠更斯菲涅耳 ( h u y g e n s f r e s n e l ) 理论能够很好的解释在均匀介质中的传播发生的衍射现象， 因此它可以作为研究o c t 技术的一个必备的理论依据，也是研究p s f d o c t 的 一个最基本的理论依据。其次，o c t 系统在研究成像时主要利用了散射光波的 时间空间的相干性原理，这样就不可避免的引起散斑的出现，散斑参杂在图像中， 降低了图像的成像质量，同时，散斑又是o c t 成像的重要因素，因此在进行o c t 系统的研究时，必须进行散斑分析，分析散斑的形成，分类，以及减少散斑对 o c t 层析图像质量的影响，本文在这一章中针对光子的微粒散斑进行了讨论。 这是实际和研究o c t 系统的最基本的理论。 天津大学硕士学位论文 第三章偏振频域光学相干层析成像( p s f d o c t ) 系统的理论 基础 在本章中，主要介绍偏振频域光学相干层析成像