（光学工程专业论文）嵌入式光谱oct内窥成像系统的研究.pdf

中文摘要 光学相干层析( o c t ) 技术是一种新近发展起来的光学成像技术，它通过测 量回波时间延迟和后向散射光大小，可以对生物系统内部微观结构进行高分辨率 横断面层析成像。此项技术属于无损伤非介入探测，具有较高的分辨率，可以达 到1 - 1 5 微米，因此从探测深度、分辨率、简单实用等角度综合考虑，光学相干层 析技术被认为是很有发展前途的一种新型生物医学光学成像技术，将在科学研究 和医学临床应用中有广泛的发展前景。 目前大多数o c t 系统采用了商品化的分立器件，占据空间大，成本高。针 对移动医疗需求日益扩大的现状，设计一种方案满足仪器的小型化、智能化、个 性化、网络化等要求就显得非常必要，在现阶段基于a r m 的嵌入式w i n c e 系 统的软硬件平台就是一个很好的选择。 论文完成的主要工作如下： l 、详细分析了光谱o c t 的基本成像原理及特点，在a r m 9 系列嵌入式微 处理器$ 3 c 2 4 4 3 和当前流行的w i n c e 5 0 实时多任务操作系统的基础上，提出了 一套用于检测人体胃肠道病变的光谱o c t 内窥成像系统的嵌入式研制方案。 2 、根据光谱o c t 内窥系统的特点，合理选择光谱系统和光电探测器：设计 光路系统中的机械连接件并加工；以t i 公司的t p s 5 4 3 0 芯片和l i n e a r 公司的 l t l 6 1 4 芯片为核心完成印制线路板制作，满足多电源的供电需要。 3 、深入剖析了w i n c e 操作系统的流接口驱动模型、内存模型和中断模型， 在p l a t f o r mb u i l d e r 环境下编写i n g a a s 线阵探测器的底层设备驱动程序，利用 e m b e d d e dv i s u a lc + + 工具完成上层用户应用程序设计，实现了光谱数据的采集、 保存、处理和动态显示等功能。 4 、针对影响成像质量的主要参数进行m a t l a b 仿真和比较。合理选择光学器 件，搭建光纤型干涉光路，完成光谱连续采集实验和平面镜成像实验。实验结果 与仿真结论及理论分析是一致的，验证了嵌入式o c t 成像系统的可行性，为进 一步实验奠定了基础。 关键词：光谱o c t 内窥镜嵌入式系统a r mw i n c e 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 ) i sal a t e s to p t i c a li m a g i n gt e c h n o l o g y , w h i c hm e a s u r e st i m ed e l a yo f e c h ow a v ea n d m a g n i t u d eo fb a c k w a r ds c a t t e r i n gt og e t h i g hr e s o l u t i o nc r o s si m a g ef o ri n t e r i o rm i c r o s c o p i cv i e wo fb i o l o g i c a ls y s t e m t h e t e c h n o l o g yi sa p p l i e df o rn o n t r a u m a t i cd e t e c t i o nh a v i n gh i g hr e s o l u t i o no f1 岬t o 15 1 u n ，s of o rav i e wo fd e t e c t i n gd e p t h , r e s o l u t i o na n ds i m p l e u t i l i t y , o p t i c a l c o h e r e n c et o m o g r a p h yi sc o n s i d e r e da so n eo fn e wb i o m e d i c a li m a g i n gt e c h n o l o g y h a v i n gm o s te x c i t i n gp r o g r e s s ，w h i c hp o s e s s e saw i d ep r o s p e c ti ns c i e n t i f i cr e s e a r c h a n dc l i n i ca p p l i c a t i o n n o w a d a y sm o s to c ts y s t e mu s e sd i s c r e t ed e v i c e sw h i c ht a k el a r g es p a c ea n d c o s tm u c h i nt h ed e s i g no fp o r t a b l em e d i c a li n s t r u m e n t ，i n t e l l i g e n c e ，p e r s o n a l i t ya n d n e t w o r ka r ep l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e t h e r ei san e c e s s i t yt od e s i g na c o m m o nd e v e l o pp l a t f o r mt or e a l i z ea ua b o v e e m b e d d e dw i n c ep l a t f o r mo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eb a s e do na r mb e c o m e san i c ec h o i c e t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a n a l y z et h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fs p e c t r a lo c t , b a s e d o ne m b e d d e dm i c r o - p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 3i na r m 9s e r i e sa n dw i d e l y u s e d r e a l - t i m em u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e mw i n c e 5 0 ，p o i n to u tas o l u t i o no f e m b e d d e d s p e c t r a l o c te n d o s c o p i c i m a g i n gs y s t e m f o r d e t e c t i n g p a t h o l o g i c a lc h a n g e so nh u m a ng a s t r o i n t e s t i n a lt r a c t 2 a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fs p e c t r a lo c te n d o s c o p i cs y s t e m ，p r o p e r l ys e l e c t s p e c t r a ls y s t e ma n dd e t e c t o r ；d e s i g nm e c h a n i cc o n n e c t o ra n da d j u s t i n g m a c h a n i s m ；c o m p l e t ep o w e rs u p p l yp c bb a s e do nc h i pt p s 5 4 3 0f r o mt i a n dl t1614f r o ml i n e a rt om e e tt h es p e c i f i c a t i o no fm u l t ip o w e r 3 a n a l y z et h es t r e a mi n t e r f a c ed r i v e rm o d e l ，m e m o r ym o d e la n di n t e r u p t i o n m o d e lo fw i n c eo p e r a t i n gs y s t e mu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fp l a t f r o m b u i l d e r , p r o g r a m m et h eb o t t o mi n g a a sd e t e c t o rd e v i c ed r i v e r , c o m p l e t et h e t o p u s e ra p p l i c a t i o nb ye m b e d d e dv i s u a lc + + a c h i e v et h ef e a t u r e so f a c q u i s i t i o n ，p r o c e s sa n dd y n a m i cd i s p l a yf o rs p e c t r a ld a t a 4 i n t r o d u c et h ek e yp a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c et h ei m a g eq u a l i t y , s i m u l a t e a n dc o m p a r et h ei m a g ee f f e c ta td i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，b u i l df i b r e b a s e d i n t e r f e r e n c es y s t e m ，p r o p e r l ys e l e c t i n go p t i c a ld e v i c e s ，f i n i s hs e r i e so f e x p e r i m e n t s ，w h i c he f f e c t i v e l ys h o w st h a tt h es p e c t r a lo c ts y s t e mw i l lb e c o m p e t e n tf o ri m a g i n g k e yw o r d s ：s p e c t r a lo c t , e n d o s c o p y , e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，w i 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i i i i 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，也不包含为获得丞盗盘堂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：高鼍磊 签字日期： b 斫年f 月呵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞注苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤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：高镶导师签名： 签字日期： p ，7 年f 月吖日 签字日期： 细9 年i 月2 7 日 第一章绪论 第一章绪论 生命科学是当今世界科技发展的最大热点之一。随着分子生物学和医学的飞 速发展，人们迫切需要了解活体组织的生理、病理变化过程以及对病变组织进行 精确的诊断，为适应这一需要，2 0 世纪7 0 年代以来，科技工作者们研究开发了 一系列对生物组织成像的方法和技术【1 1 。 近年来，光在生物组织中的传输与分布以及光波( 尤其是近红外光) 与生物 组织的相互作用问题引起了人们的广泛关注。光学相干层析( 0 c t ) 技术是一种 新近发展起来的光学成像技术。它通过测量回波时间延迟和后向散射光大小，可 以对生物系统内部微观结构进行高分辨率横断面层析成像。光学相干层析技术是 一种无损伤非介入探测，具有较高的分辨率，可以达到l 1 5 微米，比传统的超 声波探测高l 2 个数量级，并且是非离子成像，还可以对生物组织进行实时在体 2 维或3 维成像，o c t 系统的体积和制造成本都远小于磁共振成像( m r j ) 。因 此从探测深度、分辨率、简单实用等角度综合考虑，光学相干层析技术被认为是 最有发展前途的一种新型生物医学光学成像技术，将在科学研究和医学临床应用 中有广泛的发展前景【2 j 。 1 1 医学成像技术简介 1 1 1 光层析技术 c t ( c o m p m e rt o m o g r a p h y ) 即计算机层析成像技术，其历史已近百年，是 通过研究对象非接触式断层信息扫描和数据反演、测量对象内部组分的一种技 术。目前光c t 是c t 家族的一个研究热点。主要有如下几种【3 j ： 1 ) x 射线c t ( x c t ：x - r a yc o m p m e rt o m o g r a p h y ) 其物理背景如下：x 射线穿过物体时，原始频谱强度分布受到物体材料线性 吸收系数和厚度的影响，而线性吸收系数依赖于辐射源的频谱强度分布。使用过 程中x 射线源和记录屏均按一定速度旋转，以获被检查部位全方位( 3 6 0 。范围) 的信息，然后通过复杂的计算过程才能从测量数据获得完整的被测量部位的图 像。 2 ) 单光子发射c t ( s p e c t ：s i n g l e p h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) 其原理与x 射线c t 类似，使用单光子y 射线源。这种成像诊断技术依赖的 第一章绪论 第一个因素是注入的放射性核素在正常组织与病变组织中吸收或浓度的差异；第 二个因素是核素浓度随时间变化的信息。 3 ) 低相干c t ( 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 ) 其利用低相干干涉仪( 又称白光干涉或宽光谱干涉术) 和共焦扫描显微原理 对生物或样品内部组织的细微结构进行微米级分辨率的成像。由于此成像技术的 探测精度和灵敏度高，使用可见光或近红外光作为光源，可以对生物组织的微细 结构进行成像。 4 ) 光弥散c t ( d o t ：d i f f u s eo p t i c a lt o m o g r a p h y ) 它利用现有的光学成像技术，对样品周围不同位置出射的、经过多次散射的 漫射光子的各种分布进行测量，利用重构算法对测量到的漫射光的时间和空间分 布进行逆问题的求解。目的是在己知实验参数、组织特性的情况下，利用光在组 织中传输的模型和成熟的计算机算法从实验获得的数据重构出组织内的散射系 数和吸收系数图像【4 3 3 j 。 1 1 2 成像技术比较 目前，医学成像技术除了上述光学方法外主要还有m r i ( 磁共振成像) 、u i ( 超声波成像) 、p e t ( 正电子发射断层扫描) ，这些技术有各自的适用范围和各 自的局限性，它们的优缺点比较示于表l 一1 中： 表1 1 传统医学成像方法比较表 比较项目 x c tu im i u 分辨率低低高 辐射 有有有 化学成分信息 不能提供不能提供能提供 造价较高较高 很高 比较上面几种方法不难看出：x c t 技术检查速度快，对人体构造中密度较 高的部分( 如骨骼) 有效，而对肠胃、泌尿、肝胆系统以及血管则需要显影剂， 而且高能量的照射会使人体组织电离而产生伤害。超声波成像具有价格低、非侵 入、无辐射性危险、实时成像等诸多优点，但其分辨率较低，只能达毫米量级， 而且不能提供任何有关组织体化学成分的信息。m r i 空间分辨率很高，能探测 特殊的组织化学物质，不产生游离辐射，但其费用及其昂贵，不利于常规应用。 相比之下光学方法具有安全、无损、简单的特点，方便医生对病人的诊断和治疗。 各种光学成像方法用途不同，可以有针对地进行组织成分的检测、病变的诊断和 第一章绪论 定位。其中o c t 主要用于组织的断层成像，由于其成像分辨率高而更有利于早 期病变的检测。除此之外，逐渐发展起来的功能o c t 还可以用于组织功能参数 的测量。 1 2o c t 成像技术 1 2 1 发展历程 光学相干层析术是一种新兴的和极具发展潜力的断层成像技术，它建立在低 相干干涉或白光干涉技术的基础上，无损成像的性质使其在医学成像领域中占有 重要位置。低相干干涉技术是早在七十年代就提出的光学检测技术，它可利用低 相干光源精确测出反射光幅值和相对相位。最初的一维光学测量技术光学相 干域反射测量技术( o c d r ：o p t i c a lc o h e r e n c e d o m a i nr e f l e c t o m e t r y ) ，主要是为 了检测光纤光缆和网络元件中的断裂和缺吲5 6 1 。o c t 在生物医学上的首次应用 是f e r c h e r 等人用部分相干光通过干涉法测量了眼球长度，并得到眼部的法布里 珀罗( f a b r y - p e r o t ) 干涉条纹【7 j 。1 9 9 1 年，s c i e n c e 上首次报导了麻省理工大学 的f u j i m o t o 工作组的h u a n g 等人在o c t 上的开创性工作，实验采用了光纤迈克 尔逊干涉仪【8 】of e r c h e r 在1 9 9 3 年发表了第一张人类眼底活检o c t 照片【9 1 。随着 o c t 研究的不断深入，除了测量眼睛等透明介质外，一部分科学家将目光转向 了高散射介质，发展了用光学相干层析术来测量如牙齿、皮肤以及其它非透明样 品的组织特性。 o c t 可以光纤化的特点使其易于与导管或内窥镜结合，内窥o c t ( e n d o s c o p i co c t ) 使体内器官更高分辨率的断层成像成为可能。近年来有代表 性的内窥o c t 成果主要有：1 9 9 7 年j gf u j i m o t o 等人得到了兔子食道的o c t 内窥镜截面图像【l o 】。2 0 0 3 年yt p a n 等人利用组织荧光图像来指导o c t 内窥镜 成像，进行早期膀胱癌离体检测，结果表明该方法有可能提高早期膀胱癌的诊断 准确性l 。2 0 0 4 年j k b a r t o n 等人将自体荧光法和o c t 内窥镜技术相结合， 得到了大鼠结肠癌的在体o c t 图像【l 2 | 。 1 2 2 分类 从o c t 的原理上来说，任何改变样品光的振幅、相位和偏振态等性质的物 理属性都可以用来提取有诊断价值的信息。因此根据原理分类，可分为三种：偏 振型、多普勒型和光谱型。 1 ) 偏振型o c t ( 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 ) ： 第一章绪论 在p s o c t 中，使用样品对背散射光双折射的大小成像，而不像传统的o c t 那样直接对背散射光的强度成像。p s o c t 特别适合于龋齿的检测，还可以对组 织进行正常态和热损伤的区别，显示出了良好的发展前景。 2 ) 多普勒型o c t ( o p t i c a ld o p p l e rt o m o g r a p h y , o d t ) o d t 是光学多普勒层析仪，是o c t 成像与多普勒技术相结合的成果。该系 统可用来检测埋藏在高散射介质下流体的流速，与传统的超声多普勒血流仪相 比，o d t 具有更高的分辨率，其探测体积可以精确到5 微米5 微米1 5 微米， 其探测深度在l 毫米左右，而且能够给出空间各点的流速分布。 3 ) 光谱型o c t ( s p e c t r o s c o p i co c t ，s o c t ) s o c t 对后向散射光进行光谱分析，用傅立叶变换或小波变换的方法提取出 后向散射光的频率或波长信息。光谱o c t 的优点是可以在单次测量中获得多个 波长的信息，它的缺点在于数据量大。光谱o c t 图像可以清楚地观察到波长较 长的光具有较大的探测深度，以及不同组织成分对光的选择性吸收。从某种角度 上讲，光谱o c t 可以得到类似于吸收特性成像的效果，从而得到反映出不同组 织对光的选择吸收效应的图像。 此外，还可以根据o c t 获取信息的主要途径分为两类：时域o c t 和频域 o c t ( 光谱o c t ) 。时域o c t 的结构主要包括：迈克尔逊干涉仪和共焦显微镜。 光谱o c t 的光学系统部分包括迈克尔逊干涉仪和光谱仪。 另外，还可根据o c t 的工作状态分为：开场式、光纤式、内窥镜式。 1 2 3 特点 o c t 之所以能够成为新一代生物医学检测和诊断方法中的佼佼者，完全依 靠它自身独特的优点【l 3 】： 1 、) 非侵入性 o c t 用于成像的主要部分就是利用宽带光源照射被测组织，其一，因为在 8 0 0 1 5 0 0 n m 存在一个生物探测“窗口 ，在“窗口”内生物组织对光的吸收较小； 其二，光源的发射功率对生物组织是没有损害的。当检测组织表面的时候，可用 光源直接照射，当诊断体内组织的时候，可结合内窥镜技术探测内部器官，从而 避免了对病变组织做病理切片的这种具有一定破坏性的方法。 2 ) 高灵敏度 o c t 可以达到很高的检测灵敏度，因为干涉仪测量的是场而不是光的强度。 参考信号可有效加强微弱的后向散射光信号。如果优化系统设计，可得到近似量 子极限的结果。典型的光学相干层析术系统可以达到入射光功率为1 0 。9 或1 0 。o ( 9 0 1 0 0 d b ) 探测灵敏度，要探测大多数散射生物组织中2 3 m m 深度的光学 第一章绪论 信号已足够。除此之外，在o c t 成像技术中还引入了外差探测，它不仅可以探 测调幅的光信号，还可以探测频率及相位调制的光信号。对于外差探测器而言， 本机振荡光功率比信号光功率高几个数量级，所以，外差探测灵敏度远远高于直 接探测的灵敏度。其次，外差探测的信噪比等于信号光和背景光振幅的比值，而 直接探测为二者的平方，这说明外差探测弱信号的能力比直接探测强。 3 ) 高分辨率 图像分辨率是评价一幅图质量好坏的重要标准。o c t 能提供独立于横向分 辨率的近于微米级( 1 1 5 0 m ) 的轴向分辨率。但由于应用o c t 成像的大多数生 物组织具有较强的散射特性，以至于成像深度较大时高阶散射光带来干扰，降低 了系统的探测灵敏度。因此大多数生物组织的成像深度只有2 - 3 m m ，故o c t 探 测深度相对较低。 1 3 嵌入式系统的发展现状 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 无疑是当今最热门的概念之一，它是指以 应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专门计算机系统。嵌入式系统一般由 嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序四个部分 构成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。电气工程师协议把嵌入 式系统定义为用来控制或监视机器、装置、工厂等大规模系统的设备【1 4 】。 日常我们见到的嵌入式系统及产品非常丰富，比如手机、m p 3 、车载电子系 统、机顶盒、自动售货机、智能水电表、医用自动化设备等。如果把这些系统及 产品按照市场领域划分，基本可以分为消费类电子产品、控制系统、工业自动化、 机器人领域以及无线数据通信。 近年来微电子技术迅猛发展，嵌入式微处理器增长速度也随之加快，嵌入式 系统领域发生了翻天覆地的变化。特别是网络的普及，使嵌入式系统与互联网成 为最热门的技术。这个世纪初以来，嵌入式系统也成为继p c 和i n t e m e t 之后最 伟大的发明，而未来几年，嵌入式系统的高速发展和竞争将愈演愈烈。 一般来讲，嵌入式系统的特点如下【1 5 j ： 1 ) 嵌入式系统功耗低、体积小，专用性强。嵌入式系统与一般计算机的最大不 同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，能够把普通p c 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于 小型化。 2 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都被固化在存储 第一章绪论 器芯片或者单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，系统要精简，而操作系统一 般和应用软件集成在一起。 4 ) 对软件代码质量要求非常高，应该尽最大可能避免“死机”的发生。 5 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。 1 4 论文的研究意义及主要工作 传统内窥镜只能观察到器官表面的一些病变，而无法获取人体内部器官( 如 胃肠道) 断层信息，所以不易进行病变的早期诊断。因此医用内窥镜中引入超声 成像技术，利用超声波的穿透能力，获取人体内消化道以及内脏表层下面的病变 信息。它具有双重诊断、图像清晰和通用性强等特点。但是超声内窥镜在成像分 辨率等方面还有不足。o c t 内窥镜是医用内窥镜发展的必然趋势，实际上它是 在医用电子内窥镜的基础上加上o c t 功能。o c t 内窥镜的出现可以使成像分 辨率提高到微米量级，这样就使医用电子内窥镜具备了真正意义上探测人体内脏 表层下面微小病变的能力，从而实现真正的早期病变诊断。 除此之外，在便携式医学仪器的设计中，越来越注意到仪器的智能化、个性 化、网络化等要求，如何设计一个符合这些要求的通用开发平台显得非常必要， 在现阶段基于a r m 的嵌入式w i n c e 系统的软硬件平台就是一个很好的选择。 本论文完成的主要工作如下： 1 、详细分析了光谱o c t 的基本成像原理及特点，针对影响成像质量的主要 参数进行说明，对不同参数下的成像效果进行m a t l a b 仿真及比较。 2 、针对目前国内移动医疗需求日益扩大的现状，在a r m 9 系列嵌入式微处 理器$ 3 c 2 4 4 3 和当前流行的w i n c e 5 0 实时多任务操作系统的基础上，提出了一 套用于检测人体胃肠道病变的光谱o c t 内窥成像系统的嵌入式研制方案。 3 、根据光谱o c t 内窥系统的特点，合理选择光谱系统和光电探测器；设计 光路系统中的机械连接件并加工；以t i 公司的t p s 5 4 3 0 芯片和l i n e a r 公司的 l t l 6 1 4 芯片为核心完成印制线路板制作，满足多电源的供电需要。 4 、深入剖析了w i n c e 操作系统的流接口驱动模型、内存模型和中断模型， 在p l a t f c i r i l lb u i l d e r 环境下编写i n g a a s 线阵探测器的底层设备驱动程序，利用 e m b e d d e d v i s u a lc + + 工具完成上层用户应用程序设计，实现了光谱数据的采集、 保存、处理和动态显示功能。 5 、合理选择光学器件，搭建光纤型干涉光路，通过光谱连续采集实验和平 面镜成像实验验证了整个o c t 成像系统的可行性，为进一步实验奠定了基础。 第二章系统成像原理与嵌入式设计方案 第二章系统成像原理与嵌入式设计方案 光学相干层析技术在原理上类似于超声成像技术，但是超声成像技术测量的 是声波，而光学相干层析技术测量的是反射光的强度。反射光波携带飞行时间信 息( 回波延迟时间) ，而此飞行时间信息可以转化为组织的微细的结构信息。由 于光速太高，这个由反射光携带的回波延迟时间不能像超声波那样能够使用电子 仪器测量出来，因此光学相干层析技术就采用干涉的方法问接得到回波延迟时间 信息。光学相干层析技术是低相干干涉仪和共焦扫描系统的结合，具有它们两者 的优点。它采用低相干光源照明，因为在样品折射率确定的情况下，轴向分辨率 只与光源的相干长度有关，相干长度越短，轴向分辨率越高。横向分辨率由聚焦 在样品上的光点大小决定，可达到很高的成像分辨率。 2 1 基本原理 光的干涉现象以及相干原理是o c t 干涉系统的理论基础。为了理解o c t 的 成像过程和原理，本节着重讨论光的相干性。 2 1 1 相干时间与相干长度 o c t 成像是通过测量回波时间延时和从生物组织或材料内部结构反射回来 的后向散射光大小而形成横断面层析图像。由于光速很快，光的回波时间延时就 很难直接被探测到。因此需要相干或干涉技术的介入。一种用于测量光的回波时 间延时的方法就是低相干测量法。 为了讨论光的相干特性，我们将从电磁辐射的角度考虑光波，平面谐波的复 数表达为： e = e o p i ( k r 。埘+ j( 2 1 ) 任何辐射的光波都是由多个具有不同时间寿命的波列组成的，如图2 1 所示。 iiili 图2 1具有不同持续时间的一组波列 波列的平均时间寿命( 即波列的持续时间) c c 被称为相干时间。这些波列彼 第二章系统成像原理与嵌入式设计方案 此间由不同连续的相位变化所分离。对光源发射的光波来说，这些相位变化反映 了光源中被激发原子在能级之间跃迁的随机过程，它产生了短而无规则的辐射波 列。从光源的发光机制来看，任何光源所发射的光都是由一系列有限长度的波列 组成，而一个给定的光源具有一定的平均波列长度，这就是光源的相干长度， f ，即是光通过相干长度所需要的时间，二者有如下关系： t = c a r ，( 2 2 ) 实际使用的光源都不是严格的单色光源，它们所辐射的光波总是以某一频率 为中心存在着一定的频率宽度。利用傅立叶( f o u r i e r ) 变换可知，大部分光能量 集中在中心极大两侧的两个第一级极小值之间的区域内，因此频率分布的宽 度a m 表示为： 回：一2 z t ( 2 3 ) f 也可得出f 。近似反比于光源所发射光波的频率宽度a v ，即 a v l f f 对应的相干长度为 t = c a r 。c a v 利用公式 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) v o = c 九，可得告矧= 虿c ( 2 - 6 ) 将式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 合并，就得到光源的相干长度的一般表达式为： 乞鲁 ( 2 - 7 ) 其中a a , 是以波长表示的谱线宽度，；t o 是中心波长。从式( 2 7 ) 中可以看出光源 的相干长度与线宽成反比，即线宽越宽，光源的相干长度越短【1 6 1 。 2 1 2 低相干干涉 光学相干层析术建立在低相干或白光干涉度量经典测量技术的基础上。进入 干涉系统的光被导入分束器，产生一束参考光和一束测量或信号光。参考光束 e(f)从参考镜面反射，而信号光束e。(f)从待成像的生物组织或材料上后向散r 射。参考光束穿过一段给定光程长度，它的电磁场与材料或组织后向散射的信号 光场叠加，形成干涉系统的输出。如果相干涉的参考臂与样品臂的长度分别为l 和，。，它的输出强度随光程差址= ，一，。的变化而变动。 由于宽带光源的相干长度短，即宽带光源具有弱相干性。此时，只有干涉仪 两臂的光程差在这个很短的相干长度之内时，探测器才能检测到干涉条纹的对比 度变化。在光程差a l = 0 时，干涉条纹具有最大的对比度，而与参考臂的光程 差大于一个相干长度的信号光不能与参考光发生干涉，于是就没有信号。因此只 第二章系统成像原理与嵌入式设计方案 有在探测光束的焦点处返回的光束才能有最强的干涉信号，这样就滤掉了焦点外 的杂散光【1 7 1 。 2 1 3 共焦扫描技术 一般，o c t 的样品臂光路构成一个类似共焦扫描显微镜( c o n f o c a l m i c r o s c o p e ) 的结构。通过扫描物镜聚焦光线将入射光强集中在成像点附近，可 以使扫描对象获得最大的照明度而反射最多的光线。这种共焦方式保证了样品上 的其余地方不会有光线照射并散射，可以抑制成像中弱杂散光的影响。进一步提 高分辨率、灵敏度。同共焦显微镜一样，o c t 的横向分辨率由聚焦物镜成像的 光斑大小决定，即受到物镜数值孔径( n a ，n u m e r i c a la p e r t u r e ) 的影响，通常 在微米量级。 对于o c t 来说，为保证一定的探测深度，它一般采用低n a 的物镜。其焦 深大于光源的相干长度，以保证轴向相干能决定纵向分辨率。而对于共焦扫描显 微镜，它一般采用高n a 的物镜以获得横向的高分辨率。但其成像深度取决于焦 深，因而与横向分辨率互相制约。因此，共焦扫描显微镜的探测深度有限，通常 在毫米级以下【1 8 】。因此，在对活体组织成像上，o c t 优于共焦扫描显微镜主要 在于它在保证有较高分辨率的同时可以探测较大的深度。 2 1 4 频域o c t 原理 最早的o c t 系统是时域的，因此先来简要介绍一下时域o c t 的组成和原理。 时域o c t 的核心部分是一个迈克耳逊干涉仪。从超发光二极管光源发出的光线 通过扩束、准直等过程到达一个5 0 5 0 分束器，其中一束光传到一个反射镜上再 被反射回来，此为其中一臂，被称为参考臂；另一束光通过棱镜到达样品再反射 回来，此臂成为样品臂。这两束光到达分束器的另一面出射，在出射处进行干涉， 最后通过信号处理系统，得到样品的高分辨率图像。 在时域o c t 中需要进行两种扫描纵向扫描和横向扫描，纵向扫描得到 样品的深度图像，横向扫描得到样品的横向图像。其中纵向扫描通过平移参考镜 实现，横向扫描通过扫描探头来实现。 由于时域o c t 仅采集与参考臂等光程的样品干涉信号，因此时域o c t 是逐 点采集的。为了得到一个轴向的深度图像，参考臂要进行来回的机械扫描，这就 大大限制了它的扫描速度。实验表明，时域o c t 具有很高的分辨率，但较慢的 采集速度限制了其更广泛的应用。 而随着技术发展，频域o c t 得到了发展。频域o c t 无需参考臂进行扫描， 因此可以缩短扫描时间，从而提高成像速率。 第二章系统成像原理与嵌入式设计方案 频域o c t 的框图如图2 2 所示1 1 9 1 。频域o c t 的主要部分是迈克耳逊干涉仪 和光谱仪。超辐射二极管发射近红外光，通过一系列扩束准直等透镜，到达5 0 5 0 分束器，参考臂由一个平面镜和聚焦透镜组成，样品臂由一个转折光路和一个聚 焦透镜组成。发生干涉后，进入一个光谱仪( 由衍射光栅和c c d 组成) ，采集到 的光谱数据存储在计算机里 2 0 , 2 1 。 样品的深度信息调制干涉条纹的频率。通过傅里叶变换就很容易得到不同深 度处的信息。因此，频谱o c t 的优点就在于，一个轴向上的深度信息被同时采 集，能实现快速扫描。 参考镜 图2 2 频域o c t 系统示意图 下面从理论上分析一下频域o c t 的工作原理【2 2 1 。 频域o c t 技术基于光谱干涉仪，也就是，用光谱仪记录宽带光的干涉。从 一个光源产生的一束光被分成两束部分相干光束。一束光沿z 轴穿透样品，从第 n 层散射中心反射回后向散射参数口。( y ) 的实值： “。= “( f + 2 r 。) = f s o o 厕e x p - 2 m y o + 2 l m ， ( 2 8 ) 上式中矗) 是光源光谱分布的振幅。第二束光从参考镜处反射 “，= u ( t + 2 f ，) = i s o ( v ) 4 a ，( ，) e x p - 2 m v ( t + 2 r ，) d y ( 2 - 9 ) 上式中口，) 是反射系数。 第二章系统成像原理与嵌入式设计方案 较早的这两束光束分别延迟2 f 。和2 f ，这里延迟时间f = z c 分别与每个散 射中心的位置和光束分束器的位置有关，其中散射中心的位置又是由参考镜的最 初位置决定的。干涉结果被记录为这样的一个频率函数 g v v ( v ) = g ”) + g ”( y ) + 2 r e g ”( v ) e x p - 4 m v ( v 。一l m ) 】) 一 ”脖” ( 2 1 0 ) + 2 r e g ”( v ) e x p 一4 x v ( r 。一l r ) 】 对上式做反傅里叶变换得到延迟时间函数 g w ( r ) = f t 叫 嘞，) 】 ：r ”( f ) + r n o ) + 巨+ ( f ) + e 一( f ) + 、壬，+ ( f ) + 、王，一( f ) ( 2 - 1 1 ) 上式中，最后结果由六项组成，前两项是参考光和样品内部各层散射光的光 强，第三四项是各层介面散射光的干涉项，最后两项是样品臂和参考臂之间的干 涉。 最后两项就是我们需要的有用信息，可通过相移、差分等方法提取出来2 3 1 。 2 2 光学相干层析的重要参数 2 2 1 纵向分辨率 光学相干层析的纵向分辨率等于相干长度： ，：2 1 n 2 笠( 2 1 2 ) 。 万at , 其中，a 是具有高斯光谱的光源的半高全宽，九是中心波长。光谱的宽度 和自相关函数的宽度( 相干长度) 在每个傅里叶变换中是反向关系。因此增加光 源宽度或缩短相干长度都可以增加分辨率 2 4 1 。 2 2 2 横向分辨率 o c t 系统的横向分辨率与传统的显微镜一样是由光束聚焦点的尺寸决定 的。其计算公式为： 缸= l 4 万a 刖、1 ( f ) ( 2 - 1 3 ) 其中，d 是物镜上的点的大小，f 是物镜焦距。用一个大尺寸的镜头将光束 聚焦到一个很小的点上可以获得高横向分辨率。此外横向分辨率也与焦深及共焦 参数有关。 2 2 3 探测深度 第二章系统成像原理与嵌入式设计方案 光谱o c t 中探测范围由光谱系统分辨率决定【2 5 1 。样品和参考臂间的最大光程 差体现为对光源光谱的高频调制。根据n q u i s t 采样定理，光电探测阵列的采样频 率至少为光谱最高频率的两倍。可得光谱o c t 的最大探测深度 1 j 2 z 一= 告 ( 2 1 4 )二2 _ iu j 斗刀o a , 其中，n 为样品折射率，九是光源的中心波长，6 九是光谱系统的波长分辨率。 2 3 嵌入式系统设计思想的引入 2 3 1 嵌入式设计思路对系统的优化 由频域o c t 的系统原理图可见，如果全部采用商品化的分立设备，会使得 在搭建实验系统的时候，这些分立设备将占据很大的空间，并且连线复杂，体积 庞大，设备功能非o c t 系统专用，设备价格昂贵。当然，在实验开发阶段，这 样的系统搭建是可行的，也是很合理的方案；但是，实验化的o c t 系统绝不是 开发的目标，o c t 系统的目标是能够广泛应用于临床，并产生理想的经济和社 会效益【2 6 】。产品化的o c t 系统是不可能通过购买商品化的分立设备组建而成的， 而是需要将各种信号采集和处理设备集中在一台或者少数几台专门针对系统功 能设计的设备中，以实现连线简洁、功能专用集成化、成本降低等目的，并能够 按照自己的设计方案扩展功能、增加可控条件以及增加智能化控制。 如何设计这样的控制设备呢? 经过分析调研目前的便携式医疗仪器开发技 术和参考一些现有设备，决定采用嵌入式系统的设计思想，即以嵌入式微处理器 为核心，按照o c t 系统需要的信号和控制逻辑，分为不同的功能模块设计相应 的软硬件，并将它们集中在一台设备中，接受嵌入式微处理器的指令协调工作， 集成信号的发生、采集、处理和显示于一体。 2 3 2 嵌入式o c t 系统构成 本课题基于频域o c t 的原理，仅需要对样品表面横向扫描，并通过a r m 嵌入式系统接收得到光谱信号，处理干涉信号得到样品的二维图像。 第二章系统成像原理与嵌入式设计方案 图2 3 嵌入式o c t 系统结构图 图2 3 所示为基于光纤的光谱o c t 成像系统的结构图，系统主要包括o c t 旋转扫描机构、迈克尔逊干涉仪、光电转换器件和基于a r m 的嵌入式控制模块。 低相干光源发出的光经过光纤耦合器分为参考光和样品光，参考光进入参考臂被 平面镜直接反射，样品光经内窥镜导管对样品进行检测，通过光学系统聚焦到样 品表面下的某点，其背向散射光与参考光在耦合器的入口产生干涉。参考臂中光 纤端部即起到低相干光源的收发装置的作用，又起到类似针孔的空间滤波器的作 用，可以滤掉样品产生的所有高阶模。单模光纤也可以将散射到高阶模式的光减 为最小，这样保留了边缘对比度从而保证探测器接收到参考臂和样品臂的光信号 具有空间相干性。分光系统将干涉图样展开成光谱信息并由线阵探测器将其转化 为电信号，传入a r m 经过a d 转换实现对光谱数据的数字化采集【2 1 7 1 。光谱数据 经嵌入式微处理器处理后提取出样品在不同深度的结构信息，再配合o c t 探头 的旋转扫描就可以得到样品的二维图像。光谱o c t 系统中，不需要参考臂的扫 描机构，这就有效地提高了成像的速度。 第三章嵌入式o c t 系统搭建及硬件设计 第三章嵌入式o c t 系统搭建及硬件设计 在o c t 的基本原理下，组建o c t 系统会有多种具体的结构实现方案。任何 方案的选择以及评价测量方法必须综合考虑各种因素，如成像速度、系统分辨率、 成本、方案的复杂性等，不能一概而论。如何选取合适的光源，如何选取适当的 干涉仪形式，采用什么样的探测器，以及采用哪种嵌入式微处理器是整个系统的 成败的关键。下面根据第二章所述的关键参数及主要组成器件的说明，合理选择 器件，并逐一阐述。 3 1 光源 在1 9 9 1 年由h u a n g 等人发表的第一篇o