（光学工程专业论文）嵌入式oct集成控制系统设计与开发.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 光学相干层析成像( 0 砸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 ) 技术是一新近 发展的高分辨率的生物医学成像手段，它基于低相干成像术，同时结合了共焦成 像和外差探测方法的优点，能非侵入性地对活体内部的结构与生理功能进行可视 化观察。o c t 技术只需借助光这个媒介，不需要进行诸如生理切片等创伤手段 来进行探测，故而无任何辐射危险以及没有任何创伤，远比之前的医学影像技术 安全，能够胜任无损检测，被称之为“光学活检”。o c t 技术不仅可以应用于活 体组织的结构成像，还能在功能成像领域得到广泛应用，通过各种算法可以获得 活体组织的各种组织特性，如多普勒流速、折射率、光谱特性等等。 o c t 系统的目标是能够应用于临床，并产生理想的社会和经济效益。因此 将o c t 系统需要的各种信号发生模块和控制模块采用集成化、智能化、小型化 的改进设计，即嵌入式的优化设计，是实现o c t 成像系统低成本、小型化和仪 器化的关键之一。本文在分析单模光纤型o c t 系统原理和工作过程的基础上， 提出了将快速扫描延迟线( r s o d ) 、位相调制器( p h a s em o d u l a t o r ) 、探测扫描 控制信号以及扫描信号的放大滤波电路等，统一于以a r m 9 为核心的嵌入式光 纤型o c t 集成控制系统的设计思想。在这种设计思想下，快速扫描延迟线中振 镜驱动三角波、d a q 卡同步方波、位相调制器中的高频锯齿波，采用高速d a 和相应的逻辑电路产生；同样，探测扫描控制信号模块中的步进电机、位移控制 台也由a r m 9 核心通过驱动芯片与电路直接控制；从而摒弃了由多个通用仪器 组成的构建复杂、价格昂贵的分立式光纤型o c t 系统结构，并且由于嵌入式 l i n u x 操作系统的引入，使得系统具有开发和成本低、可扩展性能好、实时控制 功能强、稳定性好等特点。实验结果表明，该嵌入式光纤型o c t 控制系统在扫 描速度、扫描范围和成像分辨率等方面均能达到设计要求。 关键词：光学相干层析成像，嵌入式设计，a r m 9 ，高速d a ，步进电机 浙江大学硕士学位论文 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 sar e c e n t l yd e v e l o p e dh i g hr e s o l u t i o n b i o m e d i c a li m a g i n gm e t h o d ，a l l o w i n gf o rn o n i n v a s i v ev i s u a l i z i n go fi n t e m a lt i s s u e s 蚋】c t i l r ca n dp h y s i o l o g y i ti san e w t e c h n o l o g yb a s e do nl o wc o h e r e n c et o m o g r a p h y c o m b i n i n gw i t ht h ea d v a n t a g eo fc o n f o c a lm i c r o s c o p ea n dh e t e r o d y n ed e t e c t i o n o c tf u n c t i o n sa sat y p eo f o p t i c a lb i o p s y t op r o v i d ec r o s s - s e c t i o n a li m a g e so f t i s s u e s t r u c t i l r eo nt h em i c r o ns c a l e i ti sap r o m i s i n gi m 皤n gt e c h n o l o g yb e c a u s ei tc a n p r o v i d ei m a g e so ft i s s u ei nv i v oa n di nr e a lt i m e ，w i t h o u tt h en e e df o re x c i s i o na n d p r o c e s s i n go fs p e c i m e n s o c th a sb e e nd e v e l o p e dn o to n l yf o rm o r p h o l o g i c a l i m a g i n g ，b u ta l s of o rf u n c t i o n a li m a g i n g ，s u c ha ss p e c t r o s c o p i ci m a g i n go ft i s s u e p r o p e r t i e s ，d o p p l e rb l o o df l o wm e a s u r e m e n ta n dq u a n t i f i c a t i o no fb l o o do x y g e n a t i o n o rt i s s u eb i r e f r i n g e n c e b yc o m b i n i n gd o p p l e rv e l o c i m e t r yw i t ho p t i c a ls e c t i o n i n g c a p a b i l i t yo fo c t , w ed e v e l o p e do n eb r a n c ho ff u n c t i o n a lo c t ( f - o c t ) t e r | m e d 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 ) t h eg o a lo fo c t s y s t e mi sa p p l y i n gi nc l i n i cw i d e l ya n dp r o d u c e sp e r f e c ts o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t s t h a tm e a n sa p p l y i n gi n t e g r a t e d , i n t e l l e c t u a l i z e d ，m i n i a t u r i z e d d e s i g n , w h i c hi sc a l l e de m b e d d e do p t i m i z a t i o nd e s i g nt ov a r i o u ss i g n a lg e n e r a t o r sa n d c o n t r o lm o d u l e si no c ts y s t e m ，i st h ek e yt o m a k i n go c ts y s t e ml o w - c o s t , m i n i a t u r i z e da n di n s t r u m e n t e d t h i st h e s i s a n a l y s e st h e 洳i p l eo fs i n g l e - m o d e f i b e r - b a s e do c ts y s t e ma n di t sw o r k i n gp r o c e s s t h e ni tp u t sf o r w a r dad e s i g n t h o u g h t t h ed e s i g nt h o u g h ti st ou n i f yv a r i o u sm o d u l e st ot h ee m b e d d e ds i n g l e - m o d e f i b e r - b a s e do c t i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m t h e s em o d u l e si n c l u d er a p i ds c a n n i n g o p t i c a l ( 1 c l a yl i n e ( r s o d ) ，d e t e c t i n ga n ds c a n n i n gc o n t r o ls i g n a l ，p h a s em o d u l a t o r a n da m p l i f y i n ga n df i l t e r i n gc i r c u i to fs c a n n i n gs i g n a la n ds oo n t h es y s t e mr e g a r d s a r m 9u n i ta st h ec o r e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt h o u g h t ，t h et r i a n g u l a rw a v ef o rd r i v i n gt h eg a l v a n o m e t e ri n h 浙江大学硕士学位论文 t h er a p i ds c a n n i n go p t i c a ld e l a yl i n e ，t h es q u a r ew a v es y n c h r o n i z e df o rt h ed a q c a r d a n dt h eh i g hf r e q u e n c ys a w t o o t hw a v ef o rt h ep h a s em o d u l a t o ra r ep r o d u c e db y h i g h - s p e e dd ac h i p sa n di t sr e l e v a n tl o g i cc i r c u i t s a tt h es a m et i m e t h es t e p p i n g m o t o ra n dt h ed i s p l a c e m e n tc o r b o l ei nt h ed e t e c t i n ga n ds c a n n i n gc o n t r o ls i g n a lm o d u l e a r ed i c t l yc o n t r o l l e db yd r i v i n gc h i p sa n di t sr e l e v a n tl o g i cc i r c u i t s ，a l lt h ec h i p sa r e i nt h ec o r eo fa r m 9u n i t t h e r e f o r e ，t h ew h o l es y s t e md i s c a r d st h ed i s c r e t ef i b e r - b a s e do c ts y s t e ms t r u c t u r e t h ed i s c r e t es y s t e ms 打u c n l r ci sac o m p l e xs y s t e mt h a t m a d eu po fm a n yg e n e r a li n s t r u m e n t s ，a sar e s u l t ，i th a sah i g hc o s t o u rd e s i g n t h o u g h ta l s oi n t r o d u c e se m b e d d e dl i n u xo st ot h ef i b e r - b a s e do c ts y s t e m ，s ot h e s y s t e mh a ss u c hf e a t u r e s 笛e x c e l l e n te x t e n s i b i l i t y , g o o ds t a b i l i t ya n ds t r o n gr e a lt i m e c o n t r o lf u n c t i o n i ta l s oh a sal o wc o s ti nd e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o n e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ef i b e r - b e s e do c tc o n t r o ls y s t e mw i 也e m b e d d e dd e s i g nc a nm e e t t h er e q u i r e m e n to f s c a r m i n gs p e e d ，s c a n n i n ga r e aa n di m a g i n gr e s o l u t i o n k e ) a v o r d s ：o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y , e m b e d d e dd e s i g n , a r m 9 ，h i g l l - s p e e dd a ， s t e p m o w r n i 渐江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光学相干层析成像( o c t ) 技术的现状与发展 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 ) 是一种 新型的对活体组织进行非侵入检测的光学诊断成像技术。它将低相干干涉仪与共 焦扫描显微术结合在一起，利用高灵敏度的外差探测技术，实现对高散射介质的 高分辨率层析成像。随着o c t 成像技术在眼球、皮肤、胃肠以及心血管等生物 组织上的成功应用，它逐渐得到医学界的认可，并成为关注的焦点f 1 9 】。 随着人们对于生活质量要求的不断提高，在医疗检测中对无损伤、安全无害 的检测方式的需求也就越来越强烈，一些传统医学影像方法在成像时需要添加专 门的显影剂等帮助成像的物质或者借助x 射线等辐射源，然而这些外界因素的加 入或多或少的会对人体产生影响。而o c t 技术利用光作为成像手段，当光在生物 组织传输过程中，通过干涉的方法获取被生物组织后向散射回来的光予，从而实 现对组织的成像以及获得组织内部的一些如血液多普勒信息、组织的光谱信息、 双折射信息等信息；只需借助光这个媒介，无需添加任何外加的显影剂，不需要 进行诸如生理切片等创伤手段来进行探测，故而比较安全无任何潜在的危险以及 没有任何创伤，故而远比之前的影像技术安全，完全胜任无损检测，被称之为“光 学活检” 2 1 。， 自1 9 9 1 年，美国麻省理工大学的研究人员第一次提, q t o c t 技术以来l l 】，o c t 在过去的十几年中得到了飞速发展，世界许多高校和研究院所都在积极开展o c t 领域的研究，已经有基于o c t 的产品面世，甚至已经开始在临床上得到应用。不 过目前，o c t 还主要局限于研究领域，只有少量用于眼科检查的o c t 仪器实现 商业化生产，例如由美国z e i s s h u m p h r e y 公司生产的o c t 眼底检查仪器。国际 上o c t 9 2 像研究异常活跃，主要发展趋势是：提高成像分辨率，加快成像速度，争 取达到视频速率，促进o c t 向实用化医疗仪器的发展；正朝着功能化和信息特 异性方向发展，各种功能o c t 相继诞生【“2 1 ；结合多普勒、荧光检测以及偏振、 嵌入式系统等技术，使o c t 能够适应更广泛的医学应用1 3 ，9 j 。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 鉴于o c t 成像技术的诸多优势及其在生物医学领域的重要应用，国内单位如 华中科技大学、清华大学、浙江大学、上海光机所和天津大学都先后开展t o c t 的实验研究，起步也比较早，并开展了有意义的应用研究。如清华大学开展了 o c l 在眼科疾病的诊断尝试；华中科技大学开展y o c t 在脑科学研究中的探索。 目前天津大学、南开大学、上海交通大学和浙江大学等也正在摊动o c t 研究工作 的开展h 鼻6 7 毛9 1 。 1 2 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，它的概念 是以应用为中心，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4 个 部分构成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。电气工程师协议把 嵌入式系统定义为用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模系统的设备【1 1 删。 日常我们见到的嵌入式系统及产品非常丰富，类似手机、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。如果要把这些系统 及产品按照市场领域划分，基本可以分为消费类电子产品、控制系统和工业自动 化、机器人领域以及数据无线通信。 近年来微电子技术迅猛发展，嵌入式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，嵌入式系统与互联网成为最 热门的技术，同时，这个世纪初以来，嵌入式系统也成为继p c 和i n t m m 之后最 伟大的发明，未来几年，嵌入式系统的高速发展和竞争将愈演愈烈。 嵌入式系统系统的特点如下： ( 1 )嵌入式系统功耗低，体积小，专用性强。嵌入式系统与p c 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 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 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固 化在存储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。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很高，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 3 嵌入式处理器和嵌入式操作系统 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全 世界嵌入式处理器的品种总萤已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列。 现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理 器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度从0 1m i p s 到2 0 0 0m i p s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚。根据其现状，嵌入式计算机可 以分成嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 、嵌入式微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t , m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r , e d s p ) 、嵌入式片上系统( s y s t c mo nc h i p ) 铡1 垃4 0 l 。 表1 1 嵌入式处理嚣分类 特点代表品种 具有体积小、重量轻、成本低、可靠性商的 优点，但是在电路板上必须包括r o m 、 嵌入式微处 r a m 、总线接口、各种外设等器件，从而降 a m l 8 6 ，8 8 、3 8 6 e x 、 s c - 4 0 0 、p o w e l - p c ， 理器 低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌 6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 入式微处理器及其存储器，总线，外设等安 装在一块电路板上，称为单板计算机。 叉称单片机，就是将整个计算机系统集成到 通用系列包括8 0 5 1 ， p 5 l x a 、m c s - 2 5 i 、 嵌入式微控 一块芯片中。一般以某一种微处理器内核为 m c s - 9 6 1 9 6 ，2 9 6 、 制器 核心，芯片内部集成r o m a e p r o m 、r a m 、 c 1 6 6 1 6 7 、 m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 1 2 1 1 6 、 总线、总线逻辑、定时，计数器、w a t c h d o g 、 6 8 3 0 0 等。半通用系列如： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、 支持u s b 接口的m c u 8 x c 9 3 0 纷3l 、c 5 4 0 、 f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外 c 5 4 1 ；支持1 2 c 、 设。为适应不同的应用需求，一般一个系列 c a n b u s 、l c d 及众多专 用m c u 和兼容系列。 的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品 的处理器内核都是一样的，不同的是存储器 和外设的配置及封装。最大特点是单片化， 体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可 靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业 的主流。微控制器的片上外设资源一般比较 丰富，适合于控制，因此称微控制器。 d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设 计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较 高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、 嵌入式d s p t e x a si n s t r u m e n t s 的 处理器 谱分析等方面d s p g 法正在大量进入嵌入式 t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列 领域，d s p 壶用正从在通用单片机中以普通 指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 通用系列包括i n t i n e o n 各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的 的t r i c o r e ，m o t o m l a 的 标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样， m c o r e ，某些a r m 系列 器件，e c h e i o n 和m o t o r o l a 嵌入式片上 成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准 联合研制的n e u r o n 芯片 系统 的v h d l 等语言描述。存储在器件库中。用 等。专用s o c 一般专用于 某个或某类系统中，不为 户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后 一般用户所知。一个有代 就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。 表性的产品是p h i l i p s 的 s m a r t x a 嵌入式系统的另一重要组成部分是嵌入式操作系统。根据调查，目前国际上 有两百多种嵌入式操作系统，这些嵌入式操作系统可分为实时操作系统和非实时 操作系统两种。其中实时操作系统对时间的要求非常严格，而非实时操作系统允 许程序执行过程中有时间差。类似航天、军工领域的一些工程中，就必须使用实 时操作系统。一般认为，嵌入式系统至少都是软实时系统。从2 0 世纪8 0 年代开 始，市场上出现各种各样的商用嵌入式操作系统，这些系统大部分都是为专有系 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 统开发的，从而逐步演化成了现在多种形式的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局 面。这些操作系统有v x w o r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 、q n x 、l i n u x 和w i n d o w sc e 等。 表1 1 典型的嵌入式操作系统 特点应用场合 w i n d r i v e r 公司专门为实时嵌入式系统设计 开发的操作系统软件，为程序员提供了高效 的实时任务调度、中断管理、实时的系统资 单板机、数据网络( 以太 溉肠r k s网交换机、路由器) 和通 源以及实时的任务间通信。核心功能主要有 信 微内核w i n d ，任务问通信机制，网络支持和 文件系统、i o 管理。价格昂贵。 发展最快、应用最广泛的嵌入式操作系统。 智能公路、机器人、信息 免费，源代码完全公开，多任务多用户支持， 家电、工业自动化、电子 l i n u x商务、机顶盒、数码设备、 强移植性，安全性高，稳定性好，广泛的硬 卫星定位、环境工程和气 件平台支持，强大的网络功能。 象等 微软公司的产品，从整体上为有限资源的平 台设计的多线程、完整优先权、多任务的操 游戏机、掌上电脑、手 w i n d o w sc e作系统。采用模块化设计，并允许它对于从 机、语音电话等 掌上电脑到专用的工控电子设备进行定制。 价格过高。 公开源代码，代码结构清晰明了，注释详细， 短小精悍，功能简单，组织有条例，可移植 仪器仪表，小型控制系 u c o s 性好，可裁剪，可固化。内核属于抢占式， 统 最多可以管理6 0 个任务。 加拿大q n x 软件系统有限公司开发，适用于 自动化，控制、机器人 科学、电信、数据通信、 任务关键型领域，具有非常好的伸缩性，用 航空航天、计算机网络系 q n x 户可以把应用程序代码和q n x 内核直接编 统、医疗仪器设备、交通 运输，安全防卫系统、 译在一起，使之为简单的嵌入式应用生成一 p o s 机、零售机等、 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 个单一的多线程映象。 3 c o r n 公司的p a l mc o m p u t i n g 部开发的一种 3 2 位嵌入式操作系统，运行在一个抢占式的 多任务内核上，同一时刻用户界面仅仅允许 p a l m o s 一个应用程序被打开，与同步软件h o t s y n c 掌上电脑 结合可以使掌上电脑与p c 上的信息实现同 步，把台式机的功能扩展到手掌上，具有更 大的灵活性和移动性。 1 4 本课题研究内容以及完成主要工作 在了解国内外0 c t 技术和嵌入式系统的发展现状，以及光纤型o c t 成像系统 的工作原理、工作过程和分析信号控制系统要求的基础上，自行研制了嵌入式 o c t 集成控制系统。主要内容包括三大部分：( i ) 光纤型o c t 成像系统的信号 分析和控制逻辑；( 2 ) 嵌入式o c t 集成控制系统的硬件设计；( 3 ) 嵌入式o c t 集成控制系统的软件设计。 第一部分内容中，理解o c t 成像系统的工作原理，说明光纤型o c t 成像系统 的设计思想和组成结构，在这个基础上，着重分析系统的工作过程、所需要的信 号和控制逻辑，以及各路信号的时序关系和具体控制要求。根据优化设计的目的， 引入嵌入式系统解决方案，即嵌入式o c t 集成控制系统，选定嵌入式处理器、嵌 入式操作系统和开发环境平台。 第二部分内容，根据光纤型o c t 成像系统的信号分析和控制逻辑，设计嵌入 式系统解决方案的硬件电路，包括a r m 9 核心电路设计、信号发生电路设计、步 进电机驱动电路设计、程控信号放大、穗波电路设计、通讯电路及接口电路设计 等。叙述各部分电路的设计思想、器件选型和完成形式。 第三部分内容，在a r m 9 l i n u x 嵌入式开发环境下，完成嵌入式操作系统内 核和文件系统的编译和移植，针对光纤型o c t 成像系统开发特定设备驱动和应 用程序，着重分析高速d a 转转设备驱动和应用程序的设计思想。 浙江大学硕士学位论文 第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 2 1o c t 的基本原理 光学相干成像系统其本质是一个迈克尔逊干涉仪，其组成部分包括低相干 光源、干涉系统、样品臂、参考臂以及探测系统等。其典型原理框图如2 1 所示。 干涉仪的一臂装有反射镜作为参考臂，另一臂置于待测样品上作为测量臂。为获 得高分辨率，光源通常采用近红外宽带低相干光源。从光源输出的光被2x 2 分 束器均匀分为两束，分别进入干涉仪的测量臂和参考臂。一束光经准直器到达反 射镜作为参考光；另一束光经聚焦透镜到达被测样品，在样品表面或内部形成直径 很小的光斑。从反射镜返回的参考光与被测样品背向散射的测量光在耦合器汇合， 当两臂光程差在光源相干长度内时则发生干涉，光电探测器探测到干涉信号，信号 强度可反映样品的散( 反) 射强度。纵向移动扫描参考臂，使参考光分别与从样品 中不同深度和结构反射回来的测量光发生干涉，同时分别记录相应的参考镜空间 位置，这些位置便反映了样品内不同结构的空间位置，由此可获得样品深度方向 ( z 轴) 的一维测量数据；然后扫描测量平行于样品表面( x - y 方向) 的数据。测 得的信号经计算机处理后，根据信号的强弱赋予相应的灰度值，即可得到样品的 灰度图，即图像重建1 _ 2 矗7 引。 图2 - 1o c t 系统的典型原理框图 浙江大学硕士学位论文第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 光学相干层析成像技术采集的是生物组织中后向散射光，利用相干光源的相 干门在干涉长度内的单次后向散射光子与参考臂干涉成像，以获取有用的组织信 息，而在相干门外的多次散射光就被挡在相干门外，不参与成像，因此可以减少 杂散光的影响【4 】。 2 2 基于r s o d 的光纤型o c t 系统总体介绍 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，采用哪种光学延迟线形式作为参考臂，以及采用什么样的探测器是 整个系统的成败的关键，尤其是光学延迟线的设计，要获得好的系统分辨率，除 了选取合适的光源影响最大的就是光学延迟线的设计。 基于r s o d 的光纤型o c t 成像系统( 下文简称“o c t 系统”) ，是本课题设 计开发的原型系统，如图2 - 2 所示。这个系统具有以下的特点和优势：光纤化设 计的o c t 系统紧凑、灵活，便于与光纤导管、内窥镜和其它成像装置的有机结 合，以拓展其观察范围和应用领域；参考臂上采用的r s o d 的光学延迟线( r a p i d s c a n n i n go p t i c a ld e l a yl i n e ) 是一种基于群延迟控制技术的扫描延迟线。可以实 现群速度与相速度的分离，有较快的扫描速度，有望用于实时成像，另外它能够 对光路中的群速度色散进行有效控制，通过r s o d 的色散调节，使得样品臂和 参考臂的色散得到了匹配；r s o d 的光学延迟线综合评定性能比较优异，在技术 上有先进性t 4 1 。 迈克尔逊干涉仪采用了光纤型的设计，以实现低相干干涉和共焦成像。低相 干干涉要求采用宽带光源：传统的共焦系统需要专门的针孔滤波器，而光纤型的 系统中，由于光纤孔径在9 微米左右，已经达到了针孔的要求，因而系统上来说 更为简洁。因此，光纤型迈克尔逊干涉仪需要采用范围定波段的s l d 光纤光源 和2 x 2 宽带耦合器。本系统中器件的工作中心波长1 3 1 0 n m ，带宽8 0 r i m ，分光 比5 0 ：5 0 。 浙江大学硕士学位论文 第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 图2 - 2 基于r s o d 的光纤型o c t 系统 参考臂结构中，组成部分为位相调制器和r s o d ，实现系统的纵向扫描。 o c t 系统采集的是参考臂和样品臂返回光产生的干涉信号，参考臂上返回光只 作为参考光，通过在参考臂上添加光位相控制装置，可以实现对光信号的相速度 调制，实现r s o d 相速度与群速度分离控制的目标，同时提供一个高频的外差 信号，有利于信号的处理。r s o d 部分，光束经准直之后的入射光束投射到反射 型衍射光栅上，其一级衍射光经傅立叶透镜聚焦在扫描振镜上，而振镜反射的光 又再次通过傅立叶透镜投射到光栅上，并被反射到反射镜上，然后反射光沿着原 路返回。整个r s o d 分为三个独立的部分：光束出射部分( 包括光束准直和反 射) 、衍射光栅、振镜扫描部分( 包括傅立叶透镜和扫描振镜) 。 样品臂上提供的信号光包含了样品中的各种信息，系统采用了最方便的基于 扫描平台的x y 扫描方式，即采用电控微位移平台和光纤物镜的组合。 在探测方面，系统采用电探测的方式成像，通过光电二极管( p i n 管) 接收 光信号转化为电信号，然后经过电流放大器放大信号，在通过低噪声前置放大器 接入到数字采集卡，然后计算机处理信号，进行相关运算后获得样品的结构图( 结 构o c t ) 或者其他的样品的特征参数分布，如流速图( 多普勒o c t ) 、光谱吸 浙江大学硕士学位论文 第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 收分布图( 光谱o c t ) 、折射率分布图( 折射率投射计算层析，p r o j e c t e x li n d e x c o m p u t e dt o m o g r a p h y , p i c t ) 等等。 2 3 信号分析与控制逻辑 按照基于r s o d 的光纤型o c t 成像系统的设计，我们可以分析该系统所需 要的信号和控制逻辑。 在参考臂结构中，r s o d 中的扫描振镜用来反射聚焦光，当振镜以不同的角 度进行扫描时，就可以产生光学延迟，因此需要提供一路三角波信号( 信号2 ) 并通过驱动电路以驱动扫描振镜工作。位相调制器是一个光纤器件，其本质是电 光晶体，它为准确地为光信号调制一个载频信号，而提供这个载频的电光晶体本 身就需要一路高频锯齿波信号( 信号4 ) 。 在样品臂上的需要提供的是扫描平台的控制信号，即驱动步进的控制信号， 这些信号可以由专门的控制芯片在操作软件的指令下产生。 在o c t 系统的整个成像过程中，来自样品和参考臂上的干涉信号，在迈克 耳逊干涉仪的探测臂上通过光电探测器采集，经过必要的信号处理后输送到数据 采集卡，再将被数据采集卡接收的数据输入到计算机中，进行相关运算后获得样 品的结构图。在这个过程中，同步信号起着至为重要的作用。不论什么形式的 o c t 系统，在它的装置中至少都有某种形式的光学延迟线、样品扫描机构以及 数字采集处理显示系统，这三者之间必须同步进行，否则采集到的图像将无法 真实的复原成组织的结构，实际上在所有的o c t 系统中：这三者的同步都是至 关重要的，在某些专门的设计中甚至还要求将光源、探测器以及模拟信号处理电 路同步起来。 本系统的信号同步是这样实现的。首先，扫描振镜驱动三角波信号产生的同 时，触发另一路同步方波信号( 信号1 ) 的产生，它和三角波信号在频率上是严 格同步的；将该同步方波信号送给安装在计算机内的d a q 板卡，所包含的同步 信息就被计算机所识别，然后计算机根据操作软件的参数设置，产生另一路经过 时延的方波信号( 信号3 ) ；根据该方波信号，再激励相关设备产生高频锯齿波 给位相调制器。这样，整个系统的信号可以在计算机的控制下，实现系统的最终 成像。 浙江大学硕士学位论文第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 综上所述，基于r s o d 的光纤型o c t 成像系统，所需要的信号包括扫描振 镜驱动三角波信号、同步方波信号( 送给d a q 卡) 、同步方波信号( d a q 卡产 生) 、位相调制高频锯齿波信号共四路，对应的时序图如2 3 所示。 信 信 信 信 1 2 a八aa nmnv i 叫卜, 1 1 - i l _ 3 4 伽黼黼伽 图2 3o c t 系统信号时序图 信号的要求可以规定如下： 信号l ；z 方向扫描信号，单极性的方波。 频率( i - i z ) ：1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 可选； 幅值；+ 5 v ( m a x ) 信号2 ：z 方向扫描信号，双极性的三角波，与信号1 完全同步。 频率( h z ) ：1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 可选； 幅值：可调，士5 v ( m a x ) 信号3 ：由z 方向扫描信号产生的同步触发信号。 频率：与扫描信号相同，t 1 l 电平； 占空比：可调，范围为；0 - 1 信号4 ：电光调制信号，单极性的调制的锯齿波( 正锯齿) ，同步于信号3 。 浙江大学硕士学位论文第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 频率：5 0 0 k ： 幅值：可调，士5 v ( m a x ) 2 4 系统的工作过程分析 这里指的系统的工作过程有两个，一是o c t 系统的原理成像过程，前砸已 经有基本分析；二是操作过程，即系统的操作人员如何让该系统运作进行成像的 过程。后者列出如下： l 、操作人员在扫描位移台上放置需要成像的样品； 2 、启动计算机； 3 、启动相关的组成设备，如光源、波形发生器、振镜驱动器、扫描位移台 驱动器等，让这些设备就绪； 4 、运行安装在计算机上的操作软件，设置相应的工作参数，比如波形频率、 幅值、扫描长度等； 5 、设置完毕以后，系统就进行初始化动作，包括扫描振镜驱动三角波信号 和同步方波信号产生，分别送给扫描振镜和d a q 板卡，d a q 板卡根据 工作参数设置产生同步方波，控制波形发生器产生高频锯齿波给位相调 制器； 6 、扫描位移台复位，并运转到扫描起始位置； 7 、下发扫描指令，扫描位移台开始工作，即平面方向和深度方向扫描样品： 8 、干涉光信号被p i n 管接收转化成电信号，放大、滤波处理，送给d a q 卡； 9 、计算机处理信号，重构图像。 2 5 嵌入式系统设计思想的引入 基于r s o d 的光纤型o c t 成像系统在设计上具有很明显的成像优势和技术 先进性，在实际搭建了实验平台以后，进行了一系列的实验，基本达到了预期目 标，能够获得较快的扫描速度和较大的扫描范围，虽然距离实时成像还有一定的 距离，但是在某些静态观察方面已完全能够胜任。 2 5 1 系统原先采用的分立设备分析 系统的实验设备采用情况如下： 浙江大学硕士学位论文第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 l 、光源：范围定在1 3 1 0 r i m 波段的s l d 光源，选择了b & w t e k , i n c 公司的 b w c s l d ，中心波长位于1 3 1 0 r i m ，带宽为6 5 r i m 。光源的外形如图2 4 - l 所示。 图2 5 1o c t 系统光源 2 、电源：根据分立信号设备和控制设备的供电要求，采用外置的可调节电 压输出的电源，外形如图2 - 4 2 所示。 图2 - 5 - 2o c t 系统电源 3 、波形发生器：系统需要产生扫描振镜驱动三角波和同步方波，以及位相 调制高频锯齿波，因此选择了s r s ( s t a n f o r d r e s e a r c hs y s t e m s ) 公司的同步波形 发生器，型号为d s 3 4 5 ，频率范围1t d - l z 到3 0 。2m h z ，可以产生正弦波、矩形 浙江大学硕士学位论文第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 波、三角波、锯齿波等，1 0 m h z 同步参考输入，r s 2 3 2 或者g p i b 控制接口。外 形如图2 - 4 3 所示。 图2 - 5 3o c t 系统波形发生器 4 、位移控制器：系统的样品臂扫描采用电控位移台实现，相应地需要步进 电机驱动器，系统采用北京卓立汉光仪器有限公司的t s a 系列电控位移台，并 采用配套的s c 3 步进电机控制器。后者可以实现三个通道( x 呵，z 轴) 的步进电 机控制，具备手动和程序控制两种操作方式，可以与计算机通过r s 2 3 2 通信接 收指令和返回信息，并具备物理位置限位和最大步进电机8 细分、2 5 5 档速度选 择等功能。外形如图2 4 4 所示。 图2 5 - 4 电控位移台和步进电机控制器 5 、信号放大滤波器：探测器接收的光信号转变成电信号，需要通过方法和 滤波处理以后才能输给d a q 卡处理，系统采用s r s ( s t a n f o r dr e s e a r c hs y s t e m s ) 公司低噪声前置放大滤波器，lm h zt 作带宽，放大增益1 到5 0 0 0 0 ，a c 或者 d c 差分或者单端输入，r s _ 2 3 2 控制接口。外形如图2 - 4 5 所示。 6 、d a q 卡：系统采用美国国家仪器公司的n i p c i - 6 1 1 0d a q 卡，基于计算 机p c i 总线的多功能即插即用设备，拥有四路1 2 b i ta d 转换输入和1 6 - b i td a 转换电压输出，带数字触发功能，r r l 电平兼容，易于被计算机软件配置。 浙江大学硕士学位论文第二章基于r s o d 的光纤型o c t 系统 图2 - 5 - 5 信号放大滤波器 7 、其它器件 耦合器件：富通昭和光通信配件有限公司生产的w b c 型2 2 宽带耦合器。 中心波长在1 3 1 0 n m ，带宽8 0 n m ，分光比5 0 ：5 0 。 位相调制器：j d su n i p h a s ec o r p o r a t i o n 的产品，外形和技术参数见图2 - 4 5 。 扫描振镜及驱动板：c a m b r i d g et e c h n o l o g y , i n c 胸光学扫描振镜，以及配套 的驱动控制电路板 光电二极管( p 玳管探测器) ： s o b 瞳f i 臣i t 幻晴 r d - t - l kf i i o i t h t - 坤o 血1 “幢时“i i 时 n 即lc d 柚1 ，w qm m