基于光学相干层析成像系统的表面形貌测量研究

1、32秦玉伟:基于光学相干层析成像系统的表面形貌测量研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂激光杂志󰀁2012年第33卷第6期󰀁󰀁󰀁󰀁LASERJOURNAL(Vol.33.No.6.2012)基于光学相干层析成像系统的表面形貌测量研究秦玉伟(渭南师范学院物理与电气工程学院,陕西渭南󰀁714000)提要:提出了一种基于光学相干层析成像的表面形貌测量方法,利用白光频谱域光学相干层,析系统对普通平面镜样品进行成像,对不同光程差对应的干涉光谱进行了测量,

2、并分析了不同光程差对应的散射势峰值的位置,最终得到了平面镜样品的二维层析图像。实验结果可知,该系统可完成对物体表面形貌的测量,具有成像速度高、信噪比高和分辨率高的优点,可满足实际工业测量需要。关键词:光学相干层析成像;形貌测量;轴向分辨率中图分类号:TH7443.;O439󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:0253-2743(2012)06-0032-02QINYu-wei(SchoolofPhysicsandElectricalEngineering,Wein

3、anTeachersUniversity,Weinan,Shanxi714000,China)Abstract:Amethodforsurfacetomographymeasurementwasintroduced.White-lightspectral-domainopticalcoherencetomographywasusedforthemir-rorsampleimaging.Theinterferencespectrumweremeasuredwithdifferentopticalpathdifference,thescatteringpotentialpeakswithdiffe

4、rentopticalpathdiffer-encewerealsoanalyzed.Atwo-dimensionalcross-sectionalimagewasfinallyobtained.Theexperimentshowsthatsystemcanmeasurethesurfacetomographyoftheobject.Ithashighimagingspeed,highsignal-to-noiseandresolution,canfacetheindustrialmeasurement.Keywords:Opticalcoherencetomography;surfaceto

5、pography;axialresolutionSurfacetopographymeasurementbasedonopticalcoherencetomography󰀁󰀁光学相干层析术(Opticalcoherencetomography,简称OCT),是一种新兴的生物成像技术,通过检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号,非侵入地从生物组织中提取出高精度的二维图像,通过扫描,可󰀁1󰀁得到生物组织二维或三维结构图像,具有较高的分辨率。自从美国麻省理工学院的D.Huang和英国剑桥大学的JG.Fujimor

6、o等人在1991年采用OCT技术成功地对人眼视网膜的显微结构和冠状动脉壁成像以来,OCT技术得到了飞速发展和广泛应用,目前OCT技术被广泛的应用于工业领域,如无损检测、材料厚度测量、表面粗糙度测量、表面和截面成像󰀁1,2󰀁等诸多领域。频谱域OCT(SD-OCT)和扫描频率OCT(SS-OCT)技术的成熟和发展为OCT提供了更广泛的应用空间,这两种技术相对于传统的时域OCT系统,具有扫描速度快、信噪比高等优势,为OCT的三维成像和实时二维成像提供了基础󰀁3󰀁。谱信号传输至计算机进行处理。2󰀁实验结果分析该实验以普通平

7、面镜为样品进行层析成像,将平面镜样品固定在样品臂的二维电动微位移平台上,与垂直方向呈微小角度倾斜放置。通过计算机软件控制电动微位移平台进行光路调整,使样品光和参考光之间的光程差小于相干长度,发生频谱域干涉,当光谱仪上观察到清晰的干涉条纹时停止调整,采集此时的干涉光谱,如图2a所示。调整步进电机微位移平台,使参考镜位置发生改变,改变两臂光程差,采集干涉光谱,如图2b所示。由图2可以看出,光谱仪采集到的干涉光谱信号是叠加在直流信号上的余弦调制信号,光程差越大,信号频率越高;光程差越小,信号频率越低;与干涉信号的理论表达式(1)相符。当光程差接近零时,信号频率最低,此时信号极易受环境干扰,因此一般选

8、光程差稍大于零光程差。1󰀁频谱域OCT原理与实验设计频谱域OCT是理论基础是散射势理论󰀁1󰀁。根据维纳-辛钦定理,信号的自相关函数是其功率谱密度的傅立叶变换,因此深度信息的扫描可以通过对获得的干涉频谱进行傅󰀁1,4󰀁立叶逆变换得到,而不必移动参考臂,利用这个特点可以极大的提高谱频域OCT系统的成像速度,而且可以增强图像的信噪比和系统稳定性。在频谱域OCT系统中,宽带干涉的信号通过光谱仪接收,表示为:I(k)󰀁S(k)1+2+2󰀁󰀁0式(1)中,P(z)为样品的散射势,

9、含样品的轴向结构信息;z为系统的轴向测量深度,k为波数;S(k)为光源的光谱密度;为待测样品的平均折射率。第一项为互相关项,第二项和第三项分别为影响图像质量的直流噪声和自相关噪声,可通过相移法去除󰀁1󰀁。对干涉光谱信号进行傅里叶逆变换,可得到携带样品深度信息的散射势P(z)和P*(-z),通过偏置光路的方法,去除共轭项P*(-z),得到散射势P(z)󰀁5󰀁。谱域OCT系统主要由光源、迈克尔逊干涉仪和光谱仪等󰀁6󰀁部分组成,系统结构如图1所示。󰀁󰀁为提高对样品探测的灵活

10、性,减小系统体积,降低系统成本,该OCT系统采用光纤结构,如图1所示,OCT系统中的光源光束经单模光纤耦合器(分光比为30:70,2󰀁2)后被分成两部分:一部分为样品臂,光束照射到被测样品上;一部分被称为参考臂,光束通常照在平面镜上。样品臂返回的含样品信息的样品光和参考臂返回光经耦合器后会发生干涉,而仅仅当两条光路的光程差距小于相干长度时,会产生稳定的干涉图样。光谱仪通过光纤采集光谱信号,并将采集到的光收稿日期:2012-10-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975228);渭南市自然科学基础研究计划项目(2011KYJ-3);渭南师范学院科研计划项目(12YKS0

11、21)。作者简介:秦玉伟(1979-),男,山东诸城人,讲师,在读博士生.研󰀁󰀁P(z)P(z󰀁)exp󰀁i2kz-z󰀁)󰀁dzdz󰀁󰀁P(z)cos(2k)dz󰀁(1)图1󰀁谱频域OCT系统结构图图2󰀁不同光程差干涉光谱信号分别对两次采集到的干涉光谱信号做傅里叶逆变换,去除干扰项,并利用偏置光路法去除镜像,得到两次测量的散射势函数,即样品的轴向深度信息,如图3所示。可以看出,图3a和图3b中分别存在一个明显的散射势峰值

12、,其横坐标位置表示平面镜表面与零光程差之间的相对位置,由散射势峰值的横坐标位置可以看出,两散射势峰值横坐标之差约为300󰀁m,这与步进电机移动300󰀁m的位移相符合,由此可以验证散射势理论,利用此性质可以检测样品的深度信息,若进行横向扫描,则可以对样品微观表面形貌进行测量。通过计算机软件控制微位移平台匀速运动,对样品进行横向扫描,用光谱仪连续采集多个干涉光谱信号,对干涉光谱信号进行傅里叶逆变换,并将得到的多个一维散射势赋灰度值,得到样品的二维层析图像,如图4所示,其中位于层析图周逸云等:宫腔镜与腹腔镜联合治疗不孕症的手术护理配合󰀁󰀁

13、;󰀁󰀁󰀂激光杂志󰀁2012年第33卷第6期󰀁󰀁󰀁󰀁LASERJOURNAL(Vol.33.No.6.2012)像顶部的亮线表示镜面。这是由于平面镜表面反射较强,所以在二维层析图像里表现为高强度的亮线。通过二维层析图像,可以清晰地看出平面镜表面形貌与平整度。33󰀁󰀁本文提出的表面形貌测量方法利用白光频谱域光学相干层析成像原理,通过对普通平面镜样品的成像实验,得到了样品的二维层析图像,由二维层析图像可以清晰的看出平面镜的表面形貌,实验结果验

14、证了该系统的测量有效性。可若对样品进行横向的二维扫描,就可以得到样品的三维表面形貌图像。该系统具有成像速度高分辨率高、信噪比高等优点,可应用于半导体质量检测和微机械系统研究等工业领域,具有良好的发展前景。参考文献󰀁1󰀁󰀂W.DrexlerandJ.G.Fujimoto.OpticalCoherenceTomography,TechnologyandApplications󰀁M󰀁.Springer-Verlag,Berlin,2008.󰀁2󰀁󰀂D.Huang,E.A.S

15、wanson,C.P.Lin,etal.Opticalcoherencetomogra-phy󰀁J󰀁.Science,1991,254(5035):1178-1181.Fourierdomainversustimedomainopticalcoherencetomography󰀁J󰀁.Opt.Express,2003,11:889-894.󰀁4󰀁󰀂A.F.Fercher,C.K.Hitzenberger,G.Kamp,etal.Measurementofin-traoculardis

16、tancesbybackscatteringspectralinterferometry󰀁J󰀁.Opt.Commun.,1995,117:443-448.󰀁5󰀁󰀂Targowski,P.,Wojtkowski,M.,Kowalczyk,A.,Bajraszewski,T.,Szkulmowski,M.,Gorczynska󰀁C󰀁.I.:ComplexspectralOCTinhu-maneyeimaginginvivo.Proc.SPIE,2003,5140,28-32.♦

17、41;6󰀁󰀂秦玉伟,赵宏,庄仲琴,热光源谱域光学相干层析成像系统󰀁J󰀁.西安交通大学学报,2011,45(11):68-71.图3󰀁不同光程差一维散射势曲线图4󰀁平面镜样品的二维层析图像4󰀁结论󰀁激光医学与医学󰀁宫腔镜与腹腔镜联合治疗不孕症的手术护理配合周逸云,朱丹丹(解放军425医院,海南三亚󰀁572008)󰀁󰀁随着微创手术的发展以及宫腔镜与腹腔镜手术在妇科领域的广泛开展,宫腔镜与腹腔镜手术可以一次性较

18、全面的找出不孕原因,并可以同时进行相应的治疗,为不孕症的快速及准确诊断、治疗、开辟了新途径󰀁1󰀁。而且具有创伤小、出血少、时间短、患者痛苦少等优点。本文对119例不孕症患者,进行宫、腹腔镜探查手术的手术护理配合报告如下。空气进入宫腔,形成空气栓塞。术中应该严密监测患者生命体征变化及肢体受压情况。2.2.2󰀁洗手护士配合器械护士应该提前20分钟洗手上台,将手术所需器械分别安装,检查各部分零件是否齐全后备用。器械护士应熟练掌握该手术的步骤及配合器械按使用先后有序摆放。麻醉成功后配合医生常规皮肤消毒、铺无菌单。与巡回护士将各种管道,导线连接在仪器上,并

19、检查调试其清晰度。勿将光导纤维折成锐角,避免撞击、划伤、堕落、震动;电凝线不能折叠及过渡弯曲;保持镜头清晰防止雾气产生,有三种方法:1、插入前或术中有血渍盖住镜头时用碘伏纱布擦拭后再用干纱布擦净;2、将镜头贴在肠管上轻轻擦拭;3用温盐水镜浸泡镜头。随时清理器械上的组织焦痂,保持器械的清洁;台上取下标本手术结束立即与主刀医生核对后交给巡回护士保存并送检。手术结束后放出腹腔内的CO2气体,用创可贴粘贴3个切口处,注意创可贴不要拉的过紧,以免皮肤起泡。2.3󰀁术后处理(1)腹腔镜属于精细器械,术后由专人仔细清洗;各种管腔器械打开关节,拧下螺丝帽,用高压水枪冲洗;去除血污后在放入酶洗液

20、中浸泡10min再彻底清洗,特殊感染手术严格按感染手术处理流程处理。(2)术后腹腔镜头、摄像头、冷光源用潮湿的清洁软棉片擦拭,晾干,单独保存,存放时不可折叠及过度弯曲;各机器要先关闭机器开关,然后再关闭电源,以保护机器延长使用寿命。(3)专人负责、定时保养。1󰀁临床资料我院自2009年来,采用宫、腹腔镜治疗不孕症119例,年龄26-35岁,平均年龄31岁。不孕时间2-6年不等:有人工流产史79例,异位妊娠史23例,分娩史17例。手术时间60-180min,平均96min,术中出血60-150ml。110例术后第一天开始下床活动,6-8h开始进食流质饮食,平均住院4天。2b

21、3041;手术配合2.1󰀁术前准备2.1.1󰀁术前访视术前访视可减轻患者的焦虑心理,提高手术室工作效率和质量。向患者介绍手术方式及手术的优越性,使患者对手术有所了解,从而减轻患者的心理压力,增强患者对手术的信心。2.1.2󰀁特殊仪器的准备宫腔镜全套(显示屏、冷光源、摄像头,膨宫加压器)、腹腔镜全套(显示屏、冷光源、摄像头、气腹机)、二氧化碳、高频电刀、吸引器,保持性能完好。2.1.3󰀁用物的准备(1)专用器械:10.5cm穿刺器2个、5.5cm穿刺器2个、气腹针1个、布巾钳2把、电凝棒1个、持针器1个、电凝钩1个、钩剪1个、气腹管一根、单、双极电凝线各一根、cook导管导丝一根、加压管及针头各一根。(2)一般器械:普外常规小手术包、人流包。(3)一般物品:敷料包、手术衣、吸引管、腿架、亚甲蓝、镜套等。2.2󰀁术中配合2.2.1󰀁巡回护士配合患者进手术室进行安全核查确认无误后,建立静脉通道,协助麻醉师进行全身麻醉,麻醉