慢性傷口光學(xué)仿體的多尺度多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)研究.pdf

1、生物光學(xué)仿體的三維打印制備與表征系統(tǒng)整合了多模態(tài)光學(xué)影像、微納加工和三維仿體打印等技術(shù)，能夠?yàn)樯锕鈱W(xué)影像標(biāo)準(zhǔn)化的研究提供多模態(tài)可溯源仿體。生物光學(xué)仿體可以用來檢驗(yàn)和校準(zhǔn)臨床影像系統(tǒng)，從而提高影像精度，減少測(cè)量誤差，確保疾病診治的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)中生物組織的檢測(cè)和表征模塊使用多模態(tài)光學(xué)影像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體結(jié)構(gòu)、功能和分子特性的實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有成本低體積小、速度快、非侵入以及無輻射等諸多優(yōu)點(diǎn)。
　　本文從宏觀和微觀兩種尺度，針對(duì)慢性傷口

2、這一類生物組織的表面形態(tài)、血氧分布及微血管表征，提出了兩套多模態(tài)影像系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)中運(yùn)用的多模態(tài)影像技術(shù)，進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了每套系統(tǒng)的功能并測(cè)量了關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)現(xiàn)了傷口組織宏觀三維血氧分布和微觀血氧、血管三維信息重建。為生物光學(xué)仿體三維打印制備與表征系統(tǒng)中光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的集成提供了新的思路和參考，具有重要的研究價(jià)值。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)搭建了一套多視角三維重建系統(tǒng)。提出了一種基于平面鏡套筒的多視角三維重建方

3、法。使用4面平面鏡組成的平面鏡套筒，僅使用1臺(tái)相機(jī)完成對(duì)被測(cè)生物組織的多視角成像，通過計(jì)算機(jī)視覺中的相關(guān)理論，重建生物組織的外形信息。平面鏡套筒可以將1臺(tái)真實(shí)相機(jī)擴(kuò)展為4臺(tái)虛擬子相機(jī)和1臺(tái)實(shí)體子相機(jī)。針對(duì)這個(gè)真實(shí)-虛擬相機(jī)系統(tǒng)，定量的完成了相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定。
　　(2)搭建了基于多視角成像和高光譜成像的宏觀尺度多模態(tài)生物醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)生物組織樣品的表面三維重建、高光譜成像和組織血氧測(cè)量。該系統(tǒng)包含1臺(tái)高分辨率的互補(bǔ)金屬氧

4、化物半導(dǎo)體(CMOS)數(shù)碼單反相機(jī)，1個(gè)平面鏡套筒，1臺(tái)高靈敏度電荷耦合器件(CCD)相機(jī)，1臺(tái)高光譜光源，以及環(huán)形光圈等器件，實(shí)現(xiàn)了能夠同時(shí)獲取生物組織結(jié)構(gòu)和功能信息的影像平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)量化了基于多視角成像和高光譜成像的宏觀多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)的性能。搭建了三維重建測(cè)試系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)定量的計(jì)算了三維重建系統(tǒng)的空間分辨率和重建精度，通過足部傷口模型驗(yàn)證了多視角系統(tǒng)對(duì)生物組織的重建能力。通過離體血液仿體實(shí)驗(yàn)和健康人手指的血流阻斷-灌注實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了

5、高光譜血氧成像的性能。該宏觀多模態(tài)生物醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的生物組織表面形貌信息和功能信息的重建。
　　(3)搭建了微觀尺度多模態(tài)生物醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)光顯微成像、熒光顯微成像和高光譜顯微成像三個(gè)模態(tài)。各個(gè)模態(tài)相互交叉集成可以實(shí)現(xiàn)生物組織在微觀尺度上的結(jié)構(gòu)和功能信息測(cè)量。該系統(tǒng)包含了1臺(tái)高光譜光源，1臺(tái)高靈敏度空氣制冷相機(jī)，1片數(shù)字微鏡器件(DMD)芯片及其控制模塊，多組顯微物鏡和濾光片等原件。編寫了微觀尺度多模態(tài)

6、影像系統(tǒng)的控制軟件。該軟件基于LabVIEW編程環(huán)境?？梢詫?shí)現(xiàn)采集圖像的實(shí)時(shí)預(yù)覽，高光譜光源輸出光的波長和亮度控制，相機(jī)的曝光控制，電動(dòng)載物臺(tái)的移動(dòng)控制，DMD芯片條紋的切換以及采集過程中各組件的有序全自動(dòng)控制。
　　(4)提出了顯微高光譜結(jié)構(gòu)光影像的圖像采集方法。結(jié)構(gòu)光影像通過對(duì)所采集到的條紋光照明圖像進(jìn)行光學(xué)層析圖像處理，得到全視場大深度樣品的清晰成像。但在高光譜影像中，層析圖像的亮度信息并不能完全包含樣品的反射光譜信息。因此

7、，使用采集到的條紋光照明原始圖片，生成了光學(xué)層析圖片堆棧和明場照明堆棧，通過對(duì)層析圖片堆棧的分析，獲得明場照明圖片堆棧中清晰對(duì)焦點(diǎn)的坐標(biāo)，重建出樣品全視場大深度清晰成像的高光譜數(shù)據(jù)。
　　(5)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微觀尺度多模態(tài)影像系統(tǒng)的性能指標(biāo)。通過標(biāo)準(zhǔn)微球的表面重建實(shí)驗(yàn)，定量的驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)光表面重建可以實(shí)現(xiàn)較高精度的樣品重建。布洛芬顆粒樣品、硬幣樣品重建實(shí)驗(yàn)顯示了結(jié)構(gòu)光表面重建應(yīng)用效果。通過吲哚菁綠(ICG)熒光微管道仿體驗(yàn)證了系統(tǒng)的熒光