光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中色散現(xiàn)象研究.pdf

1、光學(xué)相干層析成像(opticalcoherencetomography,OCT)是近年來(lái)快速發(fā)展的一種生物組織高分辨率實(shí)時(shí)成像技術(shù)。光學(xué)層析成像的軸向分辨率決定于所用光源的光學(xué)相干長(zhǎng)度。而光學(xué)相干長(zhǎng)度與光源的頻譜寬度成反比。雖然使用寬帶光源可以大幅度提高分辨率，然而，如果OCT系統(tǒng)的色散很強(qiáng)，層析圖像的分辨率就會(huì)下降。目前，如何消除色散的影響，并提高圖像的分辨率成為人們普遍關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。 本文在全面分析國(guó)內(nèi)外OCT技術(shù)研究和應(yīng)

2、用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)OCT系統(tǒng)的色散問(wèn)題作了比較全面的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)理論分析和數(shù)值計(jì)算，著重研究了OCT系統(tǒng)色散產(chǎn)生的原因和群色散、三階色散引起的縱向分辨率下降；接著，搭建了光學(xué)相干層析成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)OCT系統(tǒng)的色散現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)驗(yàn)中觀察到樣品的色散導(dǎo)致OCT信號(hào)的包絡(luò)展寬，驗(yàn)證了理論分析的正確性?？梢钥吹?，如果不對(duì)樣品的色散進(jìn)行補(bǔ)償，OCT系統(tǒng)的分辨率將會(huì)降低。根據(jù)OCT色散現(xiàn)象的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)，本文提出

3、一種新的數(shù)值補(bǔ)償方法來(lái)處理OCT信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種數(shù)值補(bǔ)償方法是有效的。通過(guò)這種方法來(lái)補(bǔ)償色散，OCT信號(hào)的包絡(luò)寬度明顯減小。同時(shí)本文還考慮了一些影響OCT信號(hào)的因素，分析了實(shí)驗(yàn)誤差。 本文的工作特點(diǎn)和創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：理論上，推導(dǎo)了OCT系統(tǒng)中分別由快速掃描光學(xué)延遲線(RSOD)和樣品產(chǎn)生的色散公式；通過(guò)數(shù)值模擬，比較快速掃描光學(xué)延遲線與一些樣品產(chǎn)生的群速度色散(GVD)和三階色散(TOD)，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法

4、比較了群速度色散(GVD)和三階色散(TOD)對(duì)OCT干涉信號(hào)的影響。 技術(shù)方法上，搭建了一套OCT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。采用了ASE半導(dǎo)體激光器和SLD為寬帶光源；并用2×2偶合器構(gòu)成麥克爾遜干涉儀；用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)樣品的縱向掃描，分析了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了掃描控制電壓波形，并編寫(xiě)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的掃描速度、步長(zhǎng)和掃描范圍控制和運(yùn)動(dòng)方向控制；OCT信號(hào)的檢測(cè)方式采用光外差法，設(shè)計(jì)了光探測(cè)器的前置放大電路和濾波電路；采用了新型

5、的PCI數(shù)據(jù)采集卡，編寫(xiě)軟件控制數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)采樣速度、緩存以及數(shù)據(jù)采集量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的文件存儲(chǔ)。搭建的OCT系統(tǒng)縱向分辨率達(dá)到12.1um，橫向分辨率達(dá)到24.2um。 在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用方面，利用搭建的OCT系統(tǒng)，獲得了不同樣品的OCT信號(hào)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了色散降低信號(hào)的縱向分辨率的結(jié)論；通過(guò)快速傅立葉變換分析了信號(hào)頻譜的振幅和相位，提出了一種新的光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中色散的數(shù)值補(bǔ)償方法，并用黃金分割算法優(yōu)化最佳補(bǔ)償系數(shù)的求解方法，這種