OCT扫描方法及装置的研究.pdf

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ll|洲lY1531385大津大学上程硕士学位论文OCT扫描方法及装置的研究TheResearchofOCTScanningMethodAndScanningDevice学科专业：

光学工程研究生：

王佳佳指导教师：

姚晓天教授，刘铁根教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零零八年八月中文摘要光学相干层析技术（OpticalCoherenceTomography）简称OCT，是近几十年迅速发展起来的，继超声波、X射线计算机断层摄影（XCT）、核磁共振成像（MRI）等技术之后的又一种新的生物组织成像技术，可获得生物组织内部微观结构的高分辨率截面图像。

OCT以其快速成像、非侵入、高分辨率等优点广泛应用于生物医学领域，在眼睛、皮肤、口腔、心血管等系统病变的早期诊断和动态监测方面具有使用价值。

在我国，口腔疾病患病率高达90以上，OCT技术作为一种1：

3腔诊断新技术，普及于口腔临床，将获得巨大的社会效益。

本课题组研制应用于口腔疾病诊断与检测的OCT成像仪器，力求实现对口腔常见多发疾病的早期诊断以及对口腔治疗质量继口腔修复体质量的动态监测等，建立高分辨率、高灵敏度、快速、实时的OCT诊断系统。

本论文建立快速OCT系统，设计一套应用于口腔检测的OCT横向扫描装置，获取OCT二维层析图像。

并且设计一柄手持式口腔OCT探头，实现手持功能。

本论文主要完成以下工作：

深入研究近几年来应用于OCT系统的横向扫描方法，通过分析各种方法的应用环境和优劣性，选择合适的方法实现实验室OCT系统的横向扫描。

分别从驱动元件，光学元件，装配方式三方面分析，实现横向扫描装置的设计。

在对该装置进行理论分析的基础上，完成性能检测实验，获得扫描装置的驱动电压，驱动频率，扫描范围以及扫描路径等。

搭建快速OCT系统，完成补偿光线的匹配，实现光纤延迟线和光纤拉伸器的轴向扫描，获取样品干涉信号。

将横向扫描装置与OCT系统相结合，获取OCT二维层析图像。

一方面通过对采集卡的编译实现同步信号；另一方面对图像的错位原因进行分析，并且通过软件补偿，减少错位信息，获得波片正确的二维层析图像。

另外，根据医用口腔探头的结构特点封装横向扫描装置，形成手持式口腔OCT探头，实现手持功能。

并且利用该探头也成功的获得样品二维层析图像。

关键词：

光学相干层析技术（OCT）；横向扫描装置；压电双晶片；自聚焦透镜；手持式口腔OCT探头ABSTRACTOpticalCoherenceTomography（OCT）isoneoftherapidlydevelopedtechniquesforbiotomographyinthelastfewdecades，followingultrasonictechnology,X-rayComputedTomography（XCT）andMagneticResonancelmaging（MRl）ItacquiresthehighresolutioncrosssectionimageofmicromechanismintheinteriororganismtissueDuetoitsadvantages，includingrapidimaging，noninvasivedetecting，highresolutionandSOon，ithasbeenwidelyappliedinbiomedicalfields，especiallyinearlydiagnosisanddynamicmonitoringforthesystemofeyes，skin，oralcavityandcardiovascularInChina，thesufferingrateoforaldiseasereachesashighas90percentormoreAsaneworaldiagnostictechnology，OCTwillobtainlargesocialbenefitsafteritspopularityintheoralclinicOurlabisdevelopinganoralOCTsystem，whichisusedfororaldiseasediagnosisandoraldiseasedetectionandstrivingtoachieveearlydiagnosisofcommonmultipleoraldiseases，dynamicmonitoringoforalrehabilitationSqualityeta1TheOCTsystemshouldrealizethecharactersofhighresolution，highsensitivity,fastspeedandreal-timediagnosisThepaperestablishedarapidOCTsystemanddesignedalateralscanningdevicetoobtaintwo-dimensionalimageInaddition，thispaperalsodesignedahandholdprobefororalOCTtorealizeitshandholdfunction，whichiSmuchmoreconvenienttOfororalclinicThispaperincludesasfollows：

DeeplystudytheliteratureaboutOCTlateralscanningdeviceByanalyzingtheapplicationenvironmentandqualityofeachofthem，choosetheappropriatewaytobuildourOCTlateralscanningdeviceRespectivelyselectthedrivingcomponents，theopticalcomponentsandtheassemblywaysinordertoestablishthelateralscanningdeviceBaseonthetheoreticalanalysisofthelateralscanningdevice，completeperformanceexperiments，accesstodrivingvoltage，frequency,scanningrangeandscanningpathEstablishtherapidOCTsystem，matchthefibercompensation，withrealizingaxialscanningbytheopticaldelaylineandfiberstretcher,whichaccesstointerferencesignalCombinethelateralscanningdevicewiththeOCTsystemandobtainthetwo-dimensionaltomographyimageOnonehand，obtainthesynchronizedsignalsbytheacquisitioncard；ontheotherhand，analyzethewrongpositionoftheimageandgetthecorrectimagebysoftwarecompensationAccordingtothestructurecharacteristicsoftheoralprobe，packagethelateralscanningdeviceandformahand-holdprobefororalOCT,whichalsosuccessfullyobtainsthetwo-dimensionaltomographyimageKEYWORDS：

OpticalCoherenceTomography（OCT），lateralscanningdevice，piezoelectricbimorph，Greenlens，handholdprobefororalOCT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，除了文中特别加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，也不包含为获得苤叠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：

互仫名签字日期：

护扩年罗月髟日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鲞苤茎：

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。

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（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：

互形纱绛导师签名：

签字日期：

加孑年歹月乒日签字日期：

天月吻：

年、N，b形第一章绪论第一章绪论弟一早瑁了匕随着社会的发展，生活水平的不断提高，人们对生活的要求也在不断提高，因此健康问题越来越受到关注。

自然，对检测疾病的医疗设备的要求也越来越高。

这种要求单独依靠医学或生物学是无法解决的，从而导致交叉学科的出现、新领域的诞生。

例如生物医学就是其中之一的产物，它是生物学、医学、物理学、信息学等多个学科的综合。

随着这些学科的发展，特别是近几年来，电子技术改进、激光的诞生以及计算机突飞猛进的发展，结合现代光学、电磁学、声学等理论，解决了很多以前都无法解决的生物医学难题。

在生物医学的检测方面，出现了许多医学成像技术，如X射线计算机断层成像（xrayComputedTomography，XCT）11】、超声波成像（Ultrasonography，us）睇J、核磁共振成像（MagneticResonanceImaging。

MRI）I31、正电子发射层析成像（PositionEmissionTomography,PET）4等，为医学的发展起到了推动性的作用。

但为了使各种诊断更精确、更客观化，需要不同的检测手段从不同的侧面提供反映人体组织特定参数的医学图像来描述组织生物变化的多层面相互补充的医学信息。

本课题正是基于这样一种背景产生的：

利用宽带光源的低相干特性对生物活体组织的内部微观结构进行高分辨率层析成像。

称为光学相干层析技术（OpticalCoherenceTomography）15j。

11生物医学成像技术111生物医学成像技术介绍生物医学成像是人类健康和疾病治疗方面最可靠的手段之一。

1972年计算机断层扫描CT（ComputedTomography）的问世，标志着生物医学成像技术进入了一个用计算机重建图像的新历程。

一系列新的医学成像方法和设备相继问世，每种新方法揭示人体的不同信息。

根据不同的物理学原理，获得数据，构成图像。

但是许多成像技术（如红外光谱成像技术）只具有横向分辨率，不能分辨样品深度上的细节，丧失了部分有用信息。

层析成像技术能从目标样品的投影重构出样品的断面图像，在保证横向分辨能力的同时，可以分辨轴向上的细节。

超声计算机断层成像利用超声波在生物体内传播时，体内各种组织与结构不同的声学特性引起传播速度的变化和超声强度的衰减，检测回波的速度信息和衰减数据，从而用计算机重建投射超声图像。

目前超声计算机断层成像所需的扫描第一章绪论时间较长，且分辨率低，尚未用于临床诊断。

超声波是无电离效应的波，其特点是对人体损害小，且造价比一般XCT要低得多。

CT使用的X射线束相对于x射线照相来说比较窄，它产生的辐射虽然小得多，但是一些特殊人群（如孕妇）仍然不适合作过多的CT检查。

除此之外，由x射线投影原理知道，CT扫描的信息依赖于身体结构的密度，密度越大，越多的X射线会被挡住，图像就越白，所以骨骼在图像上显得特别突出，但是对于密度接近的不同器官和组织的图像，则受到射线宽度、射线间距以及图像重建过滤器等因素影响，通常只能达到O7mm至20mm。

而且要得到一副完整的CT图像一般需要十几秒，不适合作实时高分辨率成像。

80年代初，核磁共振成像，即MRl的出现提供了另一种完全不同的拍摄体内图像的方法。

M刚基于强磁场和高频信号导致体内原子共振发出它们本身的信息。

通过收集和分析这些信号，计算机以一定算法可以重构出三维图像。

不同于CT图像反应体内的密度分布，M刚图像反映了某种元素在体内的分布。

它可以根据水量区分不同组织。

整体上来说MRI的成像分辨率低于CT。

据报道，如今MRJ可以获得100urn以下的图像分辨率（Jacobs和Fraser于1994年实现），但其所需的成像时间在临床中还是难以接受，而且该仪器昂贵的价格也限制了它的推广。

正电子发射层析成像技术即PET，是先让病人吸入或注射少量正电子放射性物质，当这种物质通过身体时可以被仪器跟踪到。

CT和M砌主要用于观察内脏结构，PET则主要用于跟踪观测新陈代谢作用。

另一项与PET十分相近的技术叫做SPECT（SinglePhotonEmissionComputedTomography）且O单光子发射计算层析成像。

该技术采用的放射源是高能光子放射性示踪物质。

这两种技术都存在放射性物质，无疑对人这些成熟的成像技术给我们的医疗事业带来了革命性的改进，但是这些成像技术都具有许多缺陷。

光纤光学和激光技术的不断发展，促进了光学技术在医学和生物学领域的应用。

其中，OCT（OpticalCoherenceTomography，简称OCT），又称光学相干层析技术，或者称为光学相干断层扫描技术，作为一种新型的光学生物成像技术，备受研究人员的关注。

112光与生物组织的相互作用医学及医疗领域中的应用激光是非常广泛的，无论是治疗还是医学成像在本质上都是利用激光与生物体的相互作用。

垂直入射激光束透入生物组织将经历吸收和多次散射等过程，被吸收的光子能量使生物分子中的电子处于激发态，从而产生光生物效应，如图11所示，由单一微粒所引起的光在所有方向上都有散射。

第一章绪论当散射角小于90。

时称为前向散射，大于90。

时称为后向散射。

后向散射前向散射激光匕参散射微粒图1-l单一微粒所产生的散射光方向散射程度取决于激光波长和组织的光学特性。

一些激光的波长对生物组织的作用主要是吸收，散射相对于吸收并不显著。

图12即为生物组织中主要成分的吸收系数，图中可以看到在7001500nm范围的红外光吸收比较少，因此该光谱带称为生物体光谱学之窗。

题蓝：

麒墙譬鑫1嗡擎餐图】2组织上各种物质的吸收系数对波长的依赖性113光学成像由于光波在生物组织中的传输与分布特性，人们研制了一系列的先进光学取像系统，以获得清晰的图像。

比如时间分辨投射投影层析成像一超短激光脉冲与时间门相结合的取像方法，双光子荧光成像，光子密度波方法，空间低频光共焦扫描投射成像法以及光学相干层析技术。

从探测深度、分辨率和实用性等方面综第一章绪论合评定，光学相干层析技术是最具有发展前途的一种，它能够和共焦显微术结合在一起，滤掉物镜焦点之外的散射光，加上现代计算机图像处理技术，迅速发展成为-I1新兴的层析成像诊断技术。

而且，OCT可以实现对活体组织的无辐射、无损伤及实时的探测和成像。

12OCT发展概况121OCT发展历程光学相干层析成像技术是一种新型的非侵入式的生物层析成像系统。

该技术是建立在低相干干涉或者称为白光干涉技术的基础上。

它源于使用在网络故障检测的光学相干域反射测量技术（OpticalCoherenceDomainReflectometry），简称（OCDR）巾J。

OCDR是一种一维光学距离修正技术，它使用一宽带光源发出的相干光进行反射域的测量，并通过实验得到10um的轴向分辨率和大于100dB的动态范围。

OCDR原本主要用于检测光缆的瑕疵，但不久人们就认识到它具有探测眼睛和其他生物组织的能力。

并且在测定光纤和光波导中的后向散射光和回波光中得到应用。

低相干干涉在生物医学上的首次应用是Fercher等人用部分相干光通过干涉法测量了眼球的长度，并得到眼部的法布里一珀罗（FabryPerot）干涉条到7】。

1991年，由哈佛大学医学院的DavidHuang博士等人第一次提出OCT技术，成功的对人眼视网膜的显微结构和冠状动脉臂成像。

该装置采用830nmSLD光源的光纤迈克尔逊干涉仪，达到10um的轴向分辨率。

1993年，通过人类视网膜的活体光学同内窥镜结合的方式实现了对内部器官的断层成像。

这些技术在分辨率和性能上都有相干层析成像。

1995年开始眼科的临床研究。

1996年Joseph等人将OCT应用于肠胃组织的成像，如图13所示，分辨率小于30um。

由于OCT探测的成像深度只有几毫米，对生物体内部组织的成像存在很大的困难。

Teamey等人提出导管内窥OCT，这种OCT的内窥导管只有lmm，如图14所示，可以实现高分辨率的活体内窥检测。

1998年Colston等制作了手持式OCT探头，如图l-5所示，并应用于牙齿成像，分辨率为15um，对硬组织的扫描深度达到3mm，软组织的扫描深度达到15mm。

目前，OCT可以对眼睛、皮肤、血管以及牙齿等组织实现高分辨率的成像。

由于OCT结合多种技术，拓展出如多普勒OCT（ODT）、偏振敏感型OCT（PS-OCT）、光谱型OCT、差分型OCT、差分吸收型OCT、与双光子荧光或超声结合的OCT技术【&91，并在同内窥镜结合的方式中实现了对内部器官的断层成像。

这些技术在分辨率和性能上都有了很大的提4第一章绪论高从微观上更好的观察组织结构，获取重要的信息。

图I-3人胃的Oc丁成像结果（左边是正常的粘膜和枯膜下层t右边是由于癌变破坏了正常的粘膜结构）目自棱镜弋图14内窥导管结构图1-5手持式ocT探头122OCT主要特点OCT系统利用宽带光的低相干特性，通过测量样品背向散射光的干涉信号对生物组织的内部微观结构进行高分辨率层析成像。

与其他成像方法相比具有以下几个优点：

（I）非接触、无损伤性：

OCT的成像类似于超声成像，对组织进行扫描时，不需要把探头与扫描对象直接接触。

同时，由于ocT使用的光源为红外波段的光