【摘要】：光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是一種無創(chuàng)成像技術(shù),用于對組織等散射介質(zhì)的截面進行微米級別分辨率的成像。掃頻OCT(Swept-Source OCT,SS-OCT)是由頻域OCT(Frequency-Domain OCT,FD-OCT)技術(shù)演變而來。與傳統(tǒng)的時域OCT(Time-Domain OCT,TD-OCT)相比,SS-OCT在成像的分辨率、深度和靈敏度等性能指標上具有明顯優(yōu)勢,已成為該領(lǐng)域研究熱點,并伴隨著生物醫(yī)學(xué)探針的發(fā)展使得SS-OCT技術(shù)在體內(nèi)多參量探測成為可能。本論文針對SS-OCT光纖復(fù)合探測技術(shù)進行了研究,具體的研究內(nèi)容與主要工作概括如下:(1)基于現(xiàn)有OCT技術(shù)的研究成果,以SS-OCT為理論基礎(chǔ),設(shè)計并搭建一套SS-OCT系統(tǒng)。該系統(tǒng)光源采用自制掃頻光源,在掃頻速率2 kHz下中心波長為1300 nm,掃頻范圍70 nm,輸出光功率5.4 mW。該系統(tǒng)性能指標:空氣中軸向分辨率為10.65μm,最大成像深度為1.58 mm,系統(tǒng)靈敏度85 dB。利用該系統(tǒng)對疊加玻片成像,且對其結(jié)果在成像分辨率、深度和靈敏度方面進行分析研究。(2)研究了SS-OCT系統(tǒng)中光源對成像質(zhì)量的影響,提出了通過采用組合量子阱SOA(QW-SOA)和量子點SOA(QD-SOA)的方式,研制新型掃頻光源的方法。對比研究不同的組合模式,采用并聯(lián)QW-SOA和QD-SOA的方式能夠最有效的擴寬掃頻范圍,研究了掃頻光源在調(diào)諧濾波器不同頻率的驅(qū)動信號下掃頻范圍,瞬時線寬,平均光功率的變化,為進一步優(yōu)化掃頻光源性能,提高SS-OCT復(fù)合探測系統(tǒng)的成像質(zhì)量提供了參考意義。(3)研究了基于組合型SOA掃頻光源的輸出特性,由于QW-SOA與QD-SOA相同波段寬帶光信號在進行并聯(lián)耦合時產(chǎn)生的色散衰減對掃頻光源的輸出特性產(chǎn)生影響,從而降低成像過程中該波段所對應(yīng)探測的圖像質(zhì)量。針對此問題,提出采用波分復(fù)用耦合加光纖延遲線的方法,最大限度的降低了這種衰減對掃頻光源輸出信號的影響,提高了光源的平坦度。與傳統(tǒng)耦合方式對比實驗得出,該方法能將耦合過程中6 dB的光信號衰減降低至2 dB。同時,光纖延遲線的使用能夠提高光源信號的探測效率。對多層玻片成像實驗研究表明,系統(tǒng)軸向分辨率為3.89μm,成像深度約為1.59 mm,系統(tǒng)靈敏度為105 dB。(4)傳統(tǒng)SS-OCT技術(shù)探測功能單一,無法對體內(nèi)成像過程中機體的狀態(tài)實時監(jiān)測,本論文提出了適合用于多參量探測的SS-OCT復(fù)合探針技術(shù)。該探針基于三芯光纖(Three Core Fiber,TCF)和光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG),對其工作原理和基本結(jié)構(gòu)進行理論分析,提出了三芯光纖與單模光纖錯位熔接結(jié)構(gòu)的Mach-Zehnder(M-Z)干涉儀,利用紫外激光器和相位掩模法在單模光纖上刻寫光柵,研制出具備同時對二維方向彎曲和溫度、二維方向彎曲和脈搏、折射率和溫度、折射率和脈搏進行探測的復(fù)合探針。研究了將三芯光纖的偏芯纖芯和中軸線纖芯分別與單模光纖進行熔接研制出兩種復(fù)合探針,進行了工作理論模型分析,將復(fù)合探針對彎曲度,溫度,折射率,脈搏的傳感特性進行對比實驗研究。實驗結(jié)果表明,利用三芯光纖的偏芯纖芯與單模光纖纖芯錯位熔接研制的復(fù)合探針,其彎曲靈敏度是利用中軸線纖芯與單模光纖纖芯錯位熔接的復(fù)合探針的4倍。(5)研究了探針在SS-OCT復(fù)合探測系統(tǒng)中的應(yīng)用,設(shè)計并搭建了SS-OCT復(fù)合探測系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)并對其進行實驗研究,提出基于Faraday旋轉(zhuǎn)鏡的探測臂增強理論與模型。對比實驗表明,系統(tǒng)使用了增強探測臂后,其彎曲度,溫度,折射率和脈搏的靈敏度提高了2倍,并且探針透射譜對比度增加約1.5倍,提高了系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性。進行傳感探測的同時,對比研究系統(tǒng)在多層玻片,手指和昆蟲翅膀成像,結(jié)果表明實際軸向分辨率為4.1μm,成像深度2.4 mm,實現(xiàn)了系統(tǒng)多參量的復(fù)合探測。
【圖文】：

1-1 幾種成像技術(shù)分辨率、深度對比圖，由于 OCT 受散射光衰減的限制，其成像的分辨率通常為 0.1-1 mm。超聲波頻率中被吸收程度最小，并能夠?qū)μ綔y的組能夠提高分辨率，但信號在生物組織中共聚焦顯微鏡是一種已經(jīng)成熟應(yīng)用的成 μm 或更高，成像通常在組織表面進行，在不必要散射光的影響，會顯著地降低成像深度受到限制。在大多數(shù)生物組織有幾百微米。OCT 成像技術(shù)的出現(xiàn)彌補[27]。OCT 成像技術(shù)的軸向分辨率為 1-2 到 100 倍。在該分辨率下，利用 OCT 成眼睛的透明度可以允許光信號進入視網(wǎng)術(shù)是可行的。并且目前在該領(lǐng)域缺乏其

OCT（Time Domain-OCT，TD-OCT）采用光纖 Michelson 干涉儀中參考臂端配置掃描參考延遲線。光源輸出寬帶光，耦合器將光至參考臂和樣品臂。參考臂端通過調(diào)節(jié)反射鏡與透鏡的距離，使品臂反射回的光信號發(fā)生干涉。在此過程中，參考臂的光學(xué)延遲透鏡的調(diào)節(jié)需要有先后順序。當(dāng)樣品臂的透鏡調(diào)節(jié)固定后，，再利遲線進行調(diào)節(jié)會達到較好的干涉效果。利用探測器將光信號轉(zhuǎn)變行采樣，傳輸至上位機進行編碼成像。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN253;O439

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本文編號：2653545