發(fā)布時(shí)間：2020-05-07 21:05

【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(duì)組織等散射介質(zhì)的截面進(jìn)行微米級(jí)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(shí)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(biāo)上具有明顯優(yōu)勢(shì),已成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn),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(cè)成為可能。本論文針對(duì)SS-OCT光纖復(fù)合探測(cè)技術(shù)進(jìn)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(jì)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(biāo):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(duì)疊加玻片成像,且對(duì)其結(jié)果在成像分辨率、深度和靈敏度方面進(jìn)行分析研究。(2)研究了SS-OCT系統(tǒng)中光源對(duì)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(diǎn)SOA(QD-SOA)的方式,研制新型掃頻光源的方法。對(duì)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(kuò)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(dòng)信號(hào)下掃頻范圍,瞬時(shí)線寬,平均光功率的變化,為進(jìn)一步優(yōu)化掃頻光源性能,提高SS-OCT復(fù)合探測(cè)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(hào)在進(jìn)行并聯(lián)耦合時(shí)產(chǎn)生的色散衰減對(duì)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(duì)應(yīng)探測(cè)的圖像質(zhì)量。針對(duì)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(duì)掃頻光源輸出信號(hào)的影響,提高了光源的平坦度。與傳統(tǒng)耦合方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出,該方法能將耦合過程中6 dB的光信號(hào)衰減降低至2 dB。同時(shí),光纖延遲線的使用能夠提高光源信號(hào)的探測(cè)效率。對(duì)多層玻片成像實(shí)驗(yàn)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(cè)功能單一,無法對(duì)體內(nèi)成像過程中機(jī)體的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),本論文提出了適合用于多參量探測(cè)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(duì)其工作原理和基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析,提出了三芯光纖與單模光纖錯(cuò)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(shí)對(duì)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(jìn)行探測(cè)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(jìn)行熔接研制出兩種復(fù)合探針,進(jìn)行了工作理論模型分析,將復(fù)合探針對(duì)彎曲度,溫度,折射率,脈搏的傳感特性進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用三芯光纖的偏芯纖芯與單模光纖纖芯錯(cuò)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(cuò)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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用,設(shè)計(jì)并搭建了SS-OCT復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,提出基于Faraday旋轉(zhuǎn)鏡的探測(cè)臂增強(qiáng)理論與模型。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)使用了增強(qiáng)探測(cè)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(duì)比度增加約1.5倍,提高了系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性。進(jìn)行傳感探測(cè)的同時(shí),對(duì)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(shí)際軸向分辨率為4.1μm,成像深度2.4 mm,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)多參量的復(fù)合探測(cè)。
【圖文】：

1-1 幾種成像技術(shù)分辨率、深度對(duì)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(cè)的組能夠提高分辨率，但信號(hào)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(jìn)行，在不必要散射光的影響，會(huì)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(bǔ)[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(hào)進(jìn)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(hào)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(jìn)行調(diào)節(jié)會(huì)達(dá)到較好的干涉效果。利用探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變行采樣，傳輸至上位機(jī)進(jìn)行編碼成像。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN253;O439

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