OCT光纖探頭的研制與成像應(yīng)用
發(fā)布時間：2021-02-06 22:56
光學相干層析（optical coherence tomography,OCT）是一種無損傷、能獲得活體組織和器官的三維結(jié)構(gòu)和/或功能信息的成像手段。與內(nèi)窺技術(shù)結(jié)合,OCT能獲得人體內(nèi)部組織和器官的高分辨率斷層圖像,對生物醫(yī)學研究有重要意義。OCT探頭是內(nèi)窺OCT系統(tǒng)的核心,但探頭的主要光學性能如:橫向分辨率、焦深、工作距互相矛盾,在微型探頭中尤其突出。本文研究和利用光波在階躍折射率光纖中的模式干涉,研制適用于OCT的光束優(yōu)化的光纖探頭。本文嘗試研究可用于臨床應(yīng)用的小型化、易彎曲、傳輸效率高、成像質(zhì)量好的光纖探頭,并初步探索其成像應(yīng)用。此外,本文還研究超聲-OCT聯(lián)合探頭,通過探索兩種成像模式結(jié)合以突破光學成像系統(tǒng)的穿透深度的限制。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下:1.研制高傳輸效率的無透鏡光纖探頭。在現(xiàn)有的“基于拉錐結(jié)構(gòu)的全光纖OCT探頭”的基礎(chǔ)上,首次利用大纖芯光纖的基模和高階模實現(xiàn)無透鏡探頭的光束調(diào)控。推導拉錐段的臨界拉錐角,以獲得較短的硬端長度同時保持高傳輸效率。研究拉錐角一定時,拉錐段的長度對大纖芯光纖中模式的調(diào)控能力。研究存在兩個光纖模式時,拉錐段和大纖芯光纖的長度對輸出光束的調(diào)...
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：117 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１低相干干涉儀示意圖
于表面輪廓儀／白光??干涉儀，ＴＤ－ＯＣＴ主要對活體生物組織進行斷層成像，因此穿透深度和靈敏度至關(guān)重要。??在穿透深度方面，ＯＣＴ使用對生物組織更友好的近紅外光；在靈敏度方面，ＯＣＴ使用亮??度高、空間相干性好的ＳＬＤ等作為寬帶光源。??使用光譜干涉儀探測干涉光譜，無需參考臂掃描也能實現(xiàn)軸向分辨的光回波檢測。圖??１．２顯示的一種基于邁克爾遜干涉儀和光譜儀的示意圖。寬帶光源原本的光譜是光滑的，??但經(jīng)過干涉儀后受到正弦調(diào)制而呈現(xiàn)為一種溝狀光譜（ｃｈａｎｎｅｌｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍ），如圖１．２的左??下角所示。該正弦調(diào)制正比于／？ｃｏｓ＾Ａ／），其中Ａ為波數(shù)，Ａ／和穴分別為光程差和??反射率。由于Ａ／是光譜的調(diào)制頻率，探測臂的光譜經(jīng)傅里葉分析就可得到樣品臂中不同??位置的反射率。??參考ｆ??寬帶光源—????？??分束器ｕ口口??柵??圖１．２光譜干涉儀。??基于光譜干涉儀的ＯＣＴ又稱ＳＤ－ＯＣＴ。??除了使用光柵等分光元件，獲得干涉光譜的另一種方式是使用啁啾光源，其示意圖如??圖１．３所示。對于啁啾光源，如果我們把它的一個正向掃頻周期劃分成很多個小區(qū)間，那??么它在每個小區(qū)間內(nèi)都可以看成一個時間相干性很好的、但中心頻率不同的準單色光源。??如果掃頻速率足夠慢或兩臂的光程差較小，兩臂的光程延遲引起的中心頻率變化近似為０。??因此通過分時記錄一個正向掃頻周期內(nèi)的干涉光強，就能得到完整的干涉光譜。在掃頻速??率較快且兩臂的光程差較大時，探測臂中雙光束的頻率差為Ａｖ。因此準確地說，探測器??４??
?１緒論???得到是拍頻信號。通過對拍頻信號做傅里葉分析同樣可以得到位置信息和反射率信息。??參考臂??￣｛１？??Ｉ丨?分束器??啁啾光源?ｕ??ｈ??探測器０?ｍＩＬ??ｋ??圖１．３頻率掃描干涉儀。??基于頻率掃描干涉儀的ＯＣＴ又稱為ＳＳ－ＯＣＴ。ＳＤ－ＯＣＴ和ＳＳ－ＯＣＴ被統(tǒng)稱為ＦＤ－ＯＣＴ。??ＯＣＴ使用ＬＣ１或光譜干涉儀測量光回波，并結(jié)合橫向掃描機制獲得斷層圖像和體層??圖像。其圖像的形成機制如圖１．４所示。沿用超聲成像的習慣用語，僅由參考鏡的軸向掃??描引起的幅度（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）變化信號被稱為Ａ－ｓｃａｎ或Ａ－ｌｉｎｅ信號，反映組織局部一線的??信息；在此基礎(chǔ)上，按一定軌跡對樣本實施橫向掃描而獲得的二維亮度（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）圖被??稱為Ｂ－ｓｃａｎ圖像，反映組織的剖面信息；在此基礎(chǔ)上，利用多幅Ｂ－ｓｃａｎ圖像和投影算法??獲得的三維圖像，反映組織更為直觀的立體信息。此外，對相同角度、相同位置的重復掃??描被稱為Ｍ－ｓｃａｎ，反映組織中散射體的位移或運動（ｍｏｔｉｏｎ）信息。??１Ｄ?２Ｄ?３Ｄ??Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ?（Ｘ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ＸＹ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ?Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?Ｊ?ｊ?ｊ?ｊ?Ｊ?ｊ?Ｊ?Ｊ?ｊ?????圖１．４０ＣＴ形成圖像的示意圖［１２］。??５??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]《中國心血管病報告2018》概要[J]. 胡盛壽,高潤霖,劉力生,朱曼璐,王文,王擁軍,吳兆蘇,李惠君,顧東風,楊躍進,鄭哲,陳偉偉. 中國循環(huán)雜志. 2019(03)
[2]基于拉錐結(jié)構(gòu)的全光纖型內(nèi)窺光學相干層析成像探針研究[J]. 嚴雪過,沈毅,潘聰,李鵬,丁志華. 物理學報. 2016(02)
本文編號：3021225
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：117 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１低相干干涉儀示意圖
于表面輪廓儀／白光??干涉儀，ＴＤ－ＯＣＴ主要對活體生物組織進行斷層成像，因此穿透深度和靈敏度至關(guān)重要。??在穿透深度方面，ＯＣＴ使用對生物組織更友好的近紅外光；在靈敏度方面，ＯＣＴ使用亮??度高、空間相干性好的ＳＬＤ等作為寬帶光源。??使用光譜干涉儀探測干涉光譜，無需參考臂掃描也能實現(xiàn)軸向分辨的光回波檢測。圖??１．２顯示的一種基于邁克爾遜干涉儀和光譜儀的示意圖。寬帶光源原本的光譜是光滑的，??但經(jīng)過干涉儀后受到正弦調(diào)制而呈現(xiàn)為一種溝狀光譜（ｃｈａｎｎｅｌｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍ），如圖１．２的左??下角所示。該正弦調(diào)制正比于／？ｃｏｓ＾Ａ／），其中Ａ為波數(shù)，Ａ／和穴分別為光程差和??反射率。由于Ａ／是光譜的調(diào)制頻率，探測臂的光譜經(jīng)傅里葉分析就可得到樣品臂中不同??位置的反射率。??參考ｆ??寬帶光源—????？??分束器ｕ口口??柵??圖１．２光譜干涉儀。??基于光譜干涉儀的ＯＣＴ又稱ＳＤ－ＯＣＴ。??除了使用光柵等分光元件，獲得干涉光譜的另一種方式是使用啁啾光源，其示意圖如??圖１．３所示。對于啁啾光源，如果我們把它的一個正向掃頻周期劃分成很多個小區(qū)間，那??么它在每個小區(qū)間內(nèi)都可以看成一個時間相干性很好的、但中心頻率不同的準單色光源。??如果掃頻速率足夠慢或兩臂的光程差較小，兩臂的光程延遲引起的中心頻率變化近似為０。??因此通過分時記錄一個正向掃頻周期內(nèi)的干涉光強，就能得到完整的干涉光譜。在掃頻速??率較快且兩臂的光程差較大時，探測臂中雙光束的頻率差為Ａｖ。因此準確地說，探測器??４??
?１緒論???得到是拍頻信號。通過對拍頻信號做傅里葉分析同樣可以得到位置信息和反射率信息。??參考臂??￣｛１？??Ｉ丨?分束器??啁啾光源?ｕ??ｈ??探測器０?ｍＩＬ??ｋ??圖１．３頻率掃描干涉儀。??基于頻率掃描干涉儀的ＯＣＴ又稱為ＳＳ－ＯＣＴ。ＳＤ－ＯＣＴ和ＳＳ－ＯＣＴ被統(tǒng)稱為ＦＤ－ＯＣＴ。??ＯＣＴ使用ＬＣ１或光譜干涉儀測量光回波，并結(jié)合橫向掃描機制獲得斷層圖像和體層??圖像。其圖像的形成機制如圖１．４所示。沿用超聲成像的習慣用語，僅由參考鏡的軸向掃??描引起的幅度（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）變化信號被稱為Ａ－ｓｃａｎ或Ａ－ｌｉｎｅ信號，反映組織局部一線的??信息；在此基礎(chǔ)上，按一定軌跡對樣本實施橫向掃描而獲得的二維亮度（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）圖被??稱為Ｂ－ｓｃａｎ圖像，反映組織的剖面信息；在此基礎(chǔ)上，利用多幅Ｂ－ｓｃａｎ圖像和投影算法??獲得的三維圖像，反映組織更為直觀的立體信息。此外，對相同角度、相同位置的重復掃??描被稱為Ｍ－ｓｃａｎ，反映組織中散射體的位移或運動（ｍｏｔｉｏｎ）信息。??１Ｄ?２Ｄ?３Ｄ??Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ａｘｉａｌ?（Ｚ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ?（Ｘ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ＸＹ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ?Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?Ｊ?ｊ?ｊ?ｊ?Ｊ?ｊ?Ｊ?Ｊ?ｊ?????圖１．４０ＣＴ形成圖像的示意圖［１２］。??５??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]《中國心血管病報告2018》概要[J]. 胡盛壽,高潤霖,劉力生,朱曼璐,王文,王擁軍,吳兆蘇,李惠君,顧東風,楊躍進,鄭哲,陳偉偉. 中國循環(huán)雜志. 2019(03)
[2]基于拉錐結(jié)構(gòu)的全光纖型內(nèi)窺光學相干層析成像探針研究[J]. 嚴雪過,沈毅,潘聰,李鵬,丁志華. 物理學報. 2016(02)
本文編號：3021225
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