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非对称光纤悬臂探头的驱动优化研究

中国激光 2011年第4期38卷 213-219页

作者：黄良敏丁志华吴彤浙江大学现代光学仪器国家重点实验室浙江杭州310027

研制了一种适用于内窥光学相干层析成像的单驱动非对称光纤悬臂扫描探头,可以利用单一驱动信号来激发非对称光纤悬臂的光纤末端沿李萨茹图形进行二维扫描。但是,正弦驱动信号激发的李萨茹轨迹在均匀性、覆盖率和图案帧频之间的权衡方面... 详细信息

研制了一种适用于内窥光学相干层析成像的单驱动非对称光纤悬臂扫描探头,可以利用单一驱动信号来激发非对称光纤悬臂的光纤末端沿李萨茹图形进行二维扫描。但是,正弦驱动信号激发的李萨茹轨迹在均匀性、覆盖率和图案帧频之间的权衡方面存在一定限制,不利于扫描成像的优化。基于非对称光纤悬臂固有的响应特性,提出了振幅调制正弦驱动信号来进行二维扫描轨迹图案的优化,并模拟研究了不同驱动信号下的扫描轨迹,对比评价了各种驱动信号下扫描图案的均匀性和覆盖率,同时进行了对比实验,验证了该方案的可行性。

关键词：医用光学光学相干层析成像内窥探头扫描图案

MEMS-OCT内窥显微成像探头设计及视场增强技术研究

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MEMS-OCT内窥显微成像探头设计及视场增强技术研究

作者：安妍西安工业大学

学位级别：硕士

光学相干断层成像技术(OCT)是20世纪末提出的一种新型生物医学成像技术,其分辨率可达微米级,并具有1-3 mm的深度截面成像能力,在生物组织无损伤活体检查与实时成像方面具有广泛的应用,可用于早期癌症的检测。然而早期癌症主要发生在体... 详细信息

光学相干断层成像技术(OCT)是20世纪末提出的一种新型生物医学成像技术,其分辨率可达微米级,并具有1-3 mm的深度截面成像能力,在生物组织无损伤活体检查与实时成像方面具有广泛的应用,可用于早期癌症的检测。然而早期癌症主要发生在体内器官,特别是体内管状器官内壁粘膜层表皮以下1-3 mm深度。因此,要实现生物体内高分辨率的深度成像,就必须实现OCT内窥成像探头的微型化(外径≤5 mm)。本文基于电热驱动MEMS微镜与光学相干断层扫描技术相结合的方式,设计了一款直径为5 mm的内窥显微成像探头,并结合Snell窗口效应增强了 MEMS-OCT内窥显微成像探头的视场角,开展的主要工作和取得的结论如下:(1)采用传输矩阵和Zemax光学仿真相结合的方式,设计了用于内窥成像探头的光学组件;利用Solidworks软件对探头的机械结构进行了仿真与设计;使用Altium Designer软件设计了探头的供电电路。对MEMS-OCT内窥成像探头进行了组装。设计并制作了一款微型化的内窥显微成像探头,并对探头的视场角、横向分辨率等性能参数进行了实验验证。(2)利用Snell窗口效应,通过将电热驱动MEMS微镜浸入高折射率的液体中来增大MEMS-OCT内窥显微成像探头的扫描视场角。采用晶体管封装方式,仿真和实验研究了封装在空气、白油、甲基硅油和液体石蜡中的电热驱动MEMS微镜的输出光学角度,研究结果表明,在相同温度驱动MEMS微镜的情况下,将MEMS微镜封装在高折射率的液体中利用Snell窗口效应可以增大MEMS微镜的扫描视场角。对密封在液体中MEMS微镜的共振频率和响应时间进行了实验研究,与空气相比,填充液体的粘度系数和导热系数增大,因此对MEMS微镜产生了更显著的阻尼效应,使浸润的MEMS微镜无法实现共振扫描并且使得MEMS微镜的响应时间增大。对液体的吸收谱进行了研究,从OCT的原理出发,分析了液体吸收谱对OCT成像光强的影响。(3)选取了白油作为密封液体,将其密封在MEMS-OCT内窥显微成像探头中,对探头的视场角、横向分辨率等性能参数进行了实验研究。研究得到,利用白油作为填充液体可以使MEMS-OCT内窥显微成像探头的视场角得到增强,但是同时也降低了MEMS-OCT探头的横向分辨率。

关键词：光学相干断层成像技术电热MEMS微镜内窥探头视场增强

用于内窥OCT的高填充率高帧速率Lissajous扫描光纤探头研究

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用于内窥OCT的高填充率高帧速率Lissajous扫描光纤探头研究

作者：霍文麒南京航空航天大学

学位级别：硕士

光学相干层析成像(Optical coherence tomography,OCT)技术使用近红外光成像,生物组织对近红外光具有强烈的散射和吸收作用,导致穿透深度较浅,制约体内成像。为此,不同的OCT内窥探头设计方案被相继提出。高填充率高帧速率Lissajous扫描... 详细信息

光学相干层析成像(Optical coherence tomography,OCT)技术使用近红外光成像,生物组织对近红外光具有强烈的散射和吸收作用,导致穿透深度较浅,制约体内成像。为此,不同的OCT内窥探头设计方案被相继提出。高填充率高帧速率Lissajous扫描光纤探头能够为疾病诊断提供大量的动态信息,有望实现疾病的早期诊断。本文对用于OCT的高填充率高帧速率Lissajous扫描光纤探头进行研究,将探头的帧速率提升至8 FPS。进行了Lissajous扫描的图形模拟、理论计算,探头的设计、制作、封装及预标定,完全封装的探头长35 mm,外径3.5 mm,结合轴向分辨率为10.3μm的SS-OCT(Swept source OCT,SSOCT)系统进行成像实验。本文首先介绍了高填充率高帧速率Lissajous扫描光纤探头的研究背景与研究进展。然后阐述了Lissajous扫描的基本理论,对Lissajous扫描的关键要素进行了相关研究,提出了高填充率高帧速率Lissajous扫描的正交谐振频率选择方法,选择332 Hz和208 Hz作为探头的驱动频率。提出扫描帧速率提升方法,实现帧速率由4帧每秒(Frames per second,FPS)到8 FPS的倍增。接着阐述了高填充率高帧速率Lissajous扫描光纤探头的结构组成与驱动原理,通过数值仿真模拟确定了光纤扫描探头制作所需的结构参数,主光纤长度15.41 mm,附加光纤长度5.51 mm。之后进行了探头的制作与封装,封装后的探头长35 mm,外径3.5 mm。利用基于位置敏感探测器的Lissajous轨迹预标定系统进行了探头驱动信号的初相位校准,测量了探头的振幅频率响应曲线,进行了谐振频率的选择,对探头的扫描轨迹进行了标定并验证了其扫描轨迹的稳定性与可重复性。结合内窥SS-OCT系统,以1元硬币上的字母A为样品进行了探头的旋转稳定性实验,以橘子果粒组织和成人牙齿为样品进行了OCT成像实验,均能够获得高质量图像,验证了探头良好的旋转稳定性和成像性能。

关键词：光学相干层析成像高填充率高帧速率 Lissajous扫描内窥探头

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内窥光学层析成像的发展和应用

激光与光电子学进展 2018年第7期55卷 20-33页

作者：姚文涛高万荣南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

内窥光学层析成像术(OCT)是OCT领域的一个重要分支。由于其微米级高分辨率光学断层和非接触式成像能力,内窥OCT已成为内窥医学和OCT技术领域研究的热点。主要阐述了内窥OCT的基本原理和组成,总结了内窥OCT探头的分类;研究了近年来各种内... 详细信息

内窥光学层析成像术(OCT)是OCT领域的一个重要分支。由于其微米级高分辨率光学断层和非接触式成像能力,内窥OCT已成为内窥医学和OCT技术领域研究的热点。主要阐述了内窥OCT的基本原理和组成,总结了内窥OCT探头的分类;研究了近年来各种内窥OCT探头的设计、尺寸、分辨率和成像速度等关键参数以及不同探头的优劣势和应用场合;简述了医学领域中特异性和灵敏度的概念,重点总结了不同类型的内窥OCT在心血管系统、食道、胃和小肠以及胰腺管等方面的临床应用和以特异性和灵敏度为基础的实验结果的评判,并对未来内窥OCT的发展作简要讨论。

关键词：成像系统光学层析成像内窥探头特异性和灵敏度

三维内窥OCT成像的光学系统及同步方案研究

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三维内窥OCT成像的光学系统及同步方案研究

作者：彭彰凯清华大学

学位级别：硕士

光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种利用生物组织散射光相干原理成像的高分辨断层成像手段。该技术因其无损伤、微米分辨率、高速等特点,在生物、医学、材料、物证等许多研究领域具有重要意义和应用价值。内窥OCT成... 详细信息

光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种利用生物组织散射光相干原理成像的高分辨断层成像手段。该技术因其无损伤、微米分辨率、高速等特点,在生物、医学、材料、物证等许多研究领域具有重要意义和应用价值。内窥OCT成像技术,是通过内窥探头把信号光导入人体进行成像,它在临床有着非常重要的应用。但是,内窥OCT目前仍存在着一些挑战,其成像质量亦需要进一步提高。一方面探头容易受偏振和色散不匹配的影响,使得图像不稳定和质量下降;另一方面,快速OCT成像虽然可以得到三维立体数据,但是在尺寸很小的探头上,尚缺少精准的同步控制方法,致使实际图像显示不稳定。针对色散和偏振不匹配的问题,本论文一方面设计了基于反射式光谱仪的SD-OCT系统,使得光学探测系统可以减小色散对成像的影响,并有望应用于基于宽带光源照明的OCT成像,以获得高分辨的图像。另一方面,本论文对参考臂和样品臂的光学系统进行了优化,设计了一款共路光学内窥探头,该共路探头可让参考光和样品光大部分路径保持相同,因而图像对于路径的偏振和色散变化不敏感,其稳定性和质量都可得到提高。针对OCT成像精准的同步控制方法问题,本论文从光学和电学两个方面设计了同步触发方案。在光学方面,针对于内窥探头的返回光与成像处理器件的电信号不同步的问题,我们设计的方案之一是通过光纤耦合器,提取样品臂的部分返回光作为同步光信号,通过光电转换和同步触发电路,获得用于同步校准处理的电信号,计算机基于该信号可绘制出稳定的三维图像。另外一个方案,则是利用引入一束偏振光,通过探头末端的偏振反射镜,在内窥探头旋转时,产生周期变化的反馈光信号,从而获得同步信号。我们已对该特殊探头的结构进行了设计。另外,在电学方面,针对超高速OCT系统的信号不同步的问题,本论文设计了提供起点和终点信息的信号触发校准同步方案,帮助该系统更稳定运行。总之,本论文优化了内窥OCT的光学系统,有效地克服了成像受色散和偏振的影响,有利于获得高质量的OCT图像。同时,进一步为实现OCT三维成像提出光学及电学同步方案,大大提高了图像显示稳定性。上述的性能的提高,对于推进内窥OCT成像技术在临床医学诊断中的应用,将具有重要的意义。

关键词：光学相干层析三维成像光学系统内窥探头同步

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相干层析环扫成像系统的设计优化与实验研究

相干层析环扫成像系统的设计优化与实验研究

作者：王宁哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

相干层析环扫成像技术结合了扫频光源相干层析成像(SSOCT)技术与内窥侧视成像技术的优势,具有非接触、无损伤、高分辨率、结构紧凑等特点,在肠道、支气管、血管、卵巢等活体医学检测领域具有重要的应用潜力。本文着力于高性能相干层析... 详细信息

相干层析环扫成像技术结合了扫频光源相干层析成像(SSOCT)技术与内窥侧视成像技术的优势,具有非接触、无损伤、高分辨率、结构紧凑等特点,在肠道、支气管、血管、卵巢等活体医学检测领域具有重要的应用潜力。本文着力于高性能相干层析环扫成像系统的设计与优化,并实现高性能三维层析成像。本文首先详细分析了环扫SSOCT成像的基本原理,表征环扫SSOCT系统的轴向分辨率、横向分辨率、成像速度、信噪比、成像深度等性能参数,探讨了成像速度与横向分辨率、轴向分辨率与成像深度等相互关系。然后,从原理出发,开展了系统光路结构设计、数据采集与图像重建的设计,搭建了高速率环扫SSOCT成像系统,并对系统性能开展了实验研究。同时,针对角度信息与样品信息不适配问题,本文提出了非均匀角度扩充方法提升冗余数据的利用率,并对环扫速度导致的不稳定性进行补偿,提高系统成像的保真度。最后,本文分析由于环扫速率导致的轴向分辨率下降问题,开展了理论建模和仿真研究,提出了频谱矫正方法。通过实验研究对频谱矫正方法进行了验证。综上,本文实现了相干层析环扫成像系统的设计搭建,并针对成像结果进行了优化。

关键词：扫频光源相干层析成像内窥探头环扫成像

基于谱域光学相干层析技术的内窥成像系统研究

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基于谱域光学相干层析技术的内窥成像系统研究

作者：崇博南京航空航天大学

学位级别：硕士

谱域光学相干层析成像技术是一种新兴的、先进的现代医学成像技术，具有高分辨率、非接触、快速扫描断层成像的能力，在生物医学成像领域发展非常迅速，应用领域非常广泛。谱域光学相干层析系统可光纤化的特点使得其能够与内窥镜技术相... 详细信息

谱域光学相干层析成像技术是一种新兴的、先进的现代医学成像技术，具有高分辨率、非接触、快速扫描断层成像的能力，在生物医学成像领域发展非常迅速，应用领域非常广泛。谱域光学相干层析系统可光纤化的特点使得其能够与内窥镜技术相结合，通过内窥探头的小型化设计，可对人体内部组织器官进行内窥扫描成像，与传统内窥镜相比，内窥式谱域光学相干层析系统能够实现对检测器官亚表层的高分辨率扫描断层成像。本文通过对内窥式谱域光学相干层析成像技术研究现状的分析，指出了该技术当前主要存在的三个方面的问题，围绕如何解决这些问题，本文设计并构建了一套内窥式谱域光学相干层析成像系统。在内窥探头的设计上，根据自聚焦透镜的工作距离设计了自聚焦透镜的长度，提高了内窥探头的成像质量，同时以C8051F020为核心，基于微型马达和微位移平台，设计并构建了内窥探头的扫描控制系统。在系统纵向分辨率的优化方面，提出了基于光谱校正的系统纵向分辨率提高方法，在实际测试实验中，系统纵向分辨率提高了10μm以上。在扫描重构图像的散斑去噪方面，提出了基于莫莱小波分解的改进BM3D滤波算法，该算法不仅兼备散斑去噪和边缘保持的特性，而且具有极高的处理效率。针对本文构建的内窥式谱域光学相干层析成像系统，从光衰减度、工作距离和成像质量三个方面对内窥探头进行了性能测试，并从纵向分辨率、横向分辨率和探测深度三个方面对构建的系统进行了性能测试。利用该系统，以柑橘内表皮和人体舌尖为被测样品，进行了扫描成像实验，并对扫描重构图像进行了散斑去噪实验研究。

关键词：谱域光学相干层析成像内窥探头自聚焦透镜扫描控制系统光谱校正散斑去噪

基于圆周扫描的内窥式频域检测系统及成像实验研究

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基于圆周扫描的内窥式频域检测系统及成像实验研究

作者：杨彦双天津大学

学位级别：硕士

内窥式近红外漫射光成像技术是一种可用于内部器官癌症检测的新型光学测量技术，因其具有实时、无创的特点在癌症的早期诊断方面发挥着重要作用。为了有效的实现对早期宫颈癌的检测，本文在原有频域系统的基础上，建立了基于有效探测区... 详细信息

内窥式近红外漫射光成像技术是一种可用于内部器官癌症检测的新型光学测量技术，因其具有实时、无创的特点在癌症的早期诊断方面发挥着重要作用。为了有效的实现对早期宫颈癌的检测，本文在原有频域系统的基础上，建立了基于有效探测区理论（Effective Detection Range，EDR）的内窥式圆周扫描成像系统。首先，为了实现基于EDR的内窥检测，设计了一种新型的内窥式旋转探头，仅用一根源光纤和一根探测光纤即可实现圆周扫描成像，简化了系统并降低成本。并利用蒙特卡洛模拟对光纤参数的选择提供理论指导。为了实现光垂直照射到宫颈内壁并垂直接收，探头的源光纤顶端加上一端切成45°斜面的自聚焦透镜，对光实现准直和偏折90°的作用，探测光纤直接将光纤顶端切成45°斜面，用于接收垂直于组织体壁的光。内窥探头的旋转精度的实验结果表明：源光纤对于幅值和相位的测量的最大相对误差分别是1.7%和0.13%，探测光纤的最大相对误差分别是3.01%和0.58%。其次，为了实现频域系统的自动化控制，本文在LabVIEW平台下，将内窥旋转探头和频域系统结合进行软件集成，从而节省人力和时间。并在不同的源探距离下验证了基于内窥探头频域系统的精度，实验结果表明，该系统测量幅值和相位相对误差分别为12.3%和20.9%，另外，针对上述结果，本文对系统可能存在的误差原因及改进措施进行了分析和阐述。最后，在上述内窥式频域系统的基础上，本文分别利用固体仿体和仿宫颈组织对系统的成像能力进行了验证。在固体仿体实验中，分别对单目标仿体和双目标仿体的异质体进行了重构实验，结果表明：重构的目标体的位置和大小和实际的目标体基本一致，双异质体可被清晰分开，吸收和约化散射系数的量化度（Quantitative Ratio，QR）分别可达到25%和20%以上。仿宫颈组织的实验结果表明：重构异质体的位置正确，且重构出的吸收系数和约化散射系数的QR值分别可达到25.3%和18.7%。综上所述，基于EDR的内窥式圆周扫描成像系统可获得合理的成像质量，为临床实验的实施打下了坚实基础。

关键词：近红外漫射光成像频域外差内窥探头宫颈癌有效探测区