光譜OCT內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的研究.pdf

1、傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡只能觀察到發(fā)生在器官表面的病變,而無法獲取人體內(nèi)部器官(如胃腸道)的斷層信息,不能進(jìn)行病變的早期診斷。因此醫(yī)用內(nèi)窺鏡中引入超聲成像技術(shù),利用超聲波的穿透能力,獲取人體內(nèi)消化道表層下面的病變信息,但是超聲內(nèi)窺鏡在成像分辨率等方面存在不足之處。光學(xué)相干層析技術(shù)(Opticalcoherence tomography,OCT)是近十年迅速發(fā)展起來的一種成像技術(shù),OCT內(nèi)窺鏡是醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡與OCT技術(shù)的結(jié)合,將成像分辨率提高到微米量

2、級,使醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡具備真正意義上探測人體內(nèi)臟表層下微小病變的能力,從而實(shí)現(xiàn)早期病變診斷。
　　 本文研究用于人體內(nèi)部器官病變檢測的光譜OCT成像技術(shù),實(shí)現(xiàn)對人體內(nèi)腔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描成像的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。論文設(shè)計并研制出適用于光譜OCT內(nèi)窺成像系統(tǒng)使用的前置驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)探頭。在此基礎(chǔ)上研究OCT成像技術(shù)中的干涉合成孔徑顯微算法,提高離焦成像區(qū)域的分辨率,解決橫向分辨率和清晰成像范圍之間的矛盾。
　　 本文的主要工作有:
　　

3、 1.光譜OCT成像理論分析
　　 論文闡述OCT技術(shù)基本原理、相關(guān)概念及系統(tǒng)組成,介紹時域OCT與頻域OCT成像系統(tǒng)的特點(diǎn)。根據(jù)光譜OCT成像速度快的優(yōu)勢,研究光譜OCT系統(tǒng)中干涉信號的產(chǎn)生和傳統(tǒng)圖像重構(gòu)方法,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了縱向分辨率和探測深度的計算公式,經(jīng)過理論推導(dǎo)及仿真得到系統(tǒng)信噪比與干涉儀的分光比、反射率之間的關(guān)系。
　　 2.干涉合成孔徑顯微算法的研究
　　 采用干涉合成孔徑顯微算法(Interfer

4、ometric Synthetic Aperture Microscopy,ISAM)對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣和計算,提高了離焦區(qū)域的分辨率,使離焦成像面變得清楚,進(jìn)而解決橫向分辨率和清晰成像范圍之間的矛盾。為了縮短ISAM的重構(gòu)時間,提出近似波數(shù)域方法來實(shí)現(xiàn)ISAM,利用縱向波數(shù)域的相位相乘替代耗時的Stolt插值,補(bǔ)償了橫向聚焦的相位誤差,這種近似方法既能保持足夠的計算精度,又較大地節(jié)省了重構(gòu)圖像時間,可將一幅320 pixel×26

5、5 pixel圖像的重構(gòu)時間由10分鐘縮短至50秒,為光譜OCT圖像的三維實(shí)時重構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)。
　　 3.旋轉(zhuǎn)掃描探頭的設(shè)計
　　 為解決目前OCT內(nèi)窺鏡探頭無法從軟管內(nèi)窺鏡進(jìn)入人體內(nèi)腔進(jìn)行掃描成像的缺陷,論文設(shè)計一個旋轉(zhuǎn)掃描的OCT探頭對消化道內(nèi)壁進(jìn)行斷層成像。微型電機(jī)及光學(xué)器件都封裝在OCT探頭的透明外殼中,光源發(fā)出的光經(jīng)單模光纖,由光纖前端粘合的GRIN透鏡將檢測光準(zhǔn)直出射,經(jīng)反射棱鏡垂直入射到人體內(nèi)腔,探頭前

6、端的微型電機(jī)同時帶動反射棱鏡旋轉(zhuǎn),使入射光實(shí)現(xiàn)對人體內(nèi)腔的旋轉(zhuǎn)掃描。
　　 4.光譜OCT內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的設(shè)計
　　 系統(tǒng)由邁克爾遜干涉儀、掃描探頭和光譜采集系統(tǒng)組成,論文詳細(xì)介紹了光譜OCT成像系統(tǒng)的設(shè)計方案及實(shí)現(xiàn)過程,具體包括以下內(nèi)容:
　　 1)利用自由空間型邁克爾遜干涉儀進(jìn)行原理性實(shí)驗(yàn),其具有結(jié)構(gòu)簡單、耦合效率高、易于調(diào)節(jié)光路等優(yōu)點(diǎn);但自由空間型干涉儀需依托光學(xué)平臺,不能應(yīng)用到內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中,因此論文搭建了

7、全光纖型干涉儀系統(tǒng),不僅使系統(tǒng)的集成度提高,且便于與內(nèi)窺鏡系統(tǒng)相結(jié)合,形成OCT內(nèi)窺成像系統(tǒng)。
　　 2)設(shè)計適用于掃描探頭的GRIN透鏡,從追跡光線方程出發(fā)分析透鏡矩陣方程,利用光學(xué)傳遞函數(shù)評價透鏡的成像質(zhì)量,以提高OCT系統(tǒng)的干涉圖像質(zhì)量。通過對直角棱鏡進(jìn)行高反射率介質(zhì)膜的設(shè)計,來提高系統(tǒng)的能量使用率,并在分析與實(shí)驗(yàn)多種橫向掃描方式的基礎(chǔ)上,選用旋轉(zhuǎn)掃描來實(shí)現(xiàn)OCT內(nèi)窺成像。
　　 3)提出一種用于檢測人體胃腸道病變

8、的光譜OCT內(nèi)窺成像系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計方案:利用SGM200-M作為分光平臺,采用G9214-512S線陣CCD將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。在ARM9系列嵌入式微處理器S3C2443和當(dāng)前流行的WinCE5.0實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了干涉信號的光譜采集系統(tǒng)。
　　 4)利用上述成像系統(tǒng)成功獲得包括平面鏡、多層蓋玻片和洋蔥內(nèi)外表皮在內(nèi)的OCT掃描圖像。和自由空間型系統(tǒng)相比,基于嵌入式的光纖化OCT成像系統(tǒng)的集成度高、靈活性強(qiáng)、掃描