基于ARM技术的嵌入式OCT成像系统研究

分析了光谱光学相干层成像的基本原理,并基于ARM9内核的嵌入式微处理器S3C2443和当前主流嵌入式的WINCE实时多任务操作系统,提出了一套用于检测人体胃肠道病变的光谱光学相干层内窥成像系统的研制方案。从硬件和软件两个方面,详细介绍了系统的搭建过程,给出了整个系统框架图和软件运行流程图,并通过旋转扫描实验获得三层盖玻片的实物图,实验结果表明该嵌入式光学相干层成像系统是可行的。     

基于旋转扫描探头的OCT内窥成像系统设计

为了同时获取样品的表面和深度信息,研究光学相干层析的成像原理,建立了基于光学相干层析技术的内窥系统,实现了旋转扫描成像,系统的工作波长为1 310 nm,工作带宽为80 nm.理论推导及计算机仿真得到了系统信噪比与干涉仪的分光比、反射率之间的关系并分析了理论分辨率和探测深度.提出外径为5 mm的内窥镜扫描探头,聚焦距离为12 mm,数值孔径NA为0.47,折射率分布常量A=0.218 7.利用微型电机驱动直角棱镜实现扫描,旋转速度为25 rpm,旋转一周得到640个采样点.采用多层盖玻片和洋葱表皮作为样品进行实验分析,得到了盖玻片和洋葱的图像,横向分辨率和纵向分辨率分别为10 μm和15 μm.结果表明,设计的光学相干层析内窥系统能够用于旋转扫描成像,获取更多的组织信息.     

OCT系统对人体牙齿组织的非失真成像深度的研究

利用基于蒙特卡罗方法的牙组织光学相干层析(OCT)成像模型,研究了不同牙组织的OCT非失真成像深度。通过模拟入射高斯光束以及光在牙组织中的传输,分别获得了单层牙釉质、单层牙本质以及两层牙组织结构的二维仿真OCT图像,与实验结果具有定性的一致性。通过分析二维仿真OCT图像所对应的一维OCT信号,分别得到了三种牙组织结构的平均非失真成像光学深度。研究结果表明,OCT系统对牙齿组织的非失真成像光学深度在150~2400μm之间,其中牙釉质的非失真成像深度要远大于牙本质的成像深度。所得的结果对于在实验中利用OCT图像对组织结构有效信息进行判断具有一定的参考价值。     

基于旋转扫描探头的OCT内窥成像系统设计*

为了同时获取样品的表面和深度信息,研究光学相干层析的成像原理,建立了基于光学相干层析技术的内窥系统,实现了旋转扫描成像,系统的工作波长为1 310 nm,工作带宽为80 nm.理论推导及计算机仿真得到了系统信噪比与干涉仪的分光比、反射率之间的关系并分析了理论分辨率和探测深度.提出外径为5 mm的内窥镜扫描探头,聚焦距离为12 mm,数值孔径NA为0.47,折射率分布常量A=0.218 7.利用微型电机驱动直角棱镜实现扫描,旋转速度为25 rpm,旋转一周得到640个采样点.采用多层盖玻片和洋葱表皮作为样品进行实验分析,得到了盖玻片和洋葱的图像,横向分辨率和纵向分辨率分别为10 μm和15 μm.结果表明,设计的光学相干层析内窥系统能够用于旋转扫描成像,获取更多的组织信息.     

光学相干层析成像系统的实验研究

介绍了作者研究建立的光学相干层析（ＯＣＴ）成像系统,给出了利用该系统得以的实际生物样品光学相干层析图像,并对系统性能和结果作了分析,讨论了影响系统性能的一些因素及改进方法。     

太赫兹波三维成像技术研究进展

太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性,在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是,太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测,逐渐成为当前的研究热点,并展现出广阔的发展前景。本文重点介绍了太赫兹波三维成像的几种常用技术,包括其基本原理和对应的研究进展,并分析了存在的问题和发展趋势。     

光源对相干层析系统特性的影响

在分析相干层析系统成像机理的基础上，从理论上研究了光源对系统成像特性的影响，在考虑干涉条纹的强度用概率函数处理的条件下，由分析得出相干层析成像系统相当于一个复振幅的线性空间不变系统，从而给出相干函数和光源的功率谱密度之间的关系。通过对使用不同光源的系统相干传递函数比较，得出了采用具有较大线宽的低相干光源，系统的空间分辨率更好，可使测量更精确的结论。本文的工作为光学相干层析成像系统的优化设计提供了理论依据。     

OCT技术在发育生物学中的应用

基于光学低相干反射测量而发展起来的光学相干层析技术（ Optica1 Coherence Tomography,OCT）是一种新型的成像技术，它可以对强散射介质如生物组织实施非侵入性的快速活体成像。与传统的组织切片相比,OTC可以大大减少对发育形态成像所需的时间、复杂程度及成本。非接触和非侵入式的成像方式有助于研究个体发育中由基因变异所引起的形态和功能变化，因而在发育生物学的研究当中有着广阔的应用前景。概述了OCT技术在发育生物学当中诸方面的应用情况。     

基于模块化降噪自编码器的视网膜OCT图像降噪方法

针对光学相干层析成像（OCT）过程中,光线散射、目标微动和硬件抖动等原因引起的噪声干扰,尤其是视网膜OCT图像中存在的严重噪声干扰问题,提出了一种基于模块化降噪自编码器的渐进式OCT图像降噪方法。使用多层卷积和反卷积构建自编码器,以模块化深度神经网络的架构为基础搭建了具有多个自编码器模块的神经网络,每个自编码器模块可依次输出降噪程度逐渐升高的过程结果,以满足不同的使用需求。以均方误差、峰值信噪比和结构相似度作为降噪结果的评价指标,对编码器模块数量T的研究结果表明,所设计的编码器在T=4时具有最佳性能。利用所提方法和各种主流方法对正常眼和病眼的视网膜OCT图像进行降噪处理,结果表明所提方法在各项指标上均取得最优结果,可以有效地对视网膜OCT图像进行降噪处理和大幅提升图像的质量。     

In vivo imaging of dynamic biological specimen by real-time single-shot full-field optical coherence tomography

We demonstrate the feasibility of a compact single-shot full-field time domain optical coherence tomography (OCT) for imaging dynamic biological sample in real-time. The system is based on a Linnik type polarization Michelson interferometer and a four-quadrature phase-stepper optics, which can simultaneously capture four quadraturely phase-stepped interferograms on a single CCD. Using a superluminescent diode as light source with center wavelength of 842 nm and spectral width of 16.2 nm, the system yields an axial resolution of 19.8 μm, and covers a field of view of 280 × 320 μm² (220 × 250 pixels) with a transverse resolution of 4.4 μm by using a 10× microscope objective (0.3 NA). Three-dimensional OCT images of biological samples such as an onion slice and a diaptomus were obtained without any image averaging or pixel binning. In addition, in vivo depth resolved dynamic imaging was demonstrated to show the beating internal structure of a diaptomus with a fame rate of 5 fps.     

基于太赫兹技术的植物叶片水分检测初步研究

叶片含水量是植物健康状况的重要衡量指标之一。太赫兹波处于红外和微波之间,对样品水分变化非常敏感,当太赫兹光谱穿透含水丰富的叶片时,叶片中水分等物质能对太赫兹光谱产生强烈的吸收,根据叶片不同位置处水分含量的不同,能利用太赫兹光谱技术对植物叶片进行成像。本研究利用太赫兹技术检测植物叶片的水分含量,初步探讨植物叶片中水分和太赫兹成像的相关关系。实验采集离体绿萝叶片,每隔一定时间通过太赫兹光谱仪对叶片逐点扫描,获取叶片每一点的太赫兹时域光谱数据,经过傅里叶变换得到对应频域光谱,提取时域幅值的光谱参数以及特定频域光谱,对植物叶片图像进行重构,获取植物叶片的二维图像。结果表明,不同频率下,绿萝离体叶片的太赫兹二维图像呈现明显差异,叶肉与叶脉中水分含量不同,对太赫兹波的吸收也不同,根据图像,能清晰显示植物叶片叶肉与叶脉部位的水分含量差异。通过叶片时域幅值的平均值、叶片频域平均值与叶片水分含量建立相应的回归模型,时域最小幅值光谱与水分含量建立的最佳模型预测相关性达0.989 1,预测均方根误差为0.024 4 g。研究表明太赫兹技术用于植物叶片的水分含量检测具有较好的研究潜力。     

基于图像处理的模拟尾流气泡幕研究

利用图像处理技术,对模拟的尾流气泡幕进行了定性和定量分析.压强较小时,位于不同层面上气泡的重叠少,通过二值图像处理可清楚地观察气泡的尺度大小及密度分布;而当压强较大时,不同层面气泡重叠幅度大,大部分气泡的边界难以判断,不能够得到气泡尺度参量及密度分布等信息.利用区域分割技术对获取的气泡幕灰度图像进行伪彩色显示,定性分析了气泡幕中气泡尺度、分布等信息.基于形状分析的等效直径、气泡幕剩余面积和剩余面积变化显示,不同压强下气泡的等效直径分布均在5～100像素范围,平均等效直径为55像素,压强较小条件下小气泡比例较大.     

基于CMOS探测模拟气泡幕前向光散射动态特性

提出了基于CMOS图像传感器探测前向激光近轴的散射横面角和散射纵面角的概念.使用CMOS采集了模拟气泡幕前向散射光动态图像序列,通过计算每帧灰度图像行和列像元均值将其可以用一个列向量和行向量表示,从而图像序列可以用一个图像序列矩阵描述.实验模拟了压强0.005MPa和0.01 MPa产生的气泡幕,通过计算两种压强产生的气泡幕前向光散射图像序列的横向灰度均值和纵向灰度均值,定性分析了100帧图像序列的灰度分布和演化特点,并定量分析了5帧连续图像的动态变化范围和相关性.分析CMOS探测气泡幕前向散射光动态图像序列实验结果表明,随着压强增大,产生气泡幕尺度增大、密度增加、上升速度加快,导致图像序列横向和纵向散射光灰度变化范围增加,并且相邻图像帧之间变化波动幅度增大.     

Non-destructive quantification of pharmaceutical tablet coatings using terahertz pulsed imaging and optical coherence tomography

Optical coherence tomography (OCT) and terahertz pulsed imaging (TPI) are two powerful techniques allowing high quality cross-sectional images from within scattering media to be obtained non-destructively. In this paper, we report experimental results of using OCT and TPI for quantitatively characterizing pharmaceutical tablet coatings in the thickness range of 10-140 μm. We found that the spectral OCT system developed in-house has an axial resolution of 0.9 μm, and is capable of quantifying very thin coatings in the range of 10-60 μm. The upper limit of 60 μm within the tablet coating and core is owed to the strong scattering of OCT light, which has relatively short wavelengths in the range of 0.5-1.0 μm. On the other hand, TPI utilizes terahertz radiation that has substantially long wavelengths in the range of hundreds of microns, and thus is less prone to the scattering problem. Consequently TPI has been demonstrated to be able to quantify thicker coatings in the range of 40-140 μm and beyond. We concluded that OCT and TPI are two complementary analytical techniques for non-destructive and quantitative characterization of pharmaceutical tablet coatings.     

Study on effective probe depth of optical coherence tomography system by Monte Carlo simulation

The intensities of Class I and Class II signals at several different probing depths and different coherence lengths are analyzed using a Monte Carlo model with a pencil beam, and the result shows that the longitudinal resolution has influence on the effective probe depth. A Monte Carlo model for optical coherence tomography system with a focused Gaussian beam is proposed. The intensities of Class I and Class II signals at different probing depth for different radius and depth of focus of the beam are simulated using this model. We found that increasing of the depth of focus and decreasing of the beam radius can finitely increase effective probing depth. When the effective probing depth is fixed, optimal signal intensity can be achieved by altering the beam radius or the depth of focus.     

复谱频域OCT成像的研究

采用频域技术的OCT系统，深度扫描信息由背向散射光谱的傅立叶反变换获得，简化了轴向扫描过程，从而使快速OCT成像成为可能．为了实现复杂生物组织的OCT快速成像，消除谱频域OCT的“混叠”现象、重建样品的真实层析结构，本文引入了相移干涉技术，构建了一套满量程复谱频域OCT实验系统，并为系统设计了特殊的分束镜和移相器，为最终实现复杂生物组织的OCT快速成像提供了条件．     

Influence of Phase Drift on Optical Coherence Tomography Using a CCD Camera-Based Heterodyne Detection Technique

The performance of a two-dimensional heterodyne detection technique in optical coherence tomography (OCT) was studied. This technique, which is based on the frequency synchronous detection method, enables the use of an imager such as a charge coupled device (CCD) camera as a heterodyne sensor array, so that horizontal cross-sectional image can be acquired in real time without lateral scanning. OCT measurements of scattering media including a biological object were demonstrated. To evaluate the influence of phase fluctuations on the present technique, we measured and analyzed the statistical relative-standard-deviation of heterodyne signal intensity as a function of the random phase shifts between two consecutive CCD frames. Practical limitations in the signal stability and possible solutions are discussed.