医用光学仪器

TH773 2004032356 皮肤微循环无损伤光学成像技术的新进展=New progressin noninvasive methods for skin blood flow imaging in microcirculation[刊,中]/陈蕾(清华大学精密仪器系精密测     

融合结构先验信息的稳态扩散光学断层成像重建算法研究

扩散光学断层成像作为一种无辐射损伤、低成本的光学在体成像技术,有着良好的应用前景,但具有空间分辨率低、难以定量的缺陷.为了提高扩散光学断层成像的分辨率,实现光学参数分布的精确重建,基于有限元方法,提出了融合结构先验信息的稳态扩散光学断层成像重建算法.该算法以扩散近似作为成像模型,通过软先验的Laplace 正则化方法引入由MicroCT提供的空间结构信息.采用伴随法计算Jacobian矩阵,Levenberg-Marquardt方法用来进行迭代优化.仿真结果表明该算法不仅能获得精确的光学参数值分布,而且显著地提高了迭代收敛的速度.     

多参量光声成像及其在生物医学领域的应用

光声成像兼具声学成像和光学成像两者的优点, 因而成为近十年来发展最迅速的生物医学成像技术之一. 本文介绍了光声成像的特点及其相对于广泛应用的光学成像技术和声学成像技术的优点; 其次, 解释了光声成像的成像原理, 在此基础上介绍了光声断层成像和光声显微镜这两种典型的光声成像方案, 并介绍了它们的技术特点; 然后, 介绍了光声成像对生物组织的生化特性、组织力学特性、血液流速分布、温度分布参数、微结构特性等多信息参量的提取能力, 及其在生物系统的结构成像、功能成像、代谢成像、分子成像、基因成像等多领域的应用; 最后, 展望了光声成像在生物医学领域的应用潜力并讨论了其局限性.     

宽场光学相干断层成像系统的实验研究和模拟

改进和完善宽场光学相干断层成像技术(WFOCT)的主要方法是从光源、系统光路等方面进行改进.研究WFOCT系统的成像状态和环境状态对系统的横向分辨率的影响,借助ZEMAX光学设计软件模拟该系统的干涉效果,在实验中采用八步移相法来解析样品的二维图像信息,将解析出来的样品图像赋值到图像变量中进行存储显示.实验与模拟结果表明:模拟仿真获得的干涉信号含有对比度和平行度很高的干涉条纹,证明了利用ZEMAX软件模拟仿真干涉系统的可行性.     

生物医学光声成像的研究进展

光声成像是21世纪初发展起来的新兴的生物医学成像技术,它同时具备光学成像和声学成像两者的优点,因而备受关注。本文对生物医学光声成像的发展进行了综述。首先,介绍了光声成像的特点以及相对于广泛应用的光学成像技术和声学成像技术的优点;其次,在成像原理上解释了光声成像优点的成因,并介绍了光声断层成像和光声显微镜这两种典型的光声成像技术;再次,详细介绍了多尺度的光声图像分辨率和成像深度,以及多信息维度的光声成像参数;最后,展望了光声成像在生物医学领域的应用潜力并讨论了其局限性。     

基于δ声波场的生物组织光学断层成像研究

利用δ声波场和近红外光漫射理论实现生物组织的断层成像是一种新颖医学 成像方法. 通过构建一个δ声波场并作用到生物组织中，仅改变组织内作用点上的光学特性参数，并影响近红外光在组织中的传播特性而改变组织表面的光强分布. 利用组织表面光强改变量与作用点上组织光学参数改变量之间的内在关系，可以通过对δ声波场作用点上断层的扫描实现组织内部的断层成像. 该方法具有广泛的临床医学应用前景，为乳腺癌的早期检测提供一种有效方法. 关键词： 光学断层成像 δ声波场 漫射方程 生物组织     

激光扫描光学断层成像系统的设计与应用

设计了基于LabVIEW控制的激光扫描光学断层成像系统,该系统以准直激光器为光源,高精度四维平移台为样本定位单元,光电倍增管为采集单元,实现了针对小鼠肺等小尺寸样本的三维成像.该系统空间分辨率优于20μm,成像视野大于1cm,通过对离体小鼠肺器官的自发荧光成像,展示了系统的操作流程、成像结果和初步生物应用,并探索了它对整个生物器官组织的成像能力.与传统生物医学光学成像方法相比,该方法具有光子收集效率高、成像样本尺寸大、系统操作简单等优点.     

共焦扫描荧光显微镜的信噪比与测量精度

激光扫描共焦显微术和多光子显微术等新的显微成像技术可以对厚的生物样品实现光学断层成像 ,因而在生物医学诊断领域具有重要的应用前境。在Fried的一维分辨度理论的基础上 ,系统地讨论了运用共焦扫描荧光显微术在进行光学断层成像时 ,其光学断层平面分辨度与信噪比之间的定量关系 ,建立了实际显微成像系统平面测量精度的定量计算方法。所得出的结果对于选择共焦扫描显微成像系统的最佳参数及评价所设计的显微成像系统的性能具有重要的意义。     

快速多极边界元法用于扩散光学断层成像研究

在求解扩散光学断层成像中的正向问题时, 目前普遍采用有限元法, 但是随着实际模型规模的增大, 有限元法的计算量问题日益显著, 而边界元法则由于可以降低计算维度使计算量减少而备受关注. 本文以均匀的高散射介质为模型, 研究了将快速多极边界元法用于扩散光学断层成像的正向问题. 快速多极边界元法利用核函数的多极展开, 将常规边界元法中系数矩阵和迭代矢量的乘积项等价为相应四叉树结构的一次递归, 再结合广义最小残量法进行迭代求解. 将计算结果和蒙特卡罗法的模拟结果进行了比较, 表明利用快速多极边界元法的模拟结果和蒙特卡罗法的结果有很好的一致性. 研究结果验证了快速多极边界元法可以用于扩散光学断层成像, 为其大规模和实时成像带来可观的前景. 关键词： 扩散光学断层成像 边界元法 快速多极边界元法     

多光子皮肤成像技术及其应用

多光子成像技术是一种层析能力好、信噪比高的新型光学成像技术。在皮肤光学三维检测中,多光子技术已经应用于无创在体成像,且已得到产业化开发。本文将首先介绍多光子皮肤检测系统的若干核心技术,即双光子自发荧光技术、二次谐波成像技术、荧光寿命成像技术、相干反斯托克斯-拉曼成像技术等,然后简要介绍多光子成像系统在皮肤疾病成像检测上的应用,最后分析该系统的优势和未来可能的发展趋势。     

The characteristics of three-dimensional skin imaging system by full-colored optical coherence tomography

In the present cosmetic market, the skin image obtained from a hand-held camera is two-dimensional (2-D). Due to insufficient penetration, only the skin surface can be detected, and thus phenomena in the dermis cannot be observed. To take the place of the conventional 2D camera, a new hand-held imaging system is proposed for three-dimensional (3-D) skin imaging. Featuring non-invasiveness, optical coherence tomography (OCT) has become one of the popular medical imaging techniques. The dermal images shown in OCT-related reports were mainly single-colored because of the use of a monotonic light source. With three original-colored beams applied in OCT, a full-colored image can be derived for dermatology. The penetration depth of the system ranges from 0.43 to 0.78 mm, sufficient for imaging of main tissues in the dermis. Colorful and non-invasive perspectives of deep dermal structure help to advance skin science, dermatology and cosmetology.     

光学三维成像实验系统

建立光学投影层析三维成像系统,该系统包括光学成像、图像采集、断层重建及三维显示,重建算法为滤波反投影算法.实验结果表明:利用该系统得到的重建图像与样品的形状吻合,重建结果边缘清晰,伪迹较小.     

光学成像在疾病诊断中的应用

当前，医生们利用各种成像技术与疾病进行斗争，其中光学成像技术是获得高分辨率图像的新方法，其原理是每种生物介质具有各自特有的光谱特性，可赖以区分病变组织和正常组织，或对潜在问题准确定位。而光学相干层析则是最精确的光学成像技术，可提供１０～２０μｍ量级的高分辨率及比迄今为止任何其他技术都高的灵敏度。本文着重讨论光学相干层析术的基本原理及目前发展状况     

Noninvasive imaging of in vivo blood flow velocity using optical Doppler tomography

We report the development of an optical technique for noninvasive imaging of in vivo blood flow dynamics and tissue structures with high spatial resolution (2-10 microm) in biological systems. The technique is based on optical Doppler tomography (ODT), which combines Doppler velocimetry with optical coherence tomography to measure blood flow velocity at discrete spatial locations. The exceptionally high resolution of ODT permits noninvasive in vivo imaging of both blood microcirculation and tissue structures surrounding the vessel, which has significance for biomedical research and clinical applications. Tomographic imaging of in vivo blood flow velocity in the chick chorioallantoic membrane and in rodent skin is demonstrated.     

生物医学光声成像

能够对组织体中的光学吸收体进行量化评估的光声成像(photoacoustic imaging)是一种有发展前景的医学成像模式.文章综述了处于快速发展阶段的光声成像技术.文章首先介绍光声成像的物理基础--光声效应.在此基础上,阐述光声成像技术的优势所在(与光学以及超声成像相比较).然后讨论目前该领域的主要技术路线,包括扫描层析术、计算机层析术以及原位探测成像技术.最后简要总结了光声成像技术在生物医学领域中的主要应用.     

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。     

幅值和相位配准技术及其在光学相干层析血流成像中的应用

频域光学相干层析系统中扫描机构定位精度、 机械抖动及样品移动会造成A扫描信号幅值和相位发生波动, 影响生物组织成像质量. 利用最小灰度差匹配、Lorentzian曲线极值拟合和谱域光程差补偿等方法对A 扫描信号进行幅值配准. 通过对A扫描信号相位分布特征的匹配实现相位差检测与配准. 通过求已配准的A 扫描复信号之差, 消除静态组织对血流成像的影响. 进行了人眼扫描实验, 有效提取了视网膜三维血流图像. 实验结果表明, 提出的幅值及相位配准方法大大减小了系统扫描精度、人眼跳动等因素对生物组织在体成像质量的影响. 快速、精确的相位配准方法也可广泛应用在多普勒OCT、相位显微等与相位分辨有关的光学成像领域. 关键词： 频域光学相干层析 配准 血流成像 相位分布特征     

In vivo bidirectional color Doppler flow imaging of picoliter blood volumes using optical coherence tomography

We describe a novel optical system for bidirectional color Doppler imaging of flow in biological tissues with micrometer-scale resolution and demonstrate its use for in vivo imaging of blood flow in an animal model. Our technique, color Doppler optical coherence tomography (CDOCT), performs spatially localized optical Doppler velocimetry by use of scanning low-coherence interferometry. CDOCT is an extension of optical coherence tomography (OCT), employing coherent signal-acquisition electronics and joint time-frequency analysis algorithms to perform flow imaging simultaneous with conventional OCT imaging. Cross-sectional maps of blood flow velocity with <50-microm spatial resolution and <0.6-mm/s velocity precision were obtained through intact skin in living hamster subdermal tissue. This technology has several potential medical applications.     

Phase-resolved optical coherence tomography and optical Doppler tomography for imaging blood flow in human skin with fast scanning speed and high velocity sensitivity

We have developed a novel phase-resolved optical coherence tomography (OCT) and optical Doppler tomography (ODT) system that uses phase information derived from a Hilbert transformation to image blood flow in human skin with fast scanning speed and high velocity sensitivity. Using the phase change between sequential scans to construct flow-velocity imaging, this technique decouples spatial resolution and velocity sensitivity in flow images and increases imaging speed by more than 2 orders of magnitude without compromising spatial resolution or velocity sensitivity. The minimum flow velocity that can be detected with an axial-line scanning speed of 400 Hz and an average phase change over eight sequential scans is as low as 10 microm/s, while a spatial resolution of 10 microm is maintained. Using this technique, we present what are to our knowledge the first phase-resolved OCT/ODT images of blood flow in human skin.     

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。